大型斜拉桥长期健康监测系统的关键技术研究

论文摘要

桥梁建成以后，会由于设计或施工的缺陷而存在隐患，或受到气候、环境等自然因素的影响而老化，或承受日益增加的交通流量和荷载作用而损坏。如果不对这些存在结构损伤和隐患的桥梁进行监测和评估，就得不到及时维修与加固，不仅会影响行车安全，缩短桥梁使用寿命，甚至会发生桥梁突然破坏或倒塌等桥毁人亡的事故。本文以武汉长江二桥（大型斜拉桥）为研究背景，针对大型斜拉桥的长期健康监测过程中存在的关键技术问题，综合运用有限元理论、动力模型修正、模态参数识别、优化算法、结构仿真与预测等理论和方法，从桥梁结构基准理论模型的建立开始，对桥梁健康基准状态的确定、动力模型修正方法、结构参数识别算法、桥梁结构阈值的确定、结构损伤预案仿真等整个健康监测过程中的关键技术问题进行了全面系统的研究。本文的主要研究成果和创新点如下：1、提出了大型斜拉桥长期健康监测过程中的关键技术难题。这些难题集中在桥梁结构基准状态的确定，也就是健康标准的建立，其核心问题就是结构有限元模型修正的问题；桥梁损伤的识别问题；桥梁设计与施工中的问题；桥梁监测项目的局限性；传感信息的有效性及传感器寿命问题；桥梁结构的退化问题及其失效模式以及桥梁状态的评估理论和方法。2、分析了以前对于大型斜拉桥先整体后局部的简化计算方法的缺点，提出了局部和整体一起考虑的建模思路，综合建立大型斜拉桥的空间精细实体有限元模型。按照设计单位提供的设计图纸，综合考虑了武汉长江二桥的预应力钢筋混凝土桥的特点，针对预张拉的斜拉索、预应力筋、普通钢筋、混凝土塔和箱梁等主要构件采用不同的单元形式，分析了桥梁的边界条件和构件之间的连接方法，运用大型有限元分析软件ANSYS建立了武汉长江二桥的精细实体有限元模型。3、总结了结构模型修正的经典方法，分析了各种方法的优缺点和适用范围，提出了适用于大型斜拉桥模型修正的方法——基于结构参数灵敏度修正的优化方法。这些经典的结构模型修正方法大多采用某种试验／理论余量的最小化过程出发，按不同的修正对象（矩阵修正、结构参数修正）和优化目标（最小范数摄动、最小秩摄动）以及不同的优化约束条件进行优化；同时阐明了近年来研究的基于灵敏度方法、神经网络方法和遗传算法等最新模型修正方法的过程。4、研究了武汉长江二桥的有限元模型修正过程。首先选取了斜拉索的弹性模量、预应力钢筋的弹性模量、普通钢筋的弹性模量、主塔的弹性模量和质量密度以及主梁的弹性模量和质量密度等7个结构参数作为初始的修正对象，计算了7个结构参数对结构频率的灵敏度，发现普通钢筋的弹性模量和主塔的质量密度对结构各阶频率的影响相对其它参数很小，属于次要因素，因此在模型修正中不予考虑。然后根据成桥后环境振动试验测试的动力模态结果，以实测频率和计算频率的相对误差作为优化目标，以结构参数的上下限值作为约束条件，运用灵敏度方法对武汉长江二桥有限元模型的结构参数进行了修正，修正后的结果比较符合实际。5、针对结构参数优化的结果，依据桥梁荷载试验的相关规范，计算了几种静载工况下主梁的挠度、主梁横截面应力等，计算的结果与荷载试验的结果比较接近，这再一次说明了模型修正的结果是比较准确的。另外根据桥梁设计的相关规范，提出了桥梁结构阈值的概念，依据桥梁基准模型计算了桥梁结构的阈值，为桥梁健康监测系统中的相关特性提供了在线报警的门槛值。6、对大型斜拉桥进行了相关的结构预案模拟仿真分析。研究了桥梁在重载车50T、80T和120T等几种工况下的工作状态，通过比较发现：一台120T重车过桥相当于1.5万辆普通车辆的影响，这种影响应该引起桥梁管理者的高度关注，增设测重仪器，及时限制超重车过桥。模拟了桥梁在5万辆、10万辆、15万辆和20万辆等4种不同的交通流量下的状况，计算了主要截面的应力应变、斜拉索的索力、主塔的偏移量和主梁的挠度等。研究发现武汉长江二桥的极限交通流量在12万辆左右，长期超重会对桥梁产生严重的损坏作用，这个研究结果为桥梁管理者提供了科学的交通管制手段；模拟了桥梁在极端寒冷和极端炎热等2种不同气候条件下的工作状况，通过计算发现，环境温度的高低不是主要的因素，而整个桥梁的温度梯度是主要的因素，温度梯度越大，产生的应力越大；模拟了部分斜拉索断裂后的桥梁工作状况。研究表明断索后所有拉索的索力要进行重新分配，并且都有不同程度的增加，而距离断索越近的拉索其索力增加越大。以桥梁中部WTZ10-S-AF处的索力为例，在日交通流量5万辆时，其索力增加了387kN，增幅达到9.5％；在日交通流量10万辆时，其索力增加了796kN，增幅达到17.8％。显然这要引起桥梁维护工作者的高度关注。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 问题提出的背景
• 1.3 桥梁长期健康监测面临的主要问题
• 1.3.1 桥梁损伤的识别问题
• 1.3.2 桥梁设计与施工中的问题
• 1.3.3 桥梁监测项目的局限性
• 1.3.4 传感信息的有效性及传感器寿命
• 1.3.5 桥梁结构的退化问题及其失效模式
• 1.3.6 桥梁状态的评估理论
• 1.3.7 桥梁结构基准状态的确定
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 桥梁基准状况的确定
• 2.1 关于模型修正
• 2.2 模型修正方法
• 2.2.1 质量矩阵的修正
• 2.2.2 多约束刚度矩阵修正法
• 2.2.3 最小范数摄动法
• 2.2.4 子矩阵修正法
• 2.2.5 基于灵敏度分析的结构参数修正法
• 2.3 基于神经网络的模型修正方法
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 BP神经网络
• 2.3.3 神经网络智能修正框架
• 2.4 基于遗传优化算法的模型修正方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 斜拉桥空间精细有限元模型的建立与分析
• 3.1 斜拉桥非线性分析理论介绍
• 3.2 斜拉桥有限元计算方法
• 3.3 ANSYS中实现斜拉桥非线性分析基本过程
• 3.4 武汉长江二桥的基本概况介绍
• 3.5 斜拉桥的支承条件分析
• 3.6 模型划分
• 3.6.1 斜拉索与预应力配筋
• 3.6.2 普通钢筋
• 3.6.3 主塔
• 3.6.4 主粱
• 3.7 有限元建模
• 3.8 本章小结
• 第4章 武汉长江二桥有限元模型智能修正
• 4.1 有限元理论计算初始结果分析
• 4.1.1 有限元计算结果
• 4.1.2 计算振型图
• 4.2 成桥后动力特性试验结果
• 4.3 有限元模型修正
• 4.3.1 计算结果与实测结果比较
• 4.3.2 待修正结构参数的选择
• 4.3.3 灵敏度分析
• 4.3.4 优化计算
• 4.3.5 模型修正结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 武汉长江二桥有限元分析及结构阈值确定
• 5.1 结构静力有限元分析
• 5.1.1 关于桥梁荷载试验
• 5.1.2 武汉长江二桥成桥后试验
• 5.1.3 静力加载工况
• 5.1.4 有限元计算结果与试验结果比较
• 5.2 桥梁结构报警阈值的确定
• 5.2.1 传感器空间位置及其应变阈值表
• 5.2.2 结构阈值
• 5.3 本章小结
• 第6章 桥梁结构的可视化预案仿真分析
• 6.1 预案仿真的目的
• 6.2 模拟桥梁在不同的交通流量下的状况
• 6.3 重载车通过时的仿真分析
• 6.4 模拟桥梁在不同温度条件下的状况
• 6.5 模拟桥梁在部分构件失效后的状况
• 6.6 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文