大跨鋼橋梁考慮局部細(xì)節(jié)特性的結(jié)構(gòu)多尺度模擬及其應(yīng)用.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大跨橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)已成為近年來研究與工程應(yīng)用的熱點(diǎn)。在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估和損傷檢測(cè)過程中，一個(gè)準(zhǔn)確的、能夠同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)整體特性和局部細(xì)節(jié)特性的結(jié)構(gòu)有限元模型是不可缺少的前提之一。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，傳感器系統(tǒng)的優(yōu)化布設(shè)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果有著決定性的作用。因此，本文研究的主要內(nèi)容是：針對(duì)大跨鋼橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和損傷評(píng)估的需要，研究同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)整體特性和局部細(xì)節(jié)特性的結(jié)構(gòu)行為一致多尺度有限

2、元模擬的過程以及多尺度模型在傳感器測(cè)點(diǎn)布置方面的應(yīng)用。具體來說論文的主要工作及研究成果有： 1．從理論框架上探討了復(fù)雜土木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)行為一致多尺度模擬的方法和策略。針對(duì)大型復(fù)雜土木結(jié)構(gòu)以結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和損傷評(píng)估為目標(biāo)的有限元分析的需要，論述了對(duì)于需要同時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)和局部細(xì)節(jié)響應(yīng)特征模擬的需求，可以采用結(jié)構(gòu)行為一致多尺度模擬的方法來解決：指出對(duì)于大型復(fù)雜土木結(jié)構(gòu)而言，適合考慮局部細(xì)節(jié)特性的結(jié)構(gòu)行為多尺度建模的策略是：對(duì)于有限個(gè)

3、需要重點(diǎn)關(guān)注的局部細(xì)節(jié)部位采用“小尺度”建模，而整體結(jié)構(gòu)其它部分采用“大尺度”建模。針對(duì)目前大型復(fù)雜土木結(jié)構(gòu)的建模都是借助于大型商用有限元軟件，而現(xiàn)有軟件都無法直接做到結(jié)構(gòu)行為一致多尺度模擬的現(xiàn)狀，文中引入有限元方法中的子結(jié)構(gòu)方法，從數(shù)學(xué)描述上對(duì)傳統(tǒng)子結(jié)構(gòu)方法加以改進(jìn)，使之適合解決結(jié)構(gòu)行為一致多尺度模擬問題。 2．以實(shí)驗(yàn)室的大跨橋梁縱向加勁桁架縮尺結(jié)構(gòu)試樣為研究平臺(tái)，具體研究了基于子結(jié)構(gòu)方法的結(jié)構(gòu)行為一致多尺度有限元模型的建立、

4、修正和驗(yàn)證的過程。首先，采用子結(jié)構(gòu)方法和約束方程方法分別建立了結(jié)構(gòu)行為一致多尺度模型，為了便于對(duì)比，同時(shí)也建立了傳統(tǒng)單一尺度下的有限元模型并對(duì)幾種模型進(jìn)行了動(dòng)力特性和靜力響應(yīng)對(duì)比分析，分析研究結(jié)果表明：子結(jié)構(gòu)方法和約束方程方法建立的結(jié)構(gòu)行為一致多尺度模型能夠滿足同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)整體和局部特性的要求，但子結(jié)構(gòu)方法建立的多尺度模型比約束方程方法建立的模型計(jì)算效率要高很多，所以在計(jì)算效率方面采用子結(jié)構(gòu)方法建立的結(jié)構(gòu)行為一致多尺度模型能更有效的適合

5、大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與損傷分析的需要。然后分析了影響多尺度模型精度的一些因素，采用基于靈敏度的方法對(duì)多尺度模型進(jìn)行了修正和參數(shù)識(shí)別，并通過不同于修正過程的加載工況和不同位置處的應(yīng)力數(shù)值從動(dòng)力特性和靜力響應(yīng)等多方面驗(yàn)證了此結(jié)構(gòu)行為一致多尺度有限元模型是有效的。 3．以潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋北汊斜拉橋?yàn)閷?shí)際工程背景來說明同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)整體和局部細(xì)節(jié)特性的結(jié)構(gòu)行為一致多尺度模擬方法在實(shí)際工程中的實(shí)施過程。通過對(duì)實(shí)際橋梁以結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和損傷評(píng)估為目

6、標(biāo)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)多尺度模擬過程的研究來解決其中的一些關(guān)鍵問題。首先依據(jù)設(shè)計(jì)資料，分別對(duì)斜拉橋主要部件三維有限元建模過程進(jìn)行詳細(xì)論述，包括橋塔、斜拉索、橋面系和連接條件等的模擬，其中，橋面系采用分級(jí)多重子結(jié)構(gòu)方法建立結(jié)構(gòu)行為一致多尺度有限元模型。然后，對(duì)建立起來的大跨橋梁結(jié)構(gòu)多尺度有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析總結(jié)斜拉橋動(dòng)力特性的特點(diǎn)，并利用成橋試驗(yàn)數(shù)據(jù)從靜力響應(yīng)、動(dòng)力特性等方面對(duì)多尺度模型的有效性進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：建立的多尺度模型計(jì)算分析結(jié)果和

7、成橋試驗(yàn)值之間的誤差較小，說明此模型是有效的。這樣分級(jí)建立結(jié)構(gòu)行為一致多尺度模型的模擬方法有利于滿足在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估和結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)等各個(gè)不同階段模型分析的需求。 4．對(duì)已建的大跨橋梁結(jié)構(gòu)多尺度有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，研究了該模型在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器測(cè)點(diǎn)布置方面的應(yīng)用。根據(jù)有限元模型動(dòng)力特性分析結(jié)果采用MAC準(zhǔn)則得出了橋塔和主梁振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化布設(shè)位置，并利用大橋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和縮尺模型橋的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了橋塔