大跨钢桥梁考虑局部细节特性的结构多尺度模拟及其应用

摘要

随着科学技术和社会经济的发展，大跨桥梁的结构健康监测已成为近年来研究与工程应用的热点。在桥梁结构健康监测、状态评估和损伤检测过程中，一个准确的、能够同时考虑结构整体特性和局部细节特性的结构有限元模型是不可缺少的前提之一。同时，在结构健康监测系统的设计过程中，传感器系统的优化布设对监测结果有着决定性的作用。因此，本文研究的主要内容是：针对大跨钢桥梁结构健康监测和损伤评估的需要，研究同时考虑结构整体特性和局部细节特性的结构行为一致多尺度有限元模拟的过程以及多尺度模型在传感器测点布置方面的应用。具体来说论文的主要工作及研究成果有： 1．从理论框架上探讨了复杂土木结构的结构行为一致多尺度模拟的方法和策略。针对大型复杂土木结构以结构健康监测和损伤评估为目标的有限元分析的需要，论述了对于需要同时兼顾结构整体响应和局部细节响应特征模拟的需求，可以采用结构行为一致多尺度模拟的方法来解决：指出对于大型复杂土木结构而言，适合考虑局部细节特性的结构行为多尺度建模的策略是：对于有限个需要重点关注的局部细节部位采用“小尺度”建模，而整体结构其它部分采用“大尺度”建模。针对目前大型复杂土木结构的建模都是借助于大型商用有限元软件，而现有软件都无法直接做到结构行为一致多尺度模拟的现状，文中引入有限元方法中的子结构方法，从数学描述上对传统子结构方法加以改进，使之适合解决结构行为一致多尺度模拟问题。 2．以实验室的大跨桥梁纵向加劲桁架缩尺结构试样为研究平台，具体研究了基于子结构方法的结构行为一致多尺度有限元模型的建立、修正和验证的过程。首先，采用子结构方法和约束方程方法分别建立了结构行为一致多尺度模型，为了便于对比，同时也建立了传统单一尺度下的有限元模型并对几种模型进行了动力特性和静力响应对比分析，分析研究结果表明：子结构方法和约束方程方法建立的结构行为一致多尺度模型能够满足同时考虑结构整体和局部特性的要求，但子结构方法建立的多尺度模型比约束方程方法建立的模型计算效率要高很多，所以在计算效率方面采用子结构方法建立的结构行为一致多尺度模型能更有效的适合大型复杂结构健康监测与损伤分析的需要。然后分析了影响多尺度模型精度的一些因素，采用基于灵敏度的方法对多尺度模型进行了修正和参数识别，并通过不同于修正过程的加载工况和不同位置处的应力数值从动力特性和静力响应等多方面验证了此结构行为一致多尺度有限元模型是有效的。 3．以润扬长江大桥北汊斜拉桥为实际工程背景来说明同时考虑结构整体和局部细节特性的结构行为一致多尺度模拟方法在实际工程中的实施过程。通过对实际桥梁以结构健康监测和损伤评估为目标进行的结构多尺度模拟过程的研究来解决其中的一些关键问题。首先依据设计资料，分别对斜拉桥主要部件三维有限元建模过程进行详细论述，包括桥塔、斜拉索、桥面系和连接条件等的模拟，其中，桥面系采用分级多重子结构方法建立结构行为一致多尺度有限元模型。然后，对建立起来的大跨桥梁结构多尺度有限元模型进行模态分析总结斜拉桥动力特性的特点，并利用成桥试验数据从静力响应、动力特性等方面对多尺度模型的有效性进行了探讨。结果表明：建立的多尺度模型计算分析结果和成桥试验值之间的误差较小，说明此模型是有效的。这样分级建立结构行为一致多尺度模型的模拟方法有利于满足在结构健康监测系统设计、结构状态评估和结构损伤检测等各个不同阶段模型分析的需求。 4．对已建的大跨桥梁结构多尺度有限元模型进行结构分析，研究了该模型在结构健康监测系统中传感器测点布置方面的应用。根据有限元模型动力特性分析结果采用MAC准则得出了桥塔和主梁振动测点的优化布设位置，并利用大桥现场实测数据和缩尺模型桥的实验数据验证了桥塔和主梁振动测点布置的有效性；根据桥梁结构在“大尺度”下建立的有限元模型在不同加载工况下计算出的桥面挠度结果探讨了主梁线形测点布置位置；根据桥梁结构行为一致多尺度模型计算分析的结果探讨主梁内力测点布置位置，包括主梁关键截面的确定、关键截面内的受力关键部位的内力测点布置。其结果对于桥梁结构健康监测系统中的传感器优化布设有一定的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2相关领域国内外研究现状

1.2.1大跨桥梁结构健康监测与损伤识别的研究现状

1.2.2大跨桥梁结构有限元模拟的研究现状

1.2.3有限元模型修正的研究现状

1.2.4传感器测点布置的研究现状

1.3本文所做的主要工作

第二章考虑局部细节特性的结构多尺度模拟方法研究

2.1结构多尺度模拟的必要性

2.2结构多尺度模拟问题的物理描述

2.3结构多尺度模拟问题的数学描述

2.3.1静态问题描述

2.3.2动态问题描述

2.4本章小结

第三章结构多尺度模拟过程算例考证——桥梁加劲钢桁架结构模拟

3.1桥梁纵向桁架缩尺结构实验

3.1.1静载实验

3.1.2模态实验

3.2考虑局部细节特性的结构有限元模拟

3.2.1子结构方法建立的多尺度模型

3.2.2约束方程方法建立的多尺度模型

3.2.3用传统方法建立的单一尺度模型

3.2.4不同方法建立的模型计算分析对比

3.3模型参数灵敏度分析与参数反演

3.3.1有限元模型误差分析

3.3.2模型约束参数的频率灵敏度分析

3.3.3结构名义应力的参数灵敏度分析

3.3.4局部热点应力的参数灵敏度分析

3.4有限元模型修正

3.4.1基于灵敏度的有限元模型修正方法

3.4.2边界约束刚度参数修正

3.4.3焊趾处几何和材料参数的修正

3.5结构多尺度模型验证

3.5.1动力特性验证

3.5.2静力响应验证

3.6本章小结

第四章大跨桥梁结构多尺度有限元建模

4.1润扬桥工程概述

4.2桥塔的有限元模拟

4.2.1桥塔精细模拟及其与实测结果对比

4.2.2桥塔简化有限元模型及其修正

4.2.3桥塔简化模型和精细模型的对比

4.3斜拉索的模拟

4.3.1重力垂度的影响

4.3.2初始应力的影响

4.4桥面系结构多尺度建模

4.4.1整体结构尺度下的有限元模型——步骤(i)

4.4.2桥面系结构关键截面分析——(ii)

4.4.3桥面系结构行为多尺度模型--步骤(iii)

4.4.4关键截面上的关键部位的二级子结构模拟——步骤(iv)

4.5边界连接条件等建模中的其它问题模拟

4.6斜拉桥模态计算和分析

4.6.1边跨压重对动力特性的影响

4.6.2边界连接条件对动力特性的影响

4.7本章小结

第五章大跨桥梁结构有限元模型的验证

5.1润扬斜拉桥现场静载试验

5.1.1加载工况

5.1.2应变测试

5.1.3位移测试

5.1.4拉索索力测试

5.2润扬斜拉桥现场环境振动测试

5.2.1测试概况

5.2.2测试数据分析

5.3有限元模态分析结果与测试结果的比较

5.4有限元模型静力分析与静载试验结果的比较

5.4.1钢主梁挠度对比

5.4.2主梁应力的对比

5.4.3活载索力对比

5.4.4塔顶水平变位比较

5.5本章小结

第六章桥梁结构模型在SHM传感器测点布置方面的应用

6.1润扬大桥安全健康监测系统

6.2基于MAC的振动测点位置选择

6.3桥塔振动测点位置的选择

6.3.1测点位置的初步选择

6.3.2基于MAC准则选择测点位置

6.4桥塔振动测点方案有效性考证

6.4.1缩尺模型桥塔动力特性测试结果

6.4.2缩尺模型桥的桥塔不同布点方案计算结果

6.5主梁振动测点位置的选择

6.6主梁振动测点方案有效性考证

6.6.1用实桥现场测试数据来考证主梁振动测点布置

6.6.2用斜拉桥缩尺模型的试验数据来验证主梁振动测点布置

6.7主梁线形测点位置的选择

6.8主梁内力测点位置的选择

6.8.1主梁监测截面的确定

6.8.2监测截面上的测点选择

6.8.3局部焊接细节处的应力集中监测

6.9本章小结

第七章结论和展望

7.1主要研究结论和创新性成果

7.2后续工作展望

参考文献

致 谢

攻读博士学位期间发表的论文