重庆石板坡长江大桥复线桥基于静动力的模型修正

摘要

桥梁结构整个生命周期内静动力响应值的实际状况一直是工程研究领域关注的问题。通过有限元计算程序对响应值进行估计是目前比较有效的方法，具有成本低、速度快等优点。然而，由于各种简化和假定，依据设计图纸建立的桥梁初始有限元模型的静动力响应计算结果与试验测量结果之间往往存在不同程度的差异。因此，如何对初始有限元模型进行修正，使其理论计算值趋近于结构的实际响应值是一个具有重要理论和实用意义的研究方向，模型修正技术及结果可应用于结构的静动力响应分析、损伤识别、健康监测和安全评估等方面。 本文以石板坡长江大桥复线桥为工程背景，提出了一种利用通用有限元程序和数学软件相结合的模型修正方法，通过数值模拟来验证该方法的可行性，并将其应用于实桥的有限元模型修正。完成的主要工作有： ①在系统阐述已有模型修正方法的基础上，提出了一种基于灵敏度分析和SOP算法的参数型有限元模型修正方法：首先，依据工程经验和灵敏度分析结果选取模型的待修正参数；然后，构造待修正参数及其关于结构响应的灵敏度值与结构响应值之间的优化目标函数；最后通过假定待修正参数关于结构响应的灵敏度值在小范围内保持不变，将参数优化转化为一系列灵敏度不变的子优化问题进行求解。这种方法将通用有限元程序与数学软件有机结合，不仅使计算量大大减少，而且方便简单地实现了大型结构的模型修正，便于工程应用。 ②建立了石板坡长江大桥复线桥的初始有限元模型，并对建模过程中一些不确定因素与待修正参数的关系进行了讨论。 ③以数值模拟的方式，采用本文提出的模型修正方法来检验待修正参数经修正后能否收敛于人为设定的“真值”。模拟结果表明，经过三次子优化问题的求解就能取得较好的修正结果，说明本文提出的有限元模型修正方法具有可行性和实用性。 ④采用单独基于动力的模型修正方法对数值模型进行了修正，并用其模拟效果与本文提出的模型修正方法的模拟效果进行了对比，计算结果表明，后者的修正效能更具优越性。 ⑤对石板坡长江大桥复线桥进行了成桥荷载试验，并运用本文提出的模型修正方法对该桥的初始有限元模型进行了修正，得到了修正后的有限元模型。修正后模型的静动力响应计算值比修正前更吻合于试验测试值。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1有限元模型修正概述

1.2研究背景及意义

1.3国内外研究现状综述

1.3.1基于动力的有限元模型修正技术

1.3.2基于静力的有限元模型修正技术

1.3.3基于静动力的有限元模型修正技术

1.4存在的主要问题

1.5本文的主要工作

2石板坡大桥复线桥模型修正的理论和方法

2.1结构待修正参数的选取

2.1.1经验选参法

2.1.2灵敏度分析法

2.2构造目标函数

2.2.1基于静态位移的目标函数

2.2.2基于结构自振频率的目标函数

2.2.3联合结构静态位移和自振频率的目标函数

2.2.4本文取用目标函数的具体形式

2.3模型修正的算法理论及其实现

2.3.1优化算法原理

2.3.2模型修正的实现过程

2.4有限元模型修正结果的误差判别方式

2.4.1静态响应的误差判别

2.4.2动态响应的误差判别

2.5小结

3初始有限元模型的建立

3.1石板坡长江大桥复线桥概况

3.1.1石板坡大桥的结构特点

3.1.2石板坡大桥的荷载标准

3.2石板坡大桥初始有限元模型的建立

3.2.1初始有限元模型所采用的单元简介

3.2.2主要材料的参数和应用对象

3.2.3结构构件的模拟

3.2.4边界条件的模拟

3.2.5各类荷载的模拟

3.2.6施工阶段的模拟

3.2.7完整的空间有限元模型

3.3初始有限元模型的不确定因素

3.4小结

4验证模型修正方法的数值模拟

4.1数值模拟概况

4.2数值模型的建立

4.2.1主要材料的参数和应用对象

4.2.2主要边界条件的模拟

4.2.3完整的空间数值模型

4.3数值试验概况

4.3.1试验目的

4.3.2数值静力试验

4.3.3数值动力试验

4.4基于静动力的数值模拟

4.4.1修正前的静动力响应比较

4.4.2选择待修正参数

4.4.3构造目标函数

4.4.4数值模拟及其结果

4.5基于动力的数值模拟

4.6小结

5石板坡长江大桥复线桥的有限元模型修正

5.1石板坡长江大桥复线桥成桥静力试验

5.1.1数据采集仪器及试验荷载

5.1.2试验原则及试验终止条件

5.1.3测试断面及测点布置

5.1.4试验工况及步骤

5.1.5试验结果

5.2石板坡长江大桥复线桥成桥动力试验

5.2.1动力试验简介

5.2.2试验设备

5.2.3测点布置

5.2.4试验流程

5.2.5试验结果

5.3石板坡长江大桥复线桥的有限元模型修正

5.3.1修正前的静动力响应比较

5.3.2选择待修正参数

5.3.3构造目标函数

5.3.4有限元模型修正及其结果

5.4对修正前后结果的讨论

5.5小结

6结语

6.1取得的主要结论

6.2后续研究工作展望

致 谢

参考文献

附 录