基于附加虚拟构造的索力识别方法

摘要

斜拉桥、悬索桥和拱桥中的拉索作为非常重要的受力构件，其受力状态在桥梁结构的施工和正常工作阶段起着至关重要的作用。因此，拉索属于重点监测的对象，监测的主要物理量是索力。近年来，出现了大量的索力识别方法，但是基于频率的识别方法是较为经济的一种方法。拉索和拉索的频率与很多因素有关，如索力、边界条件、刚度、长度和垂度等，尤其是对于长度较短的拉索，抗弯刚度较大，其边界往往不能直接简化为固接或者铰接。针对上述问题，本文基于虚拟变形法和约束子结构方法，研究附加虚拟构造对拉索动态特性的影响，并通过布置虚拟构造研究索力识别方法。本文的主要研究内容大致如下:
　　首先，在ANSYS和MATLAB中建立了单索结构模型并计算出基本频率数值解，与利用公式得到的解析解进行了比较，说明建立的模型满足精度要求。针对某悬索桥工程结构，提出ANSYS和MATLAB进行联合建模的方法。首先以拉索边界位置自由度作为主自由度对ANSYS模型的整体刚度矩阵和质量矩阵进行缩聚，然后利用MATLAB建立精细拉索模型的刚度和质量矩阵，并采用有限元方法集装获得整体有限元模型，以考虑在悬索桥结构中其它各部分对拉索的影响以及保证拉索的局部动态特性。
　　其次，介绍了附加虚拟构造的主要思想以及基本公式的推导，通过对拉索附加虚拟构造以获得对于拉索索力识别灵敏度较高的指标。分析比较了拉索有限元上附加虚拟质量和虚拟刚度后拉索模态的变化，以及通过根据附加虚拟构造后拉索频率对于附加参数的灵敏度分析。进一步研究了拉索上附加虚拟支座，虚拟支座可以将一段拉索分离出来，降低边界条件对拉索的影响，因此可根据频率与索力的对应关系对索力进行识别。
　　最后，运用附加虚拟支座方法对悬索桥结构的拉索来进行索力识别。首先为了避免转动响应的测量，在拉索上设置一定长度的刚度加强段，在加强段的边界布置两个加速度传感器，用于模拟虚拟固定支座。其次，通过响应卷积组合为零，将边界的传感器转化为虚拟支座，从而得到约束子结构模型响应。最后，采用ERA方法识别出子结构的频率，根据频率与索力的变化规律来进行索力识别。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景、意义及其提出

1．2 索力测试方法概述

1．2．1 直接的索力识别方法

1．2．2 间接的索力识别方法

1．2．3 振动频率法国内外研究现状

1．3 基于局部动态信息的识别方法概述

1．4 索力识别存在的主要问题

1．5 本文的主要研究内容

2 拉索结构有限元建模

2．1 引言

2．2 单索有限元模型

2．2．1 单索结构建模方法概述

2．2．2 单索有限元模型比较

2．3 整体桥梁结构的联合建模

2．3．1 联合建立模型的基本思想

2．3．2 工程概况

2．3．3 建立模型

2．3．4 MATLAB中模型缩聚

2．3．5 结构组装

2．4 本章小结

3 附加虚拟构造对拉索动态特性的影响

3．1 引言

3．2 附加虚拟构造

3．2．1 附加虚拟质量

3．2．2 附加虚拟刚度

3．2．3 附加虚拟支座

3．3 数值模拟

3．3．1 附加虚拟质量的拉索的影响

3．3．2 附加虚拟刚度的拉索的影响

3．3．3 附加虚拟支座的拉索的影响

3．4 本章小结

4 基于附加虚拟支座的索力识别方法

4．1 引言

4．2 数值仿真

4．2．1 约束子结构脉冲响应构造

4．2．2 理论约束子结构响应

4．2．3 ERA方法识别频率

4．2．4 噪声的影响

4．2．5 索力识别

4．3 本章小结

结论

参考文献

致谢