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文檔簡介
1、基于結(jié)構(gòu)動力特性變化的大跨橋梁結(jié)構(gòu)損傷診斷研究越來越受到人們的關(guān)注,而大跨混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識別與模型修正,是橋梁健康監(jiān)測中迫切需要解決但又尚未完全解決的一個極為復(fù)雜的問題。本文以惠州合生大橋?yàn)樵?,面向健康診斷設(shè)計制作了1∶15的大比例混凝土斜拉橋試驗(yàn)?zāi)P?,對面向健康診斷的斜拉橋模型設(shè)計、斜拉橋模態(tài)試驗(yàn)與模態(tài)參數(shù)識別、斜拉橋有限元建模與模型修正等方面進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容如下:
(1)對面向健康診斷的混凝土斜拉橋模型設(shè)
2、計進(jìn)行了研究
以廣東惠州合生大橋?yàn)樵?,面向健康診斷設(shè)計制作了1∶15的大比例混凝土斜拉橋模型,針對模型設(shè)計過程中的困難,提出在滿足制作條件的前提下,對模型橋主梁和主塔的設(shè)計應(yīng)主要滿足抗彎剛度相似的要求,放松對軸向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度等參數(shù)的相似要求,并給出了模型橋配重和斜拉索簡化方法。采用有限元法對模型橋和原型橋的靜動力特性及損傷特性進(jìn)行了分析,分析結(jié)果表明模型橋和原型橋的靜動力特性及損傷特性具有良好的相似性,可為混凝土斜拉橋的模
3、型設(shè)計提供參考。
(2)采用錘擊法和環(huán)境激勵法對模型橋進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)和模態(tài)參數(shù)識別研究
采用特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法(ERA)對錘擊法模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模態(tài)參數(shù)識別,得到了模型橋的前21階模態(tài)參數(shù);采用隨機(jī)減量法結(jié)合ERA法對環(huán)境激勵法模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模態(tài)參數(shù)識別,得到了模型橋的前17階模態(tài)參數(shù)。分別采用白噪聲和實(shí)測地脈動非白噪聲信號作為激勵信號,對梁殼有限元模型進(jìn)行了時程響應(yīng)分析,對兩種激勵下的響應(yīng)信號進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別,
4、將識別結(jié)果進(jìn)行對比可見,非白噪聲激勵可使模態(tài)參數(shù)識別定階過程中產(chǎn)生虛假模態(tài),有限元預(yù)分析可為模態(tài)參數(shù)識別過程中的虛假模態(tài)剔除提供一個虛假模態(tài)可能出現(xiàn)的范圍,另外,非白噪聲激勵可降低模態(tài)頻率和模態(tài)振型的識別精度。提出了以精細(xì)有限元預(yù)分析結(jié)果為先驗(yàn)知識參考,將穩(wěn)定圖法、實(shí)測激勵信號及信噪比高的測點(diǎn)信號的頻譜分析結(jié)果相結(jié)合進(jìn)行定階和虛假模態(tài)剔除的方法,實(shí)踐表明,該方法能夠準(zhǔn)確識別模型橋的模態(tài)參數(shù)并剔除了虛假模態(tài),為環(huán)境激勵試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)識別中虛
5、假模態(tài)的剔除提供一種新思路。
分別從不同參數(shù)識別方法和基于MONTECARLO法的噪聲模擬兩個方面對錘擊法和環(huán)境激勵法模態(tài)參數(shù)識別的不確定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:由不同參數(shù)識別方法引起的模態(tài)參數(shù)的不確定性明顯高于由噪聲模擬引起的不確定性,因此,不同參數(shù)識別方法引起的不確定問題不能忽略;通過基于MONTECARLO法的噪聲模擬給出了錘擊法和環(huán)境激勵法模態(tài)參數(shù)的統(tǒng)計不確定區(qū)間,為模型修正、損傷識別等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
(
6、3)錘擊法和環(huán)境激勵法模態(tài)頻率識別結(jié)果差異的對比分析
通過對模型橋張拉預(yù)應(yīng)力前后及張拉預(yù)應(yīng)力后主梁損傷三個工況的錘擊法和環(huán)境激勵法識別的頻率差值進(jìn)行對比,三個工況下錘擊法和環(huán)境激勵法識別的頻率差值百分比最大分別為3.64%、1.24%、1.84%,可見,張拉預(yù)應(yīng)力后錘擊法和環(huán)境激勵法識別的模態(tài)頻率差值比張拉預(yù)應(yīng)力前明顯減小,主梁損傷工況錘擊法和環(huán)境激勵法識別的模態(tài)頻率差值比張拉預(yù)應(yīng)力后增大,由此推測,對于混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu),由于
7、混凝土微裂縫或裂縫的存在,結(jié)構(gòu)的振動幅值大小可能會對主梁和主塔構(gòu)件的截面剛度產(chǎn)生影響,振動幅值越大結(jié)構(gòu)的剛度越低。
(4)研究了混凝土斜拉橋有限元建模與模型修正
提出了基于參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)分類的改進(jìn)的模型修正技術(shù),該模型修正技術(shù)通過靈敏度分析對修正參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)選和分類、排序,逐級進(jìn)行模型修正。結(jié)果表明,改進(jìn)的模型修正技術(shù)有效改善了模型修正的病態(tài)問題,能夠明顯的提高模型修正效率并得到更優(yōu)的模型修正結(jié)果。分別采用單
8、主梁模式、三主梁模式、梁殼模式和實(shí)體模式建立了模型斜拉橋的初始有限元模型,采用改進(jìn)的模型修正技術(shù)對各種初始有限元模型進(jìn)行了模型修正,將修正前后的動力特性計算值與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比,討論了不同模式建模方法的計算精度和模型修正效果,以及有限元建模誤差來源和模型修正的相關(guān)問題。結(jié)果表明,初始有限元模型計算誤差主要是由建模誤差和參數(shù)誤差引起的;梁單元模型在建模方面有其局限性,單主梁模型無法準(zhǔn)確模擬∏形主梁斜拉橋的扭轉(zhuǎn)特性,應(yīng)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和
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