大跨斜拉橋有限元模型修正與結構損傷監(jiān)測方法研究.pdf

1、大跨橋梁的結構健康監(jiān)測已成為當今土木工程界研究的熱點問題。橋梁結構由于受到車輛、風、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）因素會在運營期間發(fā)生不同程度的損傷。橋梁結構一旦發(fā)生損傷，將對橋梁安全造成巨大威脅并嚴重危害人民的生命財產(chǎn)和安全。一些嚴重的突發(fā)事故諸如橋梁傾覆倒塌等還會給國家和社會帶來巨大的災難。利用橋梁結構的響應監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過模型修正與損傷識別揭示結構狀態(tài)退化，據(jù)此評估結構安全與預測剩余壽命，對于橋梁運行維護

2、與災害預防具有重要意義。本文提出了一種大跨斜拉橋模型修正的方法，并且在實驗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鍵問題;為了克服基于傅里葉變換的動力損傷識別方法的局限性，發(fā)展了基于小波變換的振動傳遞性的概念，建立了更加有效的斜拉橋結構損傷識別算法;針對結構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方法，并且利用物理模型試驗驗證了該方法的可行性。主要研究工

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

4、橋為工程背景，基于模型相似理論建立比尺為1∶150的斜拉橋模型，并通過開展斜拉橋模型試驗獲得斜拉橋的靜動力響應數(shù)據(jù)。首先闡述了模型實驗的目的與意義，相似理論在模型實驗中的應用。然后詳細介紹了模型的設計制作的整個過程，包括模型材料的選擇、各物理量相似常數(shù)的推導、結構各構件的尺寸設計和邊界條件的模擬等內(nèi)容。在斜拉橋模型靜力加載試驗通過百分表測試橋面的撓度，自制FBG光纖傳感器監(jiān)測斜拉索的索力變化。通過模態(tài)分析試驗獲得了斜拉橋的前三階豎向彎曲

5、振動頻率和相應的振型。最后通過模型試驗研究了斜拉索損傷對橋梁位移和索力變化的影響，討論了關鍵索索力變化對整個橋梁安全狀況的影響。該模型橋為本文的研究基準模型，為斜拉橋健康監(jiān)測與損傷識別的研究做鋪墊。
　　第三章提出了一種對大跨斜拉橋有限元模型進行分步修正的策略。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獲得的實測響應數(shù)據(jù)，構建包括頻率響應殘差、振型響

6、應殘差以及位移響應殘差的多響應目標函數(shù)。對有限元模型進行優(yōu)化，使得修正后的有限元模型全面準確地反映模型斜拉橋的靜動力學行為?；贏NSYS參數(shù)化設計語言(APDL)進行二次開發(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，僅僅關注于結構的動力或靜力響應與原型的一致性，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力響應。通過靈敏度分析選擇合適的修正參數(shù)先對頻率殘差項進行優(yōu)

7、化，使第一次修正后的有限元模型計算頻率與實測頻率相近。然后選擇其它修正參數(shù)對位移項和振型項進行修正，使第二次修正后的有限元模型在靜力響應方面也與模型橋的實測響應一致。同時，還將修正后的有限元模型物理參數(shù)與實際估算值作比較，二者的一致性驗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測模型斜拉橋及其原型橋的響應，又進一步驗證了該有限元模型的正確性。
　　為尋找對損傷敏感的損傷指標，在第四章中提出了基于小波變換的傳遞性函數(shù)損

8、傷識別方法。介紹了響應自由度之間的傳遞性函數(shù)的概念及其在土木工程領域的特點和應用，總結和歸納了利用傳遞性函數(shù)構造損傷識別指標進而對結構的損傷進行探測的方法。然后推導了通過小波變換構造結構傳遞性函數(shù)的損傷識別指標，并結合統(tǒng)計學中的離群值分析方法對損傷進行探測，同時給出了損傷識別的具體步驟。通過數(shù)值模型試驗與實驗室斜拉橋模型試驗加以驗證。在數(shù)值模型試驗與斜拉橋模型試驗中將本文所提出的方法與傳統(tǒng)的傳遞性函數(shù)進行對比，結果表明本文所提出的方法對

9、結構出現(xiàn)的損傷十分敏感，能夠識別結構的早期微小損傷。
　　結構損傷具有典型的局部性質(zhì)，通常表現(xiàn)為局部應變的異常。結構應變的分布式監(jiān)測與損傷敏感特征分析，是實現(xiàn)大跨橋梁損傷探測與定位的理想途徑之一。第五章提出了基于分布式應變監(jiān)測的大跨度斜拉橋結構損傷探測方法，通過小波變換對分布式光纖測試的斜拉橋橋面應變分布進行多尺度分析，克服了分布式光纖應變監(jiān)測信號受觀測噪聲和空間分辨率平均效應的不利影響，準確地確定了空間域信號奇異點在橋面的位置。

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