NCREE-2011-006
時間 2011-07-30
標題 應用碎形理論於橋粱的多重災害健康檢測系統可行性研究
作者 林子剛張國鎮、吳日騰
摘要
臺灣因其特殊之地理位置與地形特性,使得橋梁結構飽受地震洪水等多重災害之威脅,鑒於橋梁因河水之沖刷行為所潛藏之危險經常是在毫無預警的情況下發生,故本研究將研究主軸著重在探討橋梁沖刷效應對橋梁結構本體之影響。此外,藉助碎形理論於處理不規則事物或微小變動時所表現之長處,本研究利用碎形理論中的碎形維度Ds與高度尺寸常數G兩參數進行橋梁沖刷監測研究,分別利用於南勢角水工試驗場所進行的單柱放水與全橋放水實驗,對沖刷振動反應資料進行分析。
在單柱放水實驗中,本研究首先發現Ds值隨著橋柱沖刷之嚴重程度逐漸下降,其趨勢與橋柱基礎之振動主頻相仿;另一方面 G值則隨著與訊號之振動幅度呈現正相關,可作為即時判定水流速度與衝擊力道之重要依據。為進一步驗證此一推論,本研究更將探討之面向擴展至全橋放水實驗(多柱系統),透過同時監測多個感測器與橋柱基礎,更精確地掌握全橋之沖刷深度歷時變化。
除此之外,有別於傳統之結構健康診斷(Structural Health Monitoring, SHM)僅單純考慮結構模態的變化,本研究更以碎形理論為基礎提出了一評估橋梁承受沖刷是否存在危險之安全指標,透過計算該安全指標,將可更精確的反映出水流衝擊與流固耦和效應。為了進一步即時地掌握橋柱基礎沖刷之狀態,並解決傳統橋梁結構安全檢測時常受限於現地量測方式和儀器使用限制之此一問題,本研究亦提出了一適用於橋柱基礎覆土深度變化的預測公式,藉由僅分析橋梁上部結構所擷取到之振動訊號,來評估橋柱基礎下方實際之沖刷狀況,並以實驗資料驗證所提出之預測公式,來解決一般透過直接量測橋梁下部振動反應訊號以反映實際狀況,所可能遭遇到之系統或儀器損壞問題,使橋梁即時預警系統之監測技術能有更進一步的發展與突破。
關鍵字 碎形理論, 橋梁沖刷, 結構健康診斷, 橋梁監測預警系統
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