基于有限元模型修正的斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)閾值分析.pdf

1、由于具有超強(qiáng)的跨越能力和出色的自身優(yōu)點(diǎn)，斜拉橋日益向大跨度方向邁進(jìn)，中國蘇通長江公路大橋是世界跨徑最大的斜拉橋，其主跨已達(dá)到1088 m。大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)若采用單一的混凝土梁或鋼梁，邊跨墩頂都會產(chǎn)生負(fù)反力，且塔頂和主跨會產(chǎn)生過大的偏移及撓度，因此產(chǎn)生了混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，邊跨混凝土主梁不但起到壓重、增加全橋整體剛度及直接參與受力的作用，而且能顯著降低工程造價。同時為適應(yīng)水文、地質(zhì)、地形(包括水底地形)等條件，斜拉橋索塔的高度有時建造得不一

2、致，還給人錯落有致的映象，能增加橋梁的動感和美學(xué)特色，但這樣也會破壞結(jié)構(gòu)的對稱性。顯然地，大跨度高低塔混合梁斜拉橋的靜、動力特性會更加復(fù)雜。
　　 本論文結(jié)合荊岳長江公路大橋這一大跨度高低塔混合梁斜拉橋，使用MIDAS/CIVIL軟件建立全橋的初始空間有限元模型，利用成橋靜力和動力荷載試驗(yàn)對該有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證和必要的修正，使其為結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測系統(tǒng)提供運(yùn)營階段的預(yù)警閾值。論文的具體研究工作包括以下三個方面：
　　 (1

3、)針對大跨度混合梁斜拉橋的顯著的非線性效應(yīng)，首先介紹了對大跨度混合梁斜拉橋進(jìn)行非線性分析時需注意的問題及模型應(yīng)滿足的要求，以及介紹了確定斜拉橋合理成橋狀態(tài)的幾種典型方法，包括零位移法、彎曲能量最小法、連續(xù)梁法、影響矩陣法，其中對最小彎曲能量法和影響矩陣法的基本原理和公式進(jìn)行了重點(diǎn)介紹和推導(dǎo)。遵循前面介紹的建模要求，建立了荊岳長江大橋的空間有限元模型，采用影響矩陣法，以塔頂水平位移和主梁豎向位移為約束條件，計算得到了最優(yōu)索力，與荊岳橋設(shè)計

4、方給出的目標(biāo)索力值相比誤差平均小于5％，從而獲得了荊岳長江大橋的合理成橋狀態(tài)。
　　 (2)以荊岳長江大橋通車前的現(xiàn)場靜載試驗(yàn)為基礎(chǔ)，將各個荷載工況實(shí)測的主梁變形、部分斜拉索索力及主梁截面應(yīng)力與有限元模型計算值比較，實(shí)測值與計算值吻合良好，驗(yàn)證了荊岳長江大橋完整的三維有限元模型可以準(zhǔn)確地反映其在靜荷載作用下的力學(xué)行為，表明初始有限元模型中結(jié)構(gòu)物理參數(shù)和剛度基本上不需修正；接下來充分利用荊岳橋的全橋動力特性試驗(yàn)，通過實(shí)測模態(tài)結(jié)果與

5、有限元模態(tài)計算結(jié)果對比，對初始有限元模型的邊界條件參數(shù)進(jìn)行修正，修正后的有限元模型能真實(shí)體現(xiàn)荊岳橋結(jié)構(gòu)的動力特性，能夠反映荊岳橋在運(yùn)營前未有損傷情況下結(jié)構(gòu)的真實(shí)行為，為其長期健康監(jiān)測和運(yùn)營階段狀態(tài)評估提供可靠的計算基準(zhǔn)，可作為該橋的基準(zhǔn)有限元模型。
　　 (3)以修正后的荊岳長江公路大橋有限元模型為基礎(chǔ)，全面施加運(yùn)營階段閾值計算所需的荷載，通過不同的荷載工況組合，評估運(yùn)營階段的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，表明荊岳橋在運(yùn)營階段結(jié)構(gòu)處于良好的工作狀態(tài)