斜拉桥多尺度模型修正及模型确认方法研究

摘要

桥梁结构的健康监测、损伤预后以及安全预后是当前桥梁工程界的研究热点，建立一个准确的、能同时兼顾结构整体特性和局部细节特性的有限元模型是实现桥梁健康监测目标的有效手段之一。同时，为使建立的有限元模型能较好地反应桥梁结构的实际状况，应采用有效的模型修正技术来提高模拟精度，并考虑参数的不确定性对修正后的模型进行确认。
　　本文以江苏沿海高速(G15)灌河大桥（结合梁斜拉桥）为工程背景，建立灌河大桥多尺度模型，并对该多尺度模型进行模型修正和确认，主要工作如下:
　　1.对比分析材料多尺度模拟和结构多尺度模拟的基本理论和方法，为实际结构多尺度模拟提供参考。
　　2.采用结构多尺度模拟方法实现不同类型单元跨尺度的连接，从而建立灌河大桥初始多尺度有限元模型。
　　3.通过分析灌河大桥多尺度模型的特点及误差来源，基于多项式响应面方法和支持向量回归机方法建立两阶段模型修正的基本框架，开展灌河大桥多尺度模型修正。
　　4.结合灌河大桥健康监测系统实测数据，从计算结果和试验结果相关性分析、不确定性正反向传递分析、模型有效性评估三方面进行了灌河大桥多尺度模型确认。
　　主要结论如下:
　　1.本文借鉴材料多尺度模拟的思想，基于Arlequin结构多尺度模拟方法建立了面向结构健康监测的灌河大桥多尺度有限元模型。
　　2.提出了两阶段结构多尺度模型修正方法，其中第一阶段针对大尺度模型采用三阶多项式响应面方法进行修正;第二阶段针对实测数据分别采用三阶多项式响应面方法与支持向量回归机方法进行修正，两种方法分别建立了正反向代理模型。两阶段修正后的灌河大桥多尺度模型的计算频率与实测频率之间的最大误差由21％降低为3％。
　　3.建立了多尺度模型确认的基本框架，研究了参数不确定性的正反向传递规律。若不考虑均值误差，正向传递时各阶频率的重合度指标均大于75％，反向传递时各结构参数的重合度指标均大于65％。模型有效性评估结果表明修正后的灌河大桥多尺度模型在整个参数空间均具有较高精度，因此确认后的灌河大桥多尺度模型可用于结构损伤预后与安全预后分析。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 多尺度模拟研究进展

1．3 有限元模型修正(Finite element model updating)

1．3．1 有限元模型修正的基本概念

1．3．2 有限元模型修正的研究现状

1．4 有限元模型确认(Finite element model validation)

1．4．1 模型确认的定义

1．4．2 模型确认的内容

1．4．3 模型确认的研究现状

1．5 本文的主要工作

第2章 多尺度模拟方法简介

2．1 引言

2．2 材料多尺度模拟

2．2．1 准连续介质法(QC)

2．2．2 MAAD法

2．2．3 渐进均匀化方法(AEH)

2．3 结构多尺度模拟

2．3．1 多重网格法

2．3．2 离散元与有限元结合法

2．3．3 网格重合法

2．3．4 多点约束方法

2．3．5 Arlequin方法

2．4 不同建模策略的比较

2．5 本章小结

第3章 灌河大桥多尺度模拟及分析

3．1 引言

3．2 灌河大桥简介

3．2．1 主梁

3．2．2 塔柱

3．2．3 拉索

3．2．4 辅助墩及过渡墩

3．3 灌河大桥多尺度模拟

3．3．1 材料属性

3．3．2 斜拉索的模拟

3．3．3 主梁及桥面系结构的模拟

3．3．4 基于Arlequin方法的跨尺度耦合

3．3．5 边界条件的模拟

3．4 灌河大桥初平衡调整

3．4．1 灌河大桥环境振动试验

3．4．2 试验数据分析

3．4．3 当前状态初平衡调整

3．5 本章小结

第4章 灌河大桥多尺度有限元模型修正方法

4．1 引言

4．2 多尺度模型修正基本框架

4．3 误差分析

4．3．1 实验误差

4．3．2 有限元建模误差

4．4 结构待修正参数的选取

4．4．1 经验法

4．4．2 灵敏度分析法

4．4．3 灌河大桥多尺度模型待修正参数筛选

4．5 基于多项式响应面方法的多尺度模型修正

4．5．1 多项式响应面方法模型修正理论

4．5．2 灌河大桥多尺度模型第一阶段修正

4．5．3 灌河大桥多尺度模型第二阶段修正

4．6 基于支持向量回归机(SVR)方法的多尺度模型修正

4．6．1 支持向量机(Support vector Machine-SVM)

4．6．2 基于SVR方法的灌河大桥多尺度模型第二阶段修正

4．7 本章小结

第5章 灌河大桥多尺度有限元模型确认方法

5．1 引言

5．2 多尺度模型确认基本框架

5．3 灌河大桥结构健康监测系统

5．3．1 灌河大桥健康监测系统简介

5．3．2 灌河大桥健康监测系统整体框架

5．3．3 主梁动力特性监测

5．4 计算／试验相关性分析

5．4．1 基于相对误差准则的相关性分析

5．4．2 基于模态保证准则的相关性分析

5．5 不确定性量化和传递分析

5．5．1 参数特征统计

5．5．2 不确定性的量化以及正向传递分析

5．5．3 不确定性的量化以及反向传递分析

5．6 模型有效性评估

5．6．1 假设检验(正态性检验)

5．6．2 置信区间估计

5．7 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 研究展望

参考文献

致谢

作者简介