大跨剛構(gòu)-連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)性能的運營環(huán)境影響與規(guī)律分析.pdf

1、惡劣的服役環(huán)境、長期超負荷運營和損傷后未能及時修復(fù)和加固等原因,使得橋梁結(jié)構(gòu)性能退化嚴重,安全性下降,以致發(fā)生重大事故。鑒于橋梁結(jié)構(gòu)的重要性和事故的多發(fā)性,有必要對運營狀態(tài)下的橋梁進行實時長期的連續(xù)監(jiān)測,深入研究和掌握運營環(huán)境對橋梁結(jié)構(gòu)的影響,及時準確地對結(jié)構(gòu)進行狀態(tài)評估和預(yù)測。
　　本文以山東東營黃河公路大橋(大跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土剛構(gòu)-連續(xù)梁橋)為對象,基于該橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的長期監(jiān)測數(shù)據(jù),對大跨剛構(gòu)-連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)性能的運營

2、環(huán)境特性、影響和規(guī)律進行分析和研究,主要內(nèi)容如下:
　　(1)分別采用梁單元模型和三維實體元模型建立了一座大跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土剛構(gòu)-連續(xù)梁橋的有限元模型,對比分析了兩種模型的建模方法和優(yōu)缺點,前者適用于結(jié)構(gòu)的簡化分析、后者適用于結(jié)構(gòu)的精細化分析、尤其是結(jié)構(gòu)局部損傷識別定位和模型修正等?；诖罅勘O(jiān)測數(shù)據(jù),采用和發(fā)展了大跨剛構(gòu)-連續(xù)梁橋模型修正的徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和響應(yīng)面方法,兩種方法把模型修正優(yōu)化過程中反復(fù)迭代計算由有

3、限元模型計算轉(zhuǎn)移至計算效率更高的近似模型計算。東營橋有限元模型修正和對比分析表明,RBF響應(yīng)面方法更適用于大型橋梁結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測的快速模型修正。
　　(2)對基于環(huán)境激勵的結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率識別的功率譜峰值法,提出了低通濾波去除高頻噪聲、半功率帶寬去除虛假模態(tài)、多傳感器加速度測試數(shù)據(jù)平均化的正則化功率譜方法,從而能夠快速地識別大量在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、得到各階真實準確的頻率;然后,對長期連續(xù)的加速度數(shù)據(jù)利用小波分析進行綜合處理,獲得可信和穩(wěn)定的頻

4、率時程。從而,發(fā)展了一種適用于實際橋梁結(jié)構(gòu)連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)快速在線識別模態(tài)頻率的改進功率譜峰值法。
　　(3)通過優(yōu)化東營橋健康監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感網(wǎng)絡(luò),由布設(shè)的大量光纖光柵溫度和應(yīng)力傳感器構(gòu)建出大規(guī)模的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò);通過東營橋的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,得到了大型剛構(gòu)-連續(xù)梁橋的三維溫度分布規(guī)律:大型箱梁橋的縱向溫差很小,可以忽略不計;橫向溫差并不大,主要出現(xiàn)在兩側(cè)翼緣與箱梁頂板之間;豎向溫差最大,主要因橋梁豎向各部分受日照輻射的不同時間量

5、和時間差而致。
　　(4)基于大跨剛構(gòu)-連續(xù)梁橋三維實體有限元模型,提出了環(huán)境溫度及其變化對剛構(gòu)箱梁預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)靜動力性能影響的仿真分析方法。首先,通過預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的溫度效應(yīng)(包括材料性能、應(yīng)力、動力特性)的仿真分析,提出了橋梁結(jié)構(gòu)溫度影響的理論分析方法;然后基于東營橋的實體有限元模型,對多種溫度分布工況進行了有限元分析;最后,考慮日照輻射的影響,對東營橋日照溫度效應(yīng)進行了實體有限元熱效應(yīng)分析以及溫度場荷載作用下的靜

6、力和動力分析。東營橋運營環(huán)境溫度效應(yīng)的分析結(jié)果表明,環(huán)境溫度荷載對剛構(gòu)箱梁預(yù)應(yīng)力混凝土橋的靜動力特性影響很大,橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫差以及由此引起的溫度應(yīng)力主要是日照輻射引起的。
　　(5)通過東營橋的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,得到了大型剛構(gòu)-連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力因溫度變化的影響規(guī)律。經(jīng)過溫度補償?shù)墓饫w光柵應(yīng)變傳感器,能很好地監(jiān)測到橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力因溫度和交通荷載引起的日周期性規(guī)律;環(huán)境溫度對橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響非常大,季節(jié)性溫差引起應(yīng)力的大小有數(shù)倍的差

7、異;通過對監(jiān)測的應(yīng)力與溫度時程數(shù)據(jù)分析表明,兩者具有較強的線性相關(guān)性,但不同的測點具有不同的相關(guān)系數(shù)。
　　(6)根據(jù)東營橋監(jiān)測系統(tǒng)中收費站實測的車重數(shù)據(jù),對東營地區(qū)的車輛荷載進行了統(tǒng)計分析,通過對概率模型進行研究和比較,確定了該地區(qū)車輛荷載的概率模型及最大值分布;其次,提出了橋梁結(jié)構(gòu)車輛移動荷載識別的荷載形函數(shù)方法,該方法利用形函數(shù)逼近移動荷載,無需限制結(jié)構(gòu)類型,對復(fù)雜的大跨橋梁結(jié)構(gòu)只要有較準確的有限元模型,就能夠通過測量加速度