栓(铆)接钢桥超声波无损检测可靠性研究

摘要

自二十世纪初以来，我国修建了大量栓铆接钢桥。桥梁管理部门需要对这些桥梁运营状况进行细致、准确的评定，以确保这些桥梁安全、可靠地使用。基于线弹性断裂力学（Linear Elastic Fracture Mechanics，LEFM）的疲劳分析方法是一种较好的钢桥剩余寿命和安全评估方法，此法的核心是尽可能早地发现裂纹并准确地评价关键疲劳细节的初始裂纹尺寸。超声检测是一种常用的栓铆接钢桥裂纹探测方法，然而，栓铆接钢桥超声检测的可靠性亟待进一步研究。 本文采用现场检测与无损检测试验相结合的方法，系统地研究了栓铆接钢桥超声无损检测可靠性、通过马尔科夫链蒙特卡洛（Markov chain Monte Carlo，MCMC）稳态模拟和贝叶斯分析完善了考虑锈蚀和油漆影响的裂纹检出概率（probability of detection，POD）计算方法，形成了一套系统的栓铆接钢桥初始裂纹尺寸的评价体系，为基于LEFM疲劳寿命评估方法应用于栓铆接钢桥运营状况评定奠定了有力的基础。本文的研究工作主要包括以下几个方面： 1．为了描述锈蚀和油漆对超声声能的影响，建立了超声波声能衰减模型。并在对POD对数正态回归模型改进基础之上，提出了考虑锈蚀和油漆影响的POD模型，并推导了该模型的样本似然函数，在此基础之上实现了考虑锈蚀和油漆影响的POD模型参数的贝叶斯估计。 2．提出基于MCMC稳态模拟以及贝叶斯分析的无损检测可靠性建模分析的主要逻辑流程，完善了基于该理论的的POD计算方法。该流程包括以下内容： 建立了对数正态、威布尔、指数以及极值回归模型描述POD随裂纹尺寸的变化规律，在此基础之上实现了四种回归模型参数的最大似然估计，然后以最大似然估计得到参数估计作为已知条件，按照共轭分布构建四种模型的先验分布，采用MCMC稳态模拟方法在马尔科夫链的收敛的基础之上得到参数后验分布；并按照偏差信息准则（deviance information criterion，DIC）进行模型比选，确定最优模型，最后通过贝叶斯推断得到了最优模型的裂纹检出概率曲线、信号饱和概率、信号不足概率以及信号适中概率的95％置信区域。 3．通过定义POD（α）95％置信下限90％POD所对应的裂纹尺寸作为初始裂纹尺寸，形成了一套完整的栓铆接钢桥初始裂纹尺寸的评价体系。 4．将本文建立的考虑锈蚀和油漆影响的POD模型、基于MCMC稳态模拟以及贝叶斯分析的POD计算方法以及初始裂纹尺寸评价体系，应用于上海市外白渡桥，合理地确定了只有锈蚀影响、只有油漆影响、锈蚀和油漆双重影响、无锈蚀油漆影响——四种情况下初始裂纹尺寸，为基于LEFM栓铆接钢桥疲劳寿命评估提供了重要的计算依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章.引言

1.1. 问题的提出

1.2. 国内外研究现状

1.2.1.钢桥疲劳评估方法

1.2.2.无损检测可靠性

1.3. 本文的研究内容

1.4. 技术路线

第2章.现代超声检测原理和方法

2.1. 引言

2.2. 超声检测原理

2.2.1.传统超声检测(Ultrasonic Testing，UT)原理

2.2.2.多区聚焦检测技术(Multizone Testing，MT)原理

2.2.3.C扫描(C-scan)技术

2.2.4.超声相控阵(Ultrasonic Phased Arrays)原理

2.3. 超声检测影响因素

2.4.POD的数学表达

2.4.1.Hit／Miss数据

2.4.2.Signal Response数据

2.5. 小结

第3章. 贝叶斯分析与MCMC稳态模拟

3.1. 引言

3.2. 贝叶斯分析

3.3. MCMC稳态模拟

3.3.1.马尔可夫链

3.3.2.Gibbs抽样

3.3.3.基于MCMC的贝叶斯分析

3.3.4.MCMC的收敛性诊断

3.3.5.MC的均值误差

3.3.6.模型比选

3.3.7.基于MCMC的贝叶斯分析一般流程

3.4. 小结

第4章. Hit／Miss检测数据的POD计算理论

4.1. 引言

4.2. 检出概率点估计

4.3. 检出概率置信下限

4.3.1.POD模型

4.4. 模型优良性评估

4.5.算例

4.5.1.参数估计

4.5.2.模型评估

4.6. 小结

第5章.Signal Response检测数据的POD计算理论

5.1. 引言

5.2. 数学回归模型

5.2.1.对数正态回归模型

5.2.2.威布尔回归模型

5.2.3.指数回归模型

5.2.4.极值回归模型

5.3. 最大似然函数

5.4. 贝叶斯分析

5.4.1.共轭先验分布

5.4.2.样本似然函数

5.4.3.MCMC稳态模拟

5.4.4.模型比选

5.5. 算例

5.5.1.最大似然估计

5.5.2.共轭先验分布

5.5.3.MCMC稳态模拟

5.5.4.贝叶斯估计

5.5.5.马尔科夫链收敛性

5.5.6.模型比选

5.5.7.POD曲线

5.6. 最大似然法与贝叶斯分析对比

5.7.小结

第6章.栓铆接钢桥超声检测研究

6.1.概述

6.2. 桥梁检测

6.3. 疲劳实验

6.4. 数学模型

6.4.1.锈蚀油漆对超卢信号衰减模型

6.4.2.检测信号与裂纹尺寸对数回归模型

6.4.3.考虑锈蚀油漆影响的POD模型

6.4.4.检出概率

6.5. 贝叶斯分析

6.5.1.共轭先验分布

6.5.2.样本似然函数

6.5.3.MCMC稳态模拟

6.5.4.参数估计

6.5.5.马尔科夫链收敛性

6.5.6.POD曲线

6.5.7.门阀值修正

6.5.8.POD95％置信区域

6.5.9.初始裂纹确定

6.6. 小结

第7章结语

7.1. 理论上的进步

7.2. 方法上的进步

7.3. 实际应用结论

7.4. 进一步研究建议

致谢

参考文献

附录

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果