【摘要】：
橋梁建成以后，會(huì)由于設(shè)計(jì)或施工的缺陷而存在隱患，或受到氣候、環(huán)境等自然因素的影響而老化，或承受日益增加的交通流量和荷載作用而損壞。如果不對(duì)這些存在結(jié)構(gòu)損傷和隱患的橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估，就得不到及時(shí)維修與加固，不僅會(huì)影響行車安全，縮短橋梁使用壽命，甚至?xí)l(fā)生橋梁突然破壞或倒塌等橋毀人亡的事故。
本文以武漢長(zhǎng)江二橋(大型斜拉橋)為研究背景，針對(duì)大型斜拉橋的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)過程中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，綜合運(yùn)用有限元理論、動(dòng)力模型修正、模態(tài)參數(shù)識(shí)別、優(yōu)化算法、結(jié)構(gòu)仿真與預(yù)測(cè)等理論和方法，從橋梁結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)理論模型的建立開始，對(duì)橋梁健康基準(zhǔn)狀態(tài)的確定、動(dòng)力模型修正方法、結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別算法、橋梁結(jié)構(gòu)閾值的確定、結(jié)構(gòu)損傷預(yù)案仿真等整個(gè)健康監(jiān)測(cè)過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究。本文的主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
1、提出了大型斜拉橋長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)過程中的關(guān)鍵技術(shù)難題。這些難題集中在橋梁結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)狀態(tài)的確定，也就是健康標(biāo)準(zhǔn)的建立，其核心問題就是結(jié)構(gòu)有限元模型修正的問題；橋梁損傷的識(shí)別問題；橋梁設(shè)計(jì)與施工中的問題；
橋梁監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的局限性；傳感信息的有效性及傳感器壽命問題；橋梁結(jié)構(gòu)的退化問題及其失效模式以及橋梁狀態(tài)的評(píng)估理論和方法。
2、分析了以前對(duì)于大型斜拉橋先整體后局部的簡(jiǎn)化計(jì)算方法的缺點(diǎn)，提出了局部和整體一起考慮的建模思路，綜合建立大型斜拉橋的空間精細(xì)實(shí)體有限元模型。按照設(shè)計(jì)單位提供的設(shè)計(jì)圖紙，綜合考慮了武漢長(zhǎng)江二橋的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋的特點(diǎn)，針對(duì)預(yù)張拉的斜拉索、預(yù)應(yīng)力筋、普通鋼筋、混凝土塔和箱梁等主要構(gòu)件采用不同的單元形式，分析了橋梁的邊界條件和構(gòu)件之間的連接方法，運(yùn)用大型有限元分析軟件ANSYS建立了武漢長(zhǎng)江二橋的精細(xì)實(shí)體有限元模型。
3、總結(jié)了結(jié)構(gòu)模型修正的經(jīng)典方法，分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，提出了適用于大型斜拉橋模型修正的方法——基于結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度修正的優(yōu)化方法。這些經(jīng)典的結(jié)構(gòu)模型修正方法大多采用某種試驗(yàn)／理論余量的最小化過程出發(fā)，按不同的修正對(duì)象(矩陣修正、結(jié)構(gòu)參數(shù)修正)和優(yōu)化目標(biāo)(最小范數(shù)攝動(dòng)、最小秩攝動(dòng))以及不同的優(yōu)化約束條件進(jìn)行優(yōu)化；同時(shí)闡明了近年來(lái)研究的基于靈敏度方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和遺傳算法等最新模型修正方法的過程。
4、研究了武漢長(zhǎng)江二橋的有限元模型修正過程。首先選取了斜拉索的彈性模量、預(yù)應(yīng)力鋼筋的彈性模量、普通鋼筋的彈性模量、主塔的彈性模量和質(zhì)量密度以及主梁的彈性模量和質(zhì)量密度等7個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)作為初始的修正對(duì)象，計(jì)算了7個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)頻率的靈敏度，發(fā)現(xiàn)普通鋼筋的彈性模量和主塔的質(zhì)量密度對(duì)結(jié)構(gòu)各階頻率的影響相對(duì)其它參數(shù)很小，屬于次要因素，因此在模型修正中不予考慮。然后根據(jù)成橋后環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試的動(dòng)力模態(tài)結(jié)果，以實(shí)測(cè)頻率和計(jì)算頻率的相對(duì)誤差作為優(yōu)化目標(biāo)，以結(jié)構(gòu)參數(shù)的上下限值作為約束條件，運(yùn)用靈敏度方法對(duì)武漢長(zhǎng)江二橋有限元模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了修正，修正后的結(jié)果比較符合實(shí)際。
5、針對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果，依據(jù)橋梁荷載試驗(yàn)的相關(guān)
規(guī)范，計(jì)算了幾種靜載工況下主梁的撓度、主梁橫截面應(yīng)力等，計(jì)算的結(jié)果與荷載試驗(yàn)的結(jié)果比較接近，這再一次說(shuō)明了模型修正的結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。另外根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)的相關(guān)
規(guī)范，提出了橋梁結(jié)構(gòu)閾值的概念，依據(jù)橋梁基準(zhǔn)模型計(jì)算了橋梁結(jié)構(gòu)的閾值，為橋梁健康
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的相關(guān)特性提供了在線報(bào)警的門檻值。
6、對(duì)大型斜拉橋進(jìn)行了相關(guān)的結(jié)構(gòu)預(yù)案模擬仿真分析。
研究了橋梁在重載車50T、80T和120T等幾種工況下的工作狀態(tài)，通過比較發(fā)現(xiàn)：一臺(tái)120T重車過橋相當(dāng)于1.5萬(wàn)輛普通車輛的影響，這種影響應(yīng)該引起橋梁管理者的高度關(guān)注，增設(shè)測(cè)重儀器，及時(shí)限制超重車過橋。
模擬了橋梁在5萬(wàn)輛、10萬(wàn)輛、15萬(wàn)輛和20萬(wàn)輛等4種不同的交通流量下的狀況，計(jì)算了主要截面的應(yīng)力應(yīng)變、斜拉索的索力、主塔的偏移量和主梁的撓度等。研究發(fā)現(xiàn)武漢長(zhǎng)江二橋的極限交通流量在12萬(wàn)輛左右，長(zhǎng)期超重會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞作用，這個(gè)研究結(jié)果為橋梁管理者提供了科學(xué)的交通管制手段；
模擬了橋梁在極端寒冷和極端炎熱等2種不同氣候條件下的工作狀況，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度的高低不是主要的因素，而整個(gè)橋梁的溫度梯度是主要的因素，溫度梯度越大，產(chǎn)生的應(yīng)力越大；
模擬了部分斜拉索斷裂后的橋梁工作狀況。研究表明斷索后所有拉索的索力要進(jìn)行重新分配，并且都有不同程度的增加，而距離斷索越近的拉索其索力增加越大。以橋梁中部WTZ10-S-AF處的索力為例，在日交通流量5萬(wàn)輛時(shí)，其索力增加了387kN，增幅達(dá)到9.5％；在日交通流量10萬(wàn)輛時(shí)，其索力增加了796kN，增幅達(dá)到17.8％。顯然這要引起橋梁維護(hù)工作者的高度關(guān)注。
【關(guān)鍵詞】：斜拉橋 有限元 模型修正 優(yōu)化算法 結(jié)構(gòu)閾值 模擬仿真 【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2006
【分類號(hào)】：U446.2;U448.27
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2007.149010
【目錄】：
- 摘要5-7
- Abstract7-13
- 第1章 緒論13-29
- 1.1 課題來(lái)源13
- 1.2 問題提出的背景13-20
- 1.3 橋梁長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)面臨的主要問題20-27
- 1.3.1 橋梁損傷的識(shí)別問題20-22
- 1.3.2 橋梁設(shè)計(jì)與施工中的問題22-23
- 1.3.3 橋梁監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的局限性23
- 1.3.4 傳感信息的有效性及傳感器壽命23-24
- 1.3.5 橋梁結(jié)構(gòu)的退化問題及其失效模式24-25
- 1.3.6 橋梁狀態(tài)的評(píng)估理論25-26
- 1.3.7 橋梁結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)狀態(tài)的確定26-27
- 1.4 本文的主要工作27-29
- 第2章 橋梁基準(zhǔn)狀況的確定29-46
- 2.1 關(guān)于模型修正29-32
- 2.2 模型修正方法32-39
- 2.2.1 質(zhì)量矩陣的修正32-33
- 2.2.2 多約束剛度矩陣修正法33
- 2.2.3 最小范數(shù)攝動(dòng)法33-35
- 2.2.4 子矩陣修正法35-36
- 2.2.5 基于靈敏度分析的結(jié)構(gòu)參數(shù)修正法36-39
- 2.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型修正方法39-43
- 2.3.1 概述39-40
- 2.3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)40-42
- 2.3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能修正框架42-43
- 2.4 基于遺傳優(yōu)化算法的模型修正方法43-44
- 2.5 本章小結(jié)44-46
- 第3章 斜拉橋空間精細(xì)有限元模型的建立與分析46-65
- 3.1 斜拉橋非線性分析理論介紹46-49
- 3.2 斜拉橋有限元計(jì)算方法49-53
- 3.3 ANSYS中實(shí)現(xiàn)斜拉橋非線性分析基本過程53-54
- 3.4 武漢長(zhǎng)江二橋的基本概況介紹54-56
- 3.5 斜拉橋的支承條件分析56
- 3.6 模型劃分56-61
- 3.6.1 斜拉索與預(yù)應(yīng)力配筋57-58
- 3.6.2 普通鋼筋58-59
- 3.6.3 主塔59-61
- 3.6.4 主粱61
- 3.7 有限元建模61-63
- 3.8 本章小結(jié)63-65
- 第4章 武漢長(zhǎng)江二橋有限元模型智能修正65-78
- 4.1 有限元理論計(jì)算初始結(jié)果分析65-69
- 4.1.1 有限元計(jì)算結(jié)果65
- 4.1.2 計(jì)算振型圖65-69
- 4.2 成橋后動(dòng)力特性試驗(yàn)結(jié)果69-70
- 4.3 有限元模型修正70-77
- 4.3.1 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較70-71
- 4.3.2 待修正結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇71-72
- 4.3.3 靈敏度分析72-73
- 4.3.4 優(yōu)化計(jì)算73-75
- 4.3.5 模型修正結(jié)果75-77
- 4.4 本章小結(jié)77-78
- 第5章 武漢長(zhǎng)江二橋有限元分析及結(jié)構(gòu)閾值確定78-97
- 5.1 結(jié)構(gòu)靜力有限元分析78-89
- 5.1.1 關(guān)于橋梁荷載試驗(yàn)78
- 5.1.2 武漢長(zhǎng)江二橋成橋后試驗(yàn)78-79
- 5.1.3 靜力加載工況79-81
- 5.1.4 有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較81-89
- 5.2 橋梁結(jié)構(gòu)報(bào)警閾值的確定89-96
- 5.2.1 傳感器空間位置及其應(yīng)變閾值表89-90
- 5.2.2 結(jié)構(gòu)閾值90-96
- 5.3 本章小結(jié)96-97
- 第6章 橋梁結(jié)構(gòu)的可視化預(yù)案仿真分析97-112
- 6.1 預(yù)案仿真的目的97
- 6.2 模擬橋梁在不同的交通流量下的狀況97-101
- 6.3 重載車通過時(shí)的仿真分析101-103
- 6.4 模擬橋梁在不同溫度條件下的狀況103-107
- 6.5 模擬橋梁在部分構(gòu)件失效后的狀況107-111
- 6.6 本章小結(jié)111-112
- 第7章 總結(jié)與展望112-115
- 7.1 全文總結(jié)112-113
- 7.2 研究展望113-115
- 參考文獻(xiàn)115-124
- 致謝124-125
- 攻讀博士期間發(fā)表的論文125
