大型斜拉橋長期健康監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、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。如果不對這些存在結(jié)構(gòu)損傷和隱患的橋梁進(jìn)行監(jiān)測和評估，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。 本文以武漢長江二橋(大型斜拉橋)為研究背景，針對大型斜拉橋的長期健康監(jiān)測過程中存在的關(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)

2、識(shí)別、優(yōu)化算法、結(jié)構(gòu)仿真與預(yù)測等理論和方法，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期健康監(jiān)測過程中的關(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)

3、別問題；橋梁設(shè)計(jì)與施工中的問題；橋梁監(jiān)測項(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)的評估理論和方法。 2、分析了以前對于大型斜拉橋先整體后局部的簡化計(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，綜合考慮了武漢長江二橋的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋的特點(diǎn)，針對預(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)

4、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

5、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)作為初始的修正對象，計(jì)算了7個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對結(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)量密度對結(jié)構(gòu)各階頻率的影響相對其它參數(shù)很小，

6、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)測試的動(dòng)力模態(tài)結(jié)果，以實(shí)測頻率和計(jì)算頻率的相對誤差作為優(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)用靈敏度方法對武漢長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，這再一次說明了模型修正的結(jié)果是比較準(zhǔn)確

7、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)測系統(tǒng)中的相關(guān)特性提供了在線報(bào)警的門檻值。 6、對大型斜拉橋進(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1201、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)測重儀器，及時(shí)限制超重車過橋。 模擬

8、了橋梁在5萬輛、10萬輛、15萬輛和20萬輛等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)武漢長江二橋的極限交通流量在12萬輛左右，長期超重會(huì)對橋梁產(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