面向結(jié)構(gòu)狀態(tài)評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程、模型修正理論、模型驗證以及結(jié)構(gòu)的靜動力響應(yīng)分析，其目的是發(fā)展面向大跨橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估的建模和數(shù)值計算技術(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)評估的有限元模型的特點和相應(yīng)的建模策略。為了高精度地計算結(jié)構(gòu)的靜力響應(yīng)、動力特性和動力響應(yīng)，面向結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估的結(jié)構(gòu)模型必須精確地模擬實際結(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，為了避免模型過于復(fù)雜，不利于計算分析

2、，用物理正交各向異性板來模擬構(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程中加以詳細考慮。以香港青馬大橋為工程背景，討論了其以結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估為目標的有限元模型的具體建立過程。 (2)針對現(xiàn)有的矩陣型和參數(shù)型模型修正方法的主要缺點進行了初步改進。采用修正各單元剛度參與系數(shù)的辦法來達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)的計算過程簡單，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)雜的修正過程分步實現(xiàn)，先進行誤差定位，再實現(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，建立的模型可以滿足結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估的需求，同時在結(jié)構(gòu)整體上容易直接實現(xiàn)計算和測量自由度間的匹配。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。針對誤差定位后子結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件參數(shù)的修正問題，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，對潤揚大橋南汊懸索橋橋塔的結(jié)構(gòu)模型進行了修正，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)模型驗證問題。討論了從靜力響應(yīng)(影響線)、動力特性和動力響應(yīng)三方面信息對橋梁結(jié)構(gòu)模型的驗證問題，以建立的面向結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估的青馬橋結(jié)構(gòu)模型為具體目標進行了驗證。結(jié)果表明所建模型可以高精度地計算結(jié)構(gòu)的動靜力響應(yīng)。 (4)研究了大跨橋梁結(jié)構(gòu)在交通載荷下動力響應(yīng)的模擬計算和疲勞損傷分析。把交通載荷簡化為移動載荷，通過施加隨載荷位置、大小和速度而變化的等效結(jié)點力的方法，以青馬橋為