在役桥梁结构系统非线性动力参数识别及安全性评估研究

Proper evaluation of bridge structural safety based on bridge health monitoring information has become a hot yet difficult issue in bridge engineering at the moment. The previous research results on safety evalution of complex structures by means of nonlinear dynamics will be applied to the safety evaluation of bridges in service in our project. Firstly we will find out bridge nonlinear pattern by a couple of critical parameters such as nonlinear bifurcation and stablility. Secondly, the structural evolution parameters as information entropy and correlation dimension will be extracted from the monitored bridge health information by nonlinear time series analysis. Finally, a safety evaluation model based on structural nonlinearity will be established by the "attribute" system for characterization of brdige state extracted by correlation theory and pattern recognition on various structures. With theoretical research and model experiment by ASCE BenchMark.This research will provide reference for further research in this field and for practical engineering use in the future.

如何利用桥梁实时健康监测信息客观、科学地评估桥梁结构的安全状态是目前桥梁研究领域的热点和难点问题。本项目拟从系统论的角度出发，提出基于非线性动力学理论的在役桥梁安全性评估新理论和新方法。项目采取理论分析和试验验证相结合的研究方法，首先利用非线性系统理论分析桥梁动力学行为演化的非线性分岔、稳定性等临界条件参数，以此揭示结构系统非线性行为演化模式。其次，应用非线性时间序列技术，结合实验室梁与Benchmark模型提取桥梁结构最大Lyapunov指数、熵、关联维等非线性动力特征参数并剖析其演化机理。在上述研究的基础上，应用相关性理论对特征参数进行敏感性、有效性分析，提出表征结构系统状态的"属性"集。最后，结合模式识别理论构建出基于桥梁结构系统非线性特征参数的结构安全评估模型。本项目研究对进一步发展基于健康监测信息的在役桥梁安全评估研究具有重要的理论和实用价值。

随着桥梁结构健康监测技术广泛应用，基于在役桥梁结构系统动力响应分析结构状态的理论与技术也日益被高度关注。本项目结合复杂系统理论，非线性理论，数据挖掘、统计分析等技术，采取理论分析、模型实验以及工程验证相结合的方法，充分利用在役桥梁实时监测信息进行系统非线性特征参数的识别及其演化模式分析，构建基于系统非线性特征参数的在役桥梁安全性评估模型。主要内容包括：.①桥梁结构动力系统稳定性及混沌非线性临界状态分析研究。引入复杂系统理论，探讨桥梁结构系统的复杂性及其复杂动力行为，并形成新的桥梁结构状态评估理论与方法；利用巴尔巴欣公式及Routh-Hurwitz理论研究匀速移动弹簧-质量模型的稳定性及混沌分岔临界条件，提出基于混沌特征指标表征结构状态演化模型；引入非线性刚度粘弹性梁，通过线性项和立方项之和表示梁材料的物理非线性因素，构建基于“混沌振动理论”识别桥梁结构刚度变化的方法；同时，提出基于车桥耦合振动声纹概率稳定性的结构裂缝损伤识别技术，进一步发展并完善基于结构动力特性的结构损伤识别技术。.②在役桥梁结构系统非线性动力行为特征参数识别及其演化机理分析。通过ASCE Benchmark模型及其有限元模型、试验室缩尺模型、马桑溪长江大桥等结构动力响应（加速度、动挠度等）时间序列信号，利用混沌时间序列、分形理论、数据挖掘和统计分析等分析技术，提取结构系统非线性行为特征参数（如最大Lyapnuov指数、关联维数、熵等）表征结构状态，完成基于非线性行为特征参数识别桥梁结构演化机理分析。.③基于相关性理论的系统非线性特征参数敏感性分析。利用时延转移熵、时延互信息等线性及非线性相关分析技术，分析多种工况下结构系统非线性特征参数的敏感性及有效性，提取能有效、敏感表征结构系统状态演化的特征参数，并构建基于最大Lyapunov指数谱熵的结构状态分析指标，提高了结构状态分析的效果。.④基于系统非线性特征参数的在役桥梁结构安全评估模型研究。根据混沌时间序列向空间重构理论，从监测信息时间序列提取最佳嵌入维并将其作为神经网络多步递推学习的步数，构建基于多步递推BP神经网络的桥梁监测信息预测模型；针对大型在役桥梁结构多测点实时监测的特点，提出基于时延转移熵与时延互信息的桥梁状态分析方法。结合马桑溪大桥的监测信息的试验分析，结构不同测点的力学相关性与监测信息的相关性一致；结合在役桥梁结构状态分