大跨斜拉橋有限元模型修正與結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)方法研究.pdf

1、大跨橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)已成為當(dāng)今土木工程界研究的熱點(diǎn)問題。橋梁結(jié)構(gòu)由于受到車輛、風(fēng)、地震等荷載作用以及環(huán)境影響或突發(fā)事件（溫度、濕度、撞擊等）因素會(huì)在運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生不同程度的損傷。橋梁結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生損傷，將對(duì)橋梁安全造成巨大威脅并嚴(yán)重危害人民的生命財(cái)產(chǎn)和安全。一些嚴(yán)重的突發(fā)事故諸如橋梁傾覆倒塌等還會(huì)給國家和社會(huì)帶來巨大的災(zāi)難。利用橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過模型修正與損傷識(shí)別揭示結(jié)構(gòu)狀態(tài)退化，據(jù)此評(píng)估結(jié)構(gòu)安全與預(yù)測(cè)剩余壽命，對(duì)于橋梁運(yùn)行維護(hù)

2、與災(zāi)害預(yù)防具有重要意義。本文提出了一種大跨斜拉橋模型修正的方法，并且在實(shí)驗(yàn)室建立了一座縮尺比例為1∶150的斜拉橋模型，通過理論研究與物理模擬較為系統(tǒng)地研究了斜拉橋模型修正中的一些關(guān)鍵問題;為了克服基于傅里葉變換的動(dòng)力損傷識(shí)別方法的局限性，發(fā)展了基于小波變換的振動(dòng)傳遞性的概念，建立了更加有效的斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別算法;針對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的空間位置的任意性，提出了一種斜拉橋損傷的分布式探測(cè)方法，并且利用物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。主要研究工

3、作和結(jié)論如下:
　　緒論部分首先闡述了橋梁健康監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別的研究意義，接著回顧和總結(jié)了近幾十年來橋梁健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展情況，介紹了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的概念、組成、發(fā)展歷史以及在工程中的實(shí)際應(yīng)用情況。根據(jù)國內(nèi)外近些年來對(duì)斜拉橋損傷識(shí)別方法的研究，詳細(xì)地介紹了適用于大跨斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法的理論以及各類損傷識(shí)別方法的適用條件范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。最后針對(duì)在橋梁健康監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別中的問題給出了本文的主要研究?jī)?nèi)容和研究思路。
　　以山東黃河勝利大

4、橋?yàn)楣こ瘫尘埃谀Ｐ拖嗨评碚摻⒈瘸邽?∶150的斜拉橋模型，并通過開展斜拉橋模型試驗(yàn)獲得斜拉橋的靜動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)。首先闡述了模型實(shí)驗(yàn)的目的與意義，相似理論在模型實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。然后詳細(xì)介紹了模型的設(shè)計(jì)制作的整個(gè)過程，包括模型材料的選擇、各物理量相似常數(shù)的推導(dǎo)、結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的尺寸設(shè)計(jì)和邊界條件的模擬等內(nèi)容。在斜拉橋模型靜力加載試驗(yàn)通過百分表測(cè)試橋面的撓度，自制FBG光纖傳感器監(jiān)測(cè)斜拉索的索力變化。通過模態(tài)分析試驗(yàn)獲得了斜拉橋的前三階豎向彎曲

5、振動(dòng)頻率和相應(yīng)的振型。最后通過模型試驗(yàn)研究了斜拉索損傷對(duì)橋梁位移和索力變化的影響，討論了關(guān)鍵索索力變化對(duì)整個(gè)橋梁安全狀況的影響。該模型橋?yàn)楸疚牡难芯炕鶞?zhǔn)模型，為斜拉橋健康監(jiān)測(cè)與損傷識(shí)別的研究做鋪墊。
　　第三章提出了一種對(duì)大跨斜拉橋有限元模型進(jìn)行分步修正的策略。首先回顧了斜拉橋有限元模型建立的各種方法，并采用ANSYS通用軟件建立了模型斜拉橋的三維有限元模型。然后，利用斜拉橋模型試驗(yàn)獲得的實(shí)測(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)，構(gòu)建包括頻率響應(yīng)殘差、振型響

6、應(yīng)殘差以及位移響應(yīng)殘差的多響應(yīng)目標(biāo)函數(shù)。對(duì)有限元模型進(jìn)行優(yōu)化，使得修正后的有限元模型全面準(zhǔn)確地反映模型斜拉橋的靜動(dòng)力學(xué)行為?；贏NSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(APDL)進(jìn)行二次開發(fā)，編制模型優(yōu)化程序，采用一階優(yōu)化方法和子問題方法開展有限元模型修正。不同于以往的斜拉橋模型修正策略，僅僅關(guān)注于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力或靜力響應(yīng)與原型的一致性，本文提出的有限元模型分步修正策略兼顧了正確反映模型橋的靜動(dòng)力響應(yīng)。通過靈敏度分析選擇合適的修正參數(shù)先對(duì)頻率殘差項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)

7、化，使第一次修正后的有限元模型計(jì)算頻率與實(shí)測(cè)頻率相近。然后選擇其它修正參數(shù)對(duì)位移項(xiàng)和振型項(xiàng)進(jìn)行修正，使第二次修正后的有限元模型在靜力響應(yīng)方面也與模型橋的實(shí)測(cè)響應(yīng)一致。同時(shí)，還將修正后的有限元模型物理參數(shù)與實(shí)際估算值作比較，二者的一致性驗(yàn)證了模型修正程序的有效性。最后，利用修正后的有限元模型預(yù)測(cè)模型斜拉橋及其原型橋的響應(yīng)，又進(jìn)一步驗(yàn)證了該有限元模型的正確性。
　　為尋找對(duì)損傷敏感的損傷指標(biāo)，在第四章中提出了基于小波變換的傳遞性函數(shù)損

8、傷識(shí)別方法。介紹了響應(yīng)自由度之間的傳遞性函數(shù)的概念及其在土木工程領(lǐng)域的特點(diǎn)和應(yīng)用，總結(jié)和歸納了利用傳遞性函數(shù)構(gòu)造損傷識(shí)別指標(biāo)進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行探測(cè)的方法。然后推導(dǎo)了通過小波變換構(gòu)造結(jié)構(gòu)傳遞性函數(shù)的損傷識(shí)別指標(biāo)，并結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)中的離群值分析方法對(duì)損傷進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)給出了損傷識(shí)別的具體步驟。通過數(shù)值模型試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室斜拉橋模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證。在數(shù)值模型試驗(yàn)與斜拉橋模型試驗(yàn)中將本文所提出的方法與傳統(tǒng)的傳遞性函數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明本文所提出的方法對(duì)

9、結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的損傷十分敏感，能夠識(shí)別結(jié)構(gòu)的早期微小損傷。
　　結(jié)構(gòu)損傷具有典型的局部性質(zhì)，通常表現(xiàn)為局部應(yīng)變的異常。結(jié)構(gòu)應(yīng)變的分布式監(jiān)測(cè)與損傷敏感特征分析，是實(shí)現(xiàn)大跨橋梁損傷探測(cè)與定位的理想途徑之一。第五章提出了基于分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)的大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷探測(cè)方法，通過小波變換對(duì)分布式光纖測(cè)試的斜拉橋橋面應(yīng)變分布進(jìn)行多尺度分析，克服了分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)信號(hào)受觀測(cè)噪聲和空間分辨率平均效應(yīng)的不利影響，準(zhǔn)確地確定了空間域信號(hào)奇異點(diǎn)在橋面的位置。

10、介紹了分布式光纖的特點(diǎn)、BOTDA（布里淵光時(shí)域分析技術(shù)）的測(cè)試原理以及其在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的廣泛應(yīng)用。在模型試驗(yàn)中通過布設(shè)不同形式的分布式光纖進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過斜拉橋數(shù)值模型與物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和比較驗(yàn)證所提出方法的有效性。數(shù)值試驗(yàn)和模型試驗(yàn)均表明，采用所提出的方法可以對(duì)橋梁多處位置發(fā)生的損傷進(jìn)行有效地識(shí)別，該損傷識(shí)別方法具有對(duì)噪聲的魯棒性和對(duì)損傷的敏感性。
　　最后，對(duì)全文的研究工作進(jìn)行歸納和總結(jié)，并對(duì)大跨斜拉橋健康監(jiān)測(cè)和