大跨鋼橋梁考慮局部細節(jié)特性的結構多尺度模擬及其應用.pdf

1、隨著科學技術和社會經(jīng)濟的發(fā)展，大跨橋梁的結構健康監(jiān)測已成為近年來研究與工程應用的熱點。在橋梁結構健康監(jiān)測、狀態(tài)評估和損傷檢測過程中，一個準確的、能夠同時考慮結構整體特性和局部細節(jié)特性的結構有限元模型是不可缺少的前提之一。同時，在結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計過程中，傳感器系統(tǒng)的優(yōu)化布設對監(jiān)測結果有著決定性的作用。因此，本文研究的主要內(nèi)容是：針對大跨鋼橋梁結構健康監(jiān)測和損傷評估的需要，研究同時考慮結構整體特性和局部細節(jié)特性的結構行為一致多尺度有限

2、元模擬的過程以及多尺度模型在傳感器測點布置方面的應用。具體來說論文的主要工作及研究成果有： 1．從理論框架上探討了復雜土木結構的結構行為一致多尺度模擬的方法和策略。針對大型復雜土木結構以結構健康監(jiān)測和損傷評估為目標的有限元分析的需要，論述了對于需要同時兼顧結構整體響應和局部細節(jié)響應特征模擬的需求，可以采用結構行為一致多尺度模擬的方法來解決：指出對于大型復雜土木結構而言，適合考慮局部細節(jié)特性的結構行為多尺度建模的策略是：對于有限個

3、需要重點關注的局部細節(jié)部位采用“小尺度”建模，而整體結構其它部分采用“大尺度”建模。針對目前大型復雜土木結構的建模都是借助于大型商用有限元軟件，而現(xiàn)有軟件都無法直接做到結構行為一致多尺度模擬的現(xiàn)狀，文中引入有限元方法中的子結構方法，從數(shù)學描述上對傳統(tǒng)子結構方法加以改進，使之適合解決結構行為一致多尺度模擬問題。 2．以實驗室的大跨橋梁縱向加勁桁架縮尺結構試樣為研究平臺，具體研究了基于子結構方法的結構行為一致多尺度有限元模型的建立、

4、修正和驗證的過程。首先，采用子結構方法和約束方程方法分別建立了結構行為一致多尺度模型，為了便于對比，同時也建立了傳統(tǒng)單一尺度下的有限元模型并對幾種模型進行了動力特性和靜力響應對比分析，分析研究結果表明：子結構方法和約束方程方法建立的結構行為一致多尺度模型能夠滿足同時考慮結構整體和局部特性的要求，但子結構方法建立的多尺度模型比約束方程方法建立的模型計算效率要高很多，所以在計算效率方面采用子結構方法建立的結構行為一致多尺度模型能更有效的適合

5、大型復雜結構健康監(jiān)測與損傷分析的需要。然后分析了影響多尺度模型精度的一些因素，采用基于靈敏度的方法對多尺度模型進行了修正和參數(shù)識別，并通過不同于修正過程的加載工況和不同位置處的應力數(shù)值從動力特性和靜力響應等多方面驗證了此結構行為一致多尺度有限元模型是有效的。 3．以潤揚長江大橋北汊斜拉橋為實際工程背景來說明同時考慮結構整體和局部細節(jié)特性的結構行為一致多尺度模擬方法在實際工程中的實施過程。通過對實際橋梁以結構健康監(jiān)測和損傷評估為目

6、標進行的結構多尺度模擬過程的研究來解決其中的一些關鍵問題。首先依據(jù)設計資料，分別對斜拉橋主要部件三維有限元建模過程進行詳細論述，包括橋塔、斜拉索、橋面系和連接條件等的模擬，其中，橋面系采用分級多重子結構方法建立結構行為一致多尺度有限元模型。然后，對建立起來的大跨橋梁結構多尺度有限元模型進行模態(tài)分析總結斜拉橋動力特性的特點，并利用成橋試驗數(shù)據(jù)從靜力響應、動力特性等方面對多尺度模型的有效性進行了探討。結果表明：建立的多尺度模型計算分析結果和

7、成橋試驗值之間的誤差較小，說明此模型是有效的。這樣分級建立結構行為一致多尺度模型的模擬方法有利于滿足在結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計、結構狀態(tài)評估和結構損傷檢測等各個不同階段模型分析的需求。 4．對已建的大跨橋梁結構多尺度有限元模型進行結構分析，研究了該模型在結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器測點布置方面的應用。根據(jù)有限元模型動力特性分析結果采用MAC準則得出了橋塔和主梁振動測點的優(yōu)化布設位置，并利用大橋現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和縮尺模型橋的實驗數(shù)據(jù)驗證了橋塔