面向結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的大跨橋梁有限元模擬及其應(yīng)用.pdf

1、本文的研究工作主要是大跨橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型的建模過(guò)程、模型修正理論、模型驗(yàn)證以及結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力響應(yīng)分析，其目的是發(fā)展面向大跨橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的建模和數(shù)值計(jì)算技術(shù)。論文的主要工作及其成果有： (1)討論了面向結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的有限元模型的特點(diǎn)和相應(yīng)的建模策略。為了高精度地計(jì)算結(jié)構(gòu)的靜力響應(yīng)、動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)，面向結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的結(jié)構(gòu)模型必須精確地模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)形、材料特性和聯(lián)結(jié)特性等。另一方面，為了避免模型過(guò)于復(fù)雜，不利于計(jì)算分析

2、，用物理正交各向異性板來(lái)模擬構(gòu)造上的正交異性橋面板，研究了相應(yīng)的參數(shù)確定方法。為了降低建模過(guò)程中的不確定性，建模的初始構(gòu)形、主纜、吊桿和主梁中的初始應(yīng)力，主梁和橋塔間以及主梁和橋墩間的相互作用等因素在建模過(guò)程中加以詳細(xì)考慮。以香港青馬大橋?yàn)楣こ瘫尘埃懻摿似湟越Y(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估為目標(biāo)的有限元模型的具體建立過(guò)程。 (2)針對(duì)現(xiàn)有的矩陣型和參數(shù)型模型修正方法的主要缺點(diǎn)進(jìn)行了初步改進(jìn)。采用修正各單元?jiǎng)偠葏⑴c系數(shù)的辦法來(lái)達(dá)到矩陣型模型修正目的

3、，修正后模型的力學(xué)意義明確，保持了剛度矩陣的帶狀和稀疏性。借助局部位移向量和整體位移向量間的轉(zhuǎn)換矩陣，建立了結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣和結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)矩陣，相應(yīng)的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，關(guān)聯(lián)矩陣力學(xué)意義明確。 在上述工作基礎(chǔ)上發(fā)展了新型的多重子步模型修正方法。 多重子步模型修正方法的核心思想是把復(fù)雜的修正過(guò)程分步實(shí)現(xiàn)，先進(jìn)行誤差定位，再實(shí)現(xiàn)參數(shù)修正。采用子結(jié)構(gòu)建模技術(shù)，在整體上把結(jié)構(gòu)劃分為包含有限數(shù)量子結(jié)構(gòu)的模型，子結(jié)構(gòu)內(nèi)部詳細(xì)模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)

4、件的幾何空間構(gòu)形和材料特性。這樣，建立的模型可以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的需求，同時(shí)在結(jié)構(gòu)整體上容易直接實(shí)現(xiàn)計(jì)算和測(cè)量自由度間的匹配。建立了剛度參與法和局部位移關(guān)聯(lián)法的誤差定位方法。針對(duì)誤差定位后子結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件參數(shù)的修正問(wèn)題，建立了直接修正法、關(guān)聯(lián)矩陣法以及在子結(jié)構(gòu)層次上的靈敏度分析法三種參數(shù)修正方法。算例驗(yàn)證表明，建立的誤差定位和參數(shù)修正方法有效可靠。利用多重子步模型修正方法，對(duì)潤(rùn)揚(yáng)大橋南汊懸索橋橋塔的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了修正，修正結(jié)果表明，本文建

5、立的修正方法比較有效可行。 (3)研究了大跨橋梁結(jié)構(gòu)模型驗(yàn)證問(wèn)題。討論了從靜力響應(yīng)(影響線(xiàn))、動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)三方面信息對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)模型的驗(yàn)證問(wèn)題，以建立的面向結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的青馬橋結(jié)構(gòu)模型為具體目標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明所建模型可以高精度地計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力響應(yīng)。 (4)研究了大跨橋梁結(jié)構(gòu)在交通載荷下動(dòng)力響應(yīng)的模擬計(jì)算和疲勞損傷分析。把交通載荷簡(jiǎn)化為移動(dòng)載荷，通過(guò)施加隨載荷位置、大小和速度而變化的等效結(jié)點(diǎn)力的方法，以青馬橋?yàn)?/p>