基于动态试验的桥梁快速诊断技术研究

摘要

目前已有的桥梁结构检测方法主要有静力荷载试验法和动力试验法。其中静载试验法需长时间中断交通、耗时耗力；已有的动力试验法多以获得桥梁结构的模态信息作为评价桥梁结构性能的依据，其理论方法尚不够成熟，且实测数据对结构损伤灵敏度较弱。拟静力荷载试验是介于静力荷载试验和动力荷载试验之间的一种试验方法。通过对实测应变或挠度影响线分析对桥梁结构承载能力进行评定。拟静力荷载试验由于其对试验方法及数据采集设备的精度要求较高，在我国一直未得到大范围的应用。
　　本课题在河北省交通科学基金资助下，提出基于动态试验的桥梁快速诊断技术。动态试验包括动力模态试验和动力荷载荷载试验。动力模态试验通过采集桥梁结构在正常交通量和大地振动激励下的加速度信号，对实测数据作傅里叶变换，得到桥梁结构的频率、振型、阻尼比、刚度等。动力荷载试验通过在桥面施加指定路径的标准加载车车辆荷载，采集桥梁结构各测点的应变或挠度影响线。以两种试验获得的桥梁结构的力学响应为依据，修正桥梁结构的有限元模型。模型优化过程中采用合理的设计变量、状态变量和有效的目标函数。将相同荷载工况下桥梁结构有限元模型的计算值与实测值进行比对，借助大型有限元软件ANSYS中的优化模块，不断调整设计变量的取值，直至有限元计算值与实测值误差无限小，即认为桥梁结构有限元模型修正完成，此时有限元模型等效于实际桥梁结构力学模型。在修正好的室内桥梁结构有限元模型上施加满足加载效率的静力荷载，利用静力荷载试验法评价桥梁结构的理论，对桥梁结构性能作出评价，从而达到快速有效评价桥梁健康状况的目的。
　　针对本课题提出的基于动态试验的桥梁快速诊断技术，本论文做了如下几方面的研究：1.针对桥梁结构可能出现的各种损伤，通过室内有限元仿真模拟，研究了桥梁结构出现横向连接损伤、梁底裂缝等损伤时，动态试验实测结果的变化。为实际桥梁检测工程提供了理论支持，为试验方案的合理选择提供了依据。2.研究了配筋率、弹性模量、截面惯性矩对应变或挠度影响线的影响规律及影响程度，为有限元模型修正过程中设计变量的合理选取提供理论依据。3.建立了基于动力模态参数和应变影响线的桥梁结构初始有限元模型校准技术中的目标函数，通过合理选择目标函数的表达式，保证结构模型优化的收敛性和有效性，为桥梁结构有限元模型优化提供了依据。4.将本课题所提出的桥梁快速检测方法应用于机场滑行道桥和公路桥实际检测工程。借助桥梁实际检测工程详细介绍了动力模态试验和动力荷载试验的数据采集、分析过程，以及模型优化、仿真静力加载、桥梁结构评价的全过程，验证了本论文所提出方法的可行性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 桥梁结构常用的检测方法

1.3 研究创新点及关键技术

第二章 优化方法的基本原理

2.1 概述

2.2 无约束优化问题的梯度法

2.3 有约束优化问题的惩罚函数法

2.4 本文优化问题的目标函数

第三章 桥梁各结构性能对测试结果的影响

3.1 结构有限元模型简介

3.2 横向连接损伤对试验结果的影响

3.3 梁底裂缝对测试结果的影响

3.4 配筋率对测试结果的影响

3.5 弹性模量、截面惯性矩对测试结果的影响

3.6 本章小结

第四章 桥梁检测应用研究

4.1 检测设备

4.2 检测方案

4.3 桥梁外观调查

4.4 桥梁材质状况及桥面平整度调查

4.5 现场动态试验

4.6 桥梁有限元模型修正

4.7 仿真静力加载试验

4.8 本章小结

第五章 桥梁检测实例

5.1 广州白云国际机场G滑行道桥

5.2 广州白云国际机场H滑行道桥

5.3 唐山市化工引道桥

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

致谢

参考文献