桥梁结构混合监测

This proposal proposes a hybrid monitoring methodology, which combines finite element model (FEM) analysis and in-place monitoring data (IMD) to overcome the insufficiency of measurement data due to limited number of sensors in conventional structural health monitoring systems. The structural governing equations, containing the information of IMD and FEM data, will be solved by introducing rational algorithm, to acquire the required information, during which both accuracy and computing efficiency has to be concerned. The essential research contents include: (1) establish of the concept and methodology of “hybrid monitoring”; (2) studies on multi-scale finite element modeling under various scenarios, model updating and validation, for hybrid monitoring; (3) settlement of undetermined governing equations, promising the efficiency, applicability and stability of the algorithm, on the basis of which can one achieve the conversion, separation and fusion for monitoring data; (4) development of hybrid computing, damage detection and state estimation methods by utilizing the expanded structure information; (5) verifications by in-lab model testing and in-suit bridge monitoring data.

针对目前桥梁健康监测中因传感器数量有限而造成的监测信息不完备问题，提出将有限元计算与实测数据相结合的混合监测（hybrid monitoring）概念和方法。研究内容包括:（1）梳理混合监测的概念和理论框架；（2）研究不同关注因素和构件重要度下的结构多尺度有限元建模、模型修正和确认方法，提出面向混合监测的最优建模策略；（3）研究由实测数据和有限元模型信息整合而成的欠定控制方程的解法，兼顾计算效率、适用性和稳定性；并在统一框架下实现监测数据的转换、分离及融合，使后续混合分析中数据的应用更加灵活；（4）探索基于混合监测数据的结构损伤识别及性能评定方法，初步建立结构混合监测方法体系；（5）通过模型试验和实桥测试进行验证。通过混合监测方式，可掌握“全息”的结构状态信息，降低结构损伤识别和性能评定传统方法的难度、提升其可靠性，并为实现数字结构和增强现实（AR）技术提供基础。

针对目前桥梁健康监测中因传感器数量有限而造成的监测信息不完备问题，本项目提出将有限元计算与实测数据相结合的混合监测概念和方法，借助基准力学模型提升响应监测数据的完备性，间接解决了结构健康监测中测点数量少和密度低的难题。..主要研究内容包括：（1）梳理混合监测的概念和理论框架；（2）研究不同关注因素和构件重要度下的结构多尺度有限元建模、模型修正和确认方法，在分析各影响因素的基础上提出面向混合监测的最优建模策略；（3）研究由实测数据和有限元模型信息整合而成的欠定控制方程的求解方法，兼顾计算效率、适用性和稳定性；并在统一框架下实现监测数据的转换、分离及融合，使后续混合分析中数据的应用更加灵活；（4）探索基于混合监测数据的结构损伤识别及性能评定方法，初步建立结构混合监测方法体系；（5）通过模型试验和实桥测试进行验证。..围绕混合监测这一核心概念，本项目基本完成了申请书既定目标，构建混合监测的基本理论框架，发展混合分析与计算框架，建立了混合监测的范式模型，分别从理论分析、数值试验、模型验证、场地试验等多个层面论证了相关理论方法，重要结果包括四个方面。（1）静力学层面，确认混合监测重构结构完备响应的理论路径，提出两种静力荷载反演方法，并融合多源异构数据形成结构多种响应的混合分析与损伤识别框架；（2）动力学层面，提出逆求解二阶微分方程的时域和频域方法，及适用于二重多尺度模型与Gilligns滤波方法，形成了基于桥梁动静力特性建立快速模型修正算法；（3）长周期动力学层面，研究温致桥梁响应时空分布特征，构建多源响应的数据融合与分离框架；（4）可视化层面，借助BIM技术构建了一座连续梁桥的数值孪生模型，实现了多源信息融合管理与多尺度、多类型数据思维可视化。最终，解决了申请书预设的关键科学问题：提出面向混合监测的多尺度有限元建模策略，建立欠定方程组的求解方法，并基于混合监测实现结构损伤识别。