基于模态分析的弯坡连续刚构桥损伤识别与评估方法研究

摘要

混凝土桥梁在其正常使用过程中会产生不同类型和不同程度的损伤,其损伤类型和程度对桥梁的稳定性、可靠性和耐久性有很大的影响,甚至影响桥梁的使用寿命。弯坡连续刚构桥梁作为高原山区应用十分广泛的重要桥型之一,由于结构形式、质量分布不均匀和扭转效应等因素的影响,在其服役过程中会出现较多的结构损伤,若不及早发现并合理处治,将会危险桥梁结构的安全性能。研究混凝土桥梁损伤识别和评估理论是合理处治其损伤的基础,对延长桥梁寿命,保证其具有足够的稳定性、可靠性和耐久性具有重大意义。
　　目前曲率模态分析法在直桥损伤识别时应用较广,而弯坡连续刚构桥损伤识别的应用研究较少,对该类型桥梁损伤识别的适用性、敏感性和有效性还有待进一步探究,尤其是特殊构造部位的损伤识别。同时曲率模态分析法对桥梁结构同时存在多处不同程度损伤的识别效果并不理想;非结构损伤因素导致结构刚度变化对其识别结果的干扰性亦值得探讨。另一方面,桥梁结构损伤评估主要采用基于可靠度理论、层析分析法、模糊理论、神经网络以及专家系统等的整体评估,桥梁局部损伤还仅限于定性评估阶段。如何准确、有效地定量评估结构局部损伤程度,并判断其对桥梁结构整体性能的影响程度,也是值得深入研究的课题。
　　本文着重介绍了基于曲率模态分析的桥梁结构损伤识别理论,以曲率模态绝对差值作为损伤识别因子,探讨曲率模态绝对差值曲线突变位置和结构损伤位置的关系,以及曲率模态绝对差峰值和结构损伤程度大小之间的函数关系。
　　首先,以云南大保高速某桥为研究对象,采用MIDAS/CIVIL有限元程序建立全桥模型,进行桥梁结构损伤模拟分析,分别研究曲率模态绝对差法对单处损伤和多处损伤的识别效果。并分析多处损伤识别的相互干扰性和非结构损伤因素导致结构刚度变化的干扰性,对该方法进一步优化完善。
　　其次,通过优化损伤识别区段,研究弯坡连续刚构桥梁特殊构造部位损伤的识别方法,进一步增强曲率模态绝对差法的适用性和敏感性。
　　再次,在曲率模态绝对差法准确、有效识别桥梁结构损伤的基础上,研究改进基于直接刚度法的桥梁结构局部损伤定量评估方法,给出曲率模态绝对差峰值和损伤程度之间的函数关系。
　　最后,在以上研究的基础上,对研究成果进行归纳和总结,并为今后的研究工作提出建议和展望。

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第1章 绪 论

1.1. 研究背景与研究意义

1.2. 结构损伤识别国内外研究现状

1.3. 结构损伤评估国内外研究现状

1.4. 结构损伤识别与评估存在的问题

1.5. 本文的研究方法和主要研究内容

第2章 基于曲率模态的结构损伤识别理论

2.1. 欧拉—伯努利梁的振动微分方程

2.2. 曲率模态理论

2.3. 曲率模态在结构损伤识别中的应用原理

2.4. 曲率模态损伤识别参数的确定

2.5. 本章小结

第3章 弯坡连续刚构桥一般构造部位损伤识别研究

3.1. 曲率模态损伤识别空间有限元模型建立

3.2. 有限元模型中桥梁损伤的模拟

3.3. 曲率模态绝对差法损伤识别敏感性和适用性研究

3.4. 桥梁结构多处损伤识别的相互干扰性分析

3.5. 非损伤因素导致结构刚度变化的干扰性分析

3.6. 本章小结

第4章 弯坡连续刚构桥特殊构造部位损伤识别研究

4.1. 特殊构造部位损伤识别参数的优化

4.2. 特殊构造部位空间有限元模型细化分析

4.3. 特殊构造部位损伤识别效果检验和分析

第5章 弯坡连续刚构桥梁局部损伤定量评估研究

5.1. 直接刚度法损伤评估的基本理论

5.2. 改进直接刚度法的损伤评估理论

5.3. 基于改进直接刚度法的损伤评估方法应用及效果检验

5.4. 本章小结

第6章 结论与展望

6.1. 结论

6.2. 展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢