基于动静载试验的桥梁结构模型修正方法应用研究

摘要

模型修正技术是通过动静载试验的实测数据，对基于设计图纸建构的初始有限元模型进行修正，使得修正后的模型在试验条件下的响应与试验实测数据相吻合，从而达到对结构的安全可靠性做出真实评价的一种方法。模型修正技术的工程研究进展对于桥梁结构的运营安全性能的评估，结构在各种受力工况下的响应预报，以及结构的健康监测和损伤识别都有着重要的工程意义和实用价值。
　　本文针对桥梁结构模型修正方法的工程应用开展研究。选取1榀40m跨径的预应力混凝土T梁和1榀30m跨径的预应力混凝土箱梁进行现场动静载试验。获得在标准使用荷载下2榀梁分级加载作用下的多点挠度和跨中应变的实测值以及动力激振下的前5阶竖向自振频率实测值，为探讨结构模型修正方法的工程应用提供可靠的试验依据。
　　在此基础上，开展了关于以下两种模型修正方法的结构建模分析与试验验证，具有实际工程意义。
　　1)有限元模型的直接修正方法:
　　基于设计图纸建立有限元模型，综合运用动态加权系数和灵敏度分析的方法，联合动静载试验数据对预应力混凝土梁进行模型修正。该方法采用了动态加权系数来构造目标函数，克服了以往采用单目标函数修正有限元模型的不足，以及迭代计算过程中加权系数不会因各单目标函数量级的变化而自动调整的缺点，也避免了修正计算在残差较大的部分收敛，或者是在局部极小值收敛的弊端，更易找到全局最优解。修正后的有限元模型按照静载试验加载工况进行加载，模拟分析了静载试验加载工况下2榀预应力混凝土梁有限元模型的应变、挠度计算结果，与现场静载试验测试结果相比较，表明有限元模型的直接修正方法可以应用于对预应力混凝土梁的结构性能评估中。
　　2)基于响应面模型的修正方法:
　　在有限元模型修正的基础上，利用正交试验设计方法产生27组预应力混凝土梁在动静载试验条件下的样本值，通过方差分析（F检验法）计算了各参数对试验响应的显著性水平，分析结果与基于有限元模型的灵敏度分析结果相一致，说明基于统计学的方差分析方法能够识别显著性水平较高的参数。而后用二次多项式拟合了各响应的响应面模型，相关系数的计算表明，拟合的各响应面模型精度很高，都达到了0.99以上，说明响应面模型可以用来替代有限元模型进行模型修正计算。经响应面方法修正计算后的有限元模型计算值与试验实测值的误差在8％以内，满足工程精度的要求。通过对响应面模型修正方法的研究表明:响应面模型修正方法对比有限元模型修正方法具有计算速度快，计算次数少，容易收敛等优点，有更为显著的工程应用价值。
　　最后，以30m预应力混凝土箱梁为例，设定了两种损伤工况，以ANSYS有限元软件建构实体模型，并计算两种损伤工况下的动静力响应，而后利用基于响应面模型修正方法对给定的损伤王况进行识别。结果表明:响应面模型能够对不同损伤工况下的损伤程度进行识别，而且精度较高，可以应用于对桥梁结构损伤的识别，该方法经过完善后具有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 有限元模型修正的概念

1．2．2 有限元模型修正存在的问题

1．2．3 基于有限元模型的响应面修正方法

1．2．4 模型修正的研究现状

1．3 本文选题的来源和研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 本文主要研究内容

第二章 预应力混凝土梁的动静载试验

2．1 概述

2．2 静载试验

2．2．1 位移测试结果

2．2．2 应力应变测试结果

2．3 动载试验

2．3．1 动载试验简介

2．3．2 动力特性测试基本原理和方法

2．3．3 预应力混凝土梁动力特性测试结果

2．4 本章小结

第三章 有限元模型的建立与数值分析结果

3．1 概述

3．2 预应力混凝土梁精细化有限元模型的建立

3．2．1 选用单元简介

3．2．2 初始有限元模型的建立

3．3 预应力和重力场的作用

3．4 动静载试验结果与初始有限元模型计算结果的对比

3．4．1 静载试验挠度与初始有限元模型计算结果的对比

3．4．2 不同预应力工况对结构模型动力特性的影响

3．4．3 动载试验自振频率与初始有限元模型计算结果的对比

3．5 本章小结

第四章 联合动静载试验数据的有限元模型修正及试验验证

4．1 概述

4．2 设计参数、状态变量以及目标函数构造

4．2．1 选取设计变量和状态变量

4．2．2 目标函数的构造

4．3 设计参数的灵敏度分析

4．4 有限元模型修正

4．4．1 模型修正结果与试验结果的对比分析

4．4．2 静载试验下的模型修正精度的验证

4．5 本章小结

第五章 基于响应面法的模型修正原理

5．1 概述

5．2 响应面法的基本概念

5．3 响应面法的基本理论

5．4 响应面法的试验设计

5．4．1 试验方法简介

5．4．2 参数显著性水平分析

5．4．3 响应面模型精度评价

5．5 本章小结

第六章 基于正交试验设计的响应面法模型修正

6．1 概述

6．2 试验设计

6．2．1 正交试验设计表

6．2．2 试验结果(响应)

6．3 设计参数显著性水平分析

6．4 响应面方程的回归拟合

6．4．1 响应面方程回归拟合

6．4．2 响应面方程的精度评价

6．5 联合动静载试验数据的目标函数响应面模型

6．6 基于响应面方法模型的有限元模型修正

6．6．1 算法寻优

6．6．2 基于响应面模型的优化修正计算

6．7 有限元模型直接修正方法与响应面模型修正方法的比较

6．8 本章小结

第七章 基于响应面模型的桥梁结构损伤识别

7．1 概述

7．2 损伤工况模拟与试验设计

7．2．1 损伤工况

7．2．2 试验设计

7．2．3 参数显著性水平分析

7．3 响应面方程拟合及精度检验

7．3．1 响应面方程回归拟合

7．3．2 响应面方程精度评价

7．4 基于响应面模型的损伤识别

7．5 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间参与的科研项目