面向结构状态评估的大跨桥梁有限元模拟及其应用

摘要

本文的研究工作主要是大跨桥梁结构有限元模型的建模过程、模型修正理论、模型验证以及结构的静动力响应分析，其目的是发展面向大跨桥梁结构状态评估的建模和数值计算技术。论文的主要工作及其成果有： (1)讨论了面向结构状态评估的有限元模型的特点和相应的建模策略。为了高精度地计算结构的静力响应、动力特性和动力响应，面向结构状态评估的结构模型必须精确地模拟实际结构的空间构形、材料特性和联结特性等。另一方面，为了避免模型过于复杂，不利于计算分析，用物理正交各向异性板来模拟构造上的正交异性桥面板，研究了相应的参数确定方法。为了降低建模过程中的不确定性，建模的初始构形、主缆、吊杆和主梁中的初始应力，主梁和桥塔间以及主梁和桥墩间的相互作用等因素在建模过程中加以详细考虑。以香港青马大桥为工程背景，讨论了其以结构状态评估为目标的有限元模型的具体建立过程。 (2)针对现有的矩阵型和参数型模型修正方法的主要缺点进行了初步改进。采用修正各单元刚度参与系数的办法来达到矩阵型模型修正目的，修正后模型的力学意义明确，保持了刚度矩阵的带状和稀疏性。借助局部位移向量和整体位移向量间的转换矩阵，建立了结构整体刚度矩阵和结构参数间的关联矩阵，相应的计算过程简单，关联矩阵力学意义明确。 在上述工作基础上发展了新型的多重子步模型修正方法。 多重子步模型修正方法的核心思想是把复杂的修正过程分步实现，先进行误差定位，再实现参数修正。采用子结构建模技术，在整体上把结构划分为包含有限数量子结构的模型，子结构内部详细模拟结构构件的几何空间构形和材料特性。这样，建立的模型可以满足结构状态评估的需求，同时在结构整体上容易直接实现计算和测量自由度间的匹配。建立了刚度参与法和局部位移关联法的误差定位方法。针对误差定位后子结构内部构件参数的修正问题，建立了直接修正法、关联矩阵法以及在子结构层次上的灵敏度分析法三种参数修正方法。算例验证表明，建立的误差定位和参数修正方法有效可靠。利用多重子步模型修正方法，对润扬大桥南汊悬索桥桥塔的结构模型进行了修正，修正结果表明，本文建立的修正方法比较有效可行。 (3)研究了大跨桥梁结构模型验证问题。讨论了从静力响应(影响线)、动力特性和动力响应三方面信息对桥梁结构模型的验证问题，以建立的面向结构状态评估的青马桥结构模型为具体目标进行了验证。结果表明所建模型可以高精度地计算结构的动静力响应。 (4)研究了大跨桥梁结构在交通载荷下动力响应的模拟计算和疲劳损伤分析。把交通载荷简化为移动载荷，通过施加随载荷位置、大小和速度而变化的等效结点力的方法，以青马桥为具体目标，模拟计算了桥梁在铁路和公路交通载荷下的动力响应。计算结果表明：结构中的动应力响应表现为局部性和线性，而位移响应表现为整体性和非线性。依据损伤等效原理，提出了等效车载流量的概念，进而用于确定桥梁疲劳损伤分析中的载荷循环次数。依据计及平均应力影响的修正Miner准则，对青马桥结构在交通载荷下的疲劳损伤情况进行了分析。分析结果发现，结构在发生渐进疲劳损伤的过程中，结构中的应力重分布导致相同构件间的应力水平差异减小。

目录

文摘

英文文摘

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第一章：绪论

第二章：大跨桥梁SSAOM模型的建模过程

第三章：模型修正理论初步探讨

第四章：多重子步模型修正方法

第五章：大跨桥梁结构SSAOM模型验证方法研究

第六章：基于SSAOM模型的桥梁结构动力响应模拟

第七章：结论和展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读博士学位期间撰写与发表的论文