基于環(huán)境激勵的橋梁結構動力有限元模型修正研究.pdf

1、有限元模型修正對象、優(yōu)化目標以及約束條件的不同,決定了特定的有限元模型修正方法只適應于特定的問題。對橋梁結構進行有限元模型修正,必須考慮橋梁結構的特點。但是,橋梁結構的動力特性一般由現(xiàn)場的振動測試確定,在正常工作條件下,風、車輛、行人等是一種自然的環(huán)境激勵方式。直接利用環(huán)境激勵下橋梁的振動響應數(shù)據(jù)進行模態(tài)參數(shù)識別,具有明顯的優(yōu)點:不需額外的人工激勵,不必中斷交通,更符合實際的邊界條件與工作狀態(tài),可以實現(xiàn)實時的監(jiān)測等。因此基于環(huán)境激勵的橋

2、梁結構動力有限元模型修正研究具有重要的意義。
　　基于環(huán)境激勵的橋梁結構動力有限元模型修正方法研究,盡管已有許多處理方法和研究成果,但還有許多關鍵問題或難點沒有得到很好地解決。本論文就是基于這樣的背景,在國家自然科學基金項目(No.50378041, No.50608036)資助下,旨在對處于工作環(huán)境下的橋梁結構有限元分析模型進行修正,使其與現(xiàn)場環(huán)境振動測試結果盡可能地接近,提出并最終建立基于自然的環(huán)境激勵、適用于橋梁結構的有限元

3、模型修正實用方法。重點研究了目標函數(shù)的構建,修正參數(shù)的選擇和實用的優(yōu)化算法,研究結果可廣泛應用于橋梁結構的損傷識別、健康監(jiān)測以及承載力評定,具有較大的理論意義和工程實用價值。
　　本論文在如下幾方面進行了理論、數(shù)值與試驗研究,并取得了一些研究成果:
　　1)詳細討論了基于環(huán)境激勵橋梁結構動力有限元模型修正所涉及到的各個方面和技術,如有限元建模、環(huán)境振動測試和模態(tài)參數(shù)識別等。重點介紹了各種評判理論分析和實驗結果相關程度的方法、

4、有限元模型的縮聚方法和實驗模態(tài)的擴展方法等。最后介紹了基于MATLAB開發(fā)的有限元模態(tài)分析工具箱MATBM,并通過一個簡支梁的仿真實例進行了驗證。
　　2)有限元模型修正過程中存在三個關鍵問題:目標函數(shù)的確定、修正參數(shù)的選擇和實用的優(yōu)化算法,目標函數(shù)的構建是其中最關鍵步驟之一。通過一個簡支梁的仿真實例表明,在基于動力的目標函數(shù)中,聯(lián)合頻率、振型和模態(tài)柔度的目標函數(shù)比單獨運用頻率、振型或模態(tài)柔度的目標函數(shù)有更好的模型修正效果,而且在

5、聯(lián)合頻率、振型和模態(tài)柔度的目標函數(shù)中,頻率殘差取較大權重系數(shù)構建目標函數(shù)的修正效果最好。
　　3)有限元模型修正的成功與否,修正參數(shù)(比如物理參數(shù)、子結構參數(shù))的選擇至關重要。從模態(tài)參數(shù)識別的角度來說,需要修正參數(shù)的微小變化能導致模態(tài)數(shù)據(jù)有顯著的變化,也就是說,用以構建目標函數(shù)的理論分析結果、實驗結果之間的差異應該是修正參數(shù)的敏感函數(shù)。否則,修正的參數(shù)有時需要嚴重偏離它們的初始值,才能達到可接受的對應關系,參數(shù)會失去其物理基礎。同

6、時為了避免數(shù)值計算出現(xiàn)病態(tài),修正參數(shù)的數(shù)量應該盡可能少。因而,選擇參數(shù)時需要透徹了解目標結構的物理意義。通過實例研究,本文建立了基于靈敏度分析和工程經驗選擇修正參數(shù)的過程。
　　4)建立了十里河大橋的有限元模型,在靈敏度分析和優(yōu)化理論的基礎上,以橋梁在環(huán)境激勵作用下的實測數(shù)據(jù)為依據(jù),對橋梁的有限元模型進行了修正?？偟膩碚f,基于動力響應的修正結果是比較合理的。修正結果表明,該修正方法簡單、有效,修正后的有限元模型能更好地反映橋梁的動

7、力特性,為后期的損傷識別和健康監(jiān)測服務。
　　5)為了解決橋梁結構健康監(jiān)測中的傳感器優(yōu)化布置問題,提出了一種基于二重結構編碼遺傳算法的傳感器優(yōu)化布置方法。該法克服了傳統(tǒng)遺傳算法收斂速度慢且易陷入局部最優(yōu)的缺陷,大大加快了收斂速度,并確保能搜索到全局最優(yōu)解。最后通過一個橋梁工程的實例分析,證明了該法在搜索能力、計算效率和可靠性方面均明顯優(yōu)于序列法,可廣泛應用于橋梁結構健康監(jiān)測。
　　6)首先改進了編碼方法,采用二重結構編碼進行