基于上部结构振动响应的杭州湾大桥桥塔冲刷状态分析

提出了一种基于上部结构振动响应的桥塔冲刷状态分析方法.该方法首先基于理论分析得到的冲刷敏感模态确定传感器布置方案,进而对环境振动(大地脉动)下的桥梁结构加速度数据进行多次采集,并通过对实测数据模态分析得到相应的模态参数变化.通过对比跟踪桥梁上部结构不同构件、不同模态的动力特征变化,对桥塔冲刷发展状态进行评估.在杭州湾大桥桥塔冲刷评估中完成了该方法的实桥应用,对不同构件与模态形式的冲刷敏感程度进行了分析,并利用水下河床三维量测对该冲刷动力评估方法的准确性进行了验证.结果表明,该方法在实际应用中,跟踪上部结构振动响应可以准确高效地识别出桥塔冲刷发展的状态,选择低阶振型或桥塔构件进行跟踪对桥塔冲刷发展更为敏感,且具有经济、便利、无需水下操作的特点.该方法可避免传统冲刷检测技术中常见的水下安装作业,实现桥梁冲刷发展状态的快速诊断,并可融入常规的桥梁检测项目中.     

基于时频分析与神经网络的桥梁冲刷动力评估

桥梁基础水文作用是引起桥梁结构功能及安全性能失效的首要原因,而桥梁冲刷又是水文作用最主要的表现形式.依托舟山大陆连岛工程金塘大桥主通航孔桥,提出一种基于时频分析与神经网络的桥梁冲刷动力评估方法.首先,利用白噪声地震波模拟环境振动激励,采用动力时程分析法模拟环境激励下的上部结构振动,并获得其加速度响应,同时在振动过程中实时模拟基础冲刷深度的连续发展,进行环境振动激励下桥梁模态参数与冲刷发展的关联性分析,研究该方法的识别敏感性.进而,利用数值动力参数分析研究上部结构既有局部损伤多种组合形式对桥梁结构模态参数的扰动程度,以确定非冲刷损伤形式对桥梁冲刷动力评估方法准确性的干扰.最后,以模态分析中的低阶模态参数作为样本输入,以冲刷深度与墩位的不同组合作为样本输出,建立BP神经网络,实现桥梁冲刷深度与墩位的同步评估.研究结果表明:利用自振频率构建的动力指纹对冲刷发展较为敏感;该方法无论对冲刷深度还是冲刷墩位均具有较高的识别准确度,且可忽略有限局部损伤对识别准确性的干扰.该方法不需要水下操作,不需要昂贵的测试设备,仅需要加速度传感器以及数据采集装置,便于融入常规桥梁检测项目中.     

基于模态柔度理论的结构损伤诊断试验研究

利用多参考点脉冲锤击法的输入输出动力信号获取结构的模态柔度,可以对结构进行损伤识别,设计了一根钢筋混凝土简支梁和一块钢-混凝土组合板的静动力试验.对不同损伤状态下的简支梁和组合板进行了动力测试,得到其模态柔度矩阵,并用来预测结构在荷载作用下的位移.简支梁试验结果表明,随着损伤程度的加深,结构自振频率降低,阻尼比增大,柔度增大,但自振频率只能判断结构损伤的出现,模态柔度则能够综合全面地反映钢筋混凝土简支梁结构的损伤位置和损伤程度.组合板试验表明,在线弹性状态下,动力测试与静力测试获得的模态柔度矩阵相差很小.设计了支座刚度变化、连接件损伤和横向支撑破坏这3种损伤工况,并用这3种工况来模拟实际桥梁结构可能出现的损伤状况.通过对比结构损伤前后的模态柔度位移信息,成功实现了组合板的损伤识别.     

冲刷作用对大跨度自锚式悬索桥地震响应的影响

目的研究冲刷作用对大跨度自锚式悬索桥桥塔地震响应的影响,为此类桥梁冲刷条件下抗震设计提供参考.方法采用考虑几何非线性的全桥有限元模型,并应用m法模拟土对桩基的约束刚度,分析不同基础冲刷深度条件对基础刚度和桥梁整体动力特性,以及对高耸桥塔地震响应的影响.结果冲刷效应通过减小土对桩基的约束,使桥塔基础刚度明显减小,但桥梁竖向和纵向基频不受影响,高阶振型及其地震效应的变化控制了结构的某些地震响应;不同冲刷深度下,桥塔关键截面-塔底截面纵桥向内力会出现明显峰值,而塔顶位移及横桥向内力效应呈现不同的规律.结论对于大跨度自锚式悬索桥高耸桥塔结构,最不利地震荷载效应并不完全发生在冲刷深度最大时,抗震设计需要考虑地震下多目标效应的多级冲刷的精细化处理方法.     

基于柔度变化对刚架拱桥损伤识别

桥梁结构的损伤识别结果,可作为维修加固设计的依据.以龙母大桥为工程背景,提出一种识别刚架拱桥损伤的方法.即先建立空间梁单元模型,计算桥梁的竖弯振型.使用总体模型保证准则初步确定刚架拱桥的损伤位置,列出几种可能的损伤情况,并将其柔度与实测振型计算出的柔度相减,若柔度差接近0,则为最有可能的损伤情况.结果表明:合理制定测试方案和准确测试前三阶竖弯振型,是刚架拱桥损伤定位的关键.     

荞麦蛋白的组成与功能成分研究进展

基于动力测试采用柔度变化率对一座独塔斜拉桥模型进行了损伤识别实用性研究,识别过程基于动力模态分析,激励方式包括车辆激励、锤击激励和环境激励,传感器布置方式包括稀布传感器和密布传感器两种方案。试验研究结果表明：柔度变化率可以识别梁式结构主梁的损伤位置;锤击激励产生的加速度信号损伤识别的效果最好;传感器的密布可以增加环境激励和车辆激励进行损伤识别的精度;斜拉桥的索力大小不影响柔度变化率进行主梁的损伤识别的效果。     

悬索桥的损伤识别

讨论了悬索桥加劲梁的累积损伤识别。识别基于比较完好桥的初始指纹与损伤后的指纹。使用了三个基于ＦＲＦ的波形识别指标：ＷＣＣ,ＩＡＴＭ,ＩＳＡＣ与三个基于振型的识别指标：ＩＣＯＭＡＣ,柔度,和曲率模态,作为指纹来识别悬索桥加劲梁的模拟损伤,并比较了他们的识别能力。结果表明：ＩＡＴＭ和ＷＣＣ识别损伤的能力优于ＩＳＡＣ,但都不能定位损伤;柔度和曲率模态识别能力优于ＩＣＯＭＡＣ,并可以定位损伤。本文还发现应变模态具有较好的损伤识别能力。柔度、曲率和应变模态可用于安全监测系统。     

大跨度斜拉桥动力反应分析

本文以主跨460m的武汉军山长江大桥为例,运用自编程序进行了成桥状态索力计算,并详细分析了其动力特性。结果表明：1）该桥第一振型为纵飘振型,这对结构在地震作用下的反应十分有利;2）其模态相当密集,自振频率很低,前40阶模态的频率在0.1-2Hz之间, 从而使得桥梁具有良好的使用性能;3）结构的扭转频率和弯扭频率比 值较高,说明该桥具有较高的颤振临界风速,具有较好的抗风性;4）大跨度斜拉桥支座连接方式对整个桥梁体系的动力特性影响很大,必须正确模拟;5）在半漂浮体系斜拉桥中,对塔的横向地震反应贡献最大的是以塔的振动为主的振型。该桥计算分析结论可为该类型大跨度斜拉桥的抗震分析和设计提供参考依据。     

基于单位载荷变形差值曲率的承载钢结构损伤识别

损伤是影响承载钢结构性能最重要的因素,及时、准确地诊断承载钢结构的损伤是保证系统安全可靠的前提。根据模态柔度比固有频率或振型对损伤更敏感的特点,提出了基于柔度矩阵的单位载荷变形差值曲率法识别承载钢结构的损伤。该方法将基于动力的柔度和静力测试中的变形结合起来,以动力测试数据反映结构静力特征的变化,当有损伤或损伤增大的时候,单位载荷变形差值曲率有更明显的变化。首先,建立了低阶的模态观测数据与柔度矩阵的表达式。其次,推导了单位载荷变形与柔度矩阵的关系,结合曲率模态和变形差值的思想,提出了基于单位载荷变形差值曲率识别承载结构损伤的方法。最后,通过对承载钢结构模型的损伤识别得出:该方法所需模态信息量小,只需一阶频率和振型信息即能够准确定位单损伤、两损伤;对于多损伤可以识别,精度有所下降,但基本可以满足工程要求。     

面向桥梁冲刷动力识别的水槽物模试验研究

为定量分析与验证研究桥梁冲刷动力识别,同步动力特性与冲刷发展的实测数据并验证该方法的有效性.依托张靖皋长江大桥桥塔主墩冲刷设计,利用大型水槽水文-结构物理模型对基础冲刷发展全过程进行试验模拟,基于多组别试验“冲刷-基频”同步实测数据,研究墩桩振动频率随冲刷深度发展的演变规律,定量分析桥梁冲刷动力识别方法的敏感性与准确性.结果表明：3组冲刷试验均造成基础边界条件极大改变,且冲刷越剧烈,结构频率下降比例越大;基础自振频率与冲刷时间成近似线性关联;自振频率平方与冲刷深度成显著线性关联.动力识别方法对桥梁冲刷发展具有较高敏感性,可有效应用于区域性桥群冲刷异变快速检测,并为重点桥梁进一步水下筛查提供数据支撑与准确依据.     

超高墩对山区三塔斜拉桥力学响应的影响

多塔斜拉桥是跨越宽阔水面和山谷的一种可行方案。然而,山区多塔斜拉桥的超高桥墩会改变全桥结构的整体刚度,使其力学响应有别于普通的多塔斜拉桥。为研究超高墩对三塔斜拉桥力学行为的影响程度,以某在建的超高墩三塔斜拉桥为例,首先确立了力学响应指标和计算方法,然后分析了桥墩高度、桥墩高差、主梁刚度和主塔刚度对塔顶位移、墩底弯矩、跨中挠度等结构响应的影响规律。结果表明:当桥墩高度增加时,车道荷载和温度荷载所引起的墩底附加弯矩会随之减小,而塔顶的纵向位移和主梁的跨中挠度随之增大;桥墩高差对桥墩的内力影响很大,高差较大时,矮墩会承受更多的弯矩;提高主塔刚度能够更有效的控制结构位移。     

Cross spectral energy method for damage assessment of the cable-stayed bridge under operational conditions

The new cross spectral energy method （CSEM） is proposed for maintaining cable-stayed bridge safety by the measurable output-only vibration response. Damage assessment of real structures is limited by a series of problems such as unknown ambient excitation forces, errors introduced by system identification, incomplete dynamic measurements, etc. Thus the methodology based on cross spectral energy of each substructure member is derived to meet these challenges. The novel damage index does not require any modal or parameter identification technology. It can be calculated directly from vibration test data. In order to evaluate the efficiency of the presented methodology, a three dimensional （3D） actual cable-stayed bridge model .with one or more damaged positions under operational conditions was studied. In order to testify the reliability of damage detection method, the response data was polluted by the random noise. It is proved that the proposed method can successfully localize all damage cases even in noisy data. With the help of examples, the CSEM can potentially be applied as a nondestructive evaluation technique （NDT） for on-line health monitoring of cable-stayed bridges with minimum disruption of its operations.     

独塔部分地锚式PC斜拉桥经济及设计参数研究

为得到独塔部分地锚式PC斜拉桥的合理设计参数范围,通过对拉索、主塔、锚碇、主梁的材料用量和造价进行计算,建立了全桥总造价及单位桥长造价公式,据此开展了独塔部分地锚式PC斜拉桥合理背索自锚比例、锚碇主跨长度比、边主跨比及塔跨比的研究,并与其他斜拉桥型进行了对比。结果表明:考虑全桥跨越能力时,背索自锚比例宜取0.336~0.487范围内的大值,边主跨比宜取0.487~0.544范围内的小值,考虑单跨跨越能力时反之;当主跨跨度较小时,可取适当小于依据上原则的取值,当主跨跨度较大时反之;塔跨比宜取0.372左右,对应的主跨边索倾角为20.4°左右,跨径较小时取较大值,跨径较大时取较小值,与其他斜拉桥型无明显区别。独塔部分地锚式PC斜拉桥仅在边跨自锚段空间受地形条件限制时经济性能优于独塔常规斜拉桥,在常规地形并无优势。     

基于损伤柔度曲率矩阵的人行天桥损伤识别研究

为了研究基于损伤柔度曲率矩阵的损伤识别方法在人行天桥上的适用性,将此方法用于人行天桥模型和实际工程的桥梁结构分析中。通过对人行天桥简支钢箱梁损伤前的完好结构及各类损伤工况下的损伤结构进行数值模拟,得到各工况下的这一损伤识别指标的损伤识别性能,对其进行分析。之后将此方法用于实际的人行天桥动力模态试验中,在随机环境激励的情况下使用动态信号采集分析系统对人行天桥进行动力模态试验。研究发现,损伤柔度曲率矩阵这一指标对于人行天桥具有良好的损伤识别性能,并且其抗噪声能力、微小损伤识别能力以及对于实际工程的适用性能皆有良好表现。     

超千米级斜拉桥的恒载索力优化

把超千米级斜拉桥的索力优化问题归结为非线性隐式优化的数学模型,以系统最小弯压应变能为目标,根据合理成桥状态指定各种非线性约束条件,利用投影梯度法进行优化问题的求解,求解过程中充分考虑了各种几何非线性的影响。利用ANSYS工具建立了1400m的斜拉桥有限元模型,然后据此建立斜拉索索力优化的数学模型,进行优化计算。结果表明,优化前后索力的相对改变量并不大,但是结构内力状态却得到极大改善,塔梁恒载弯矩和主梁恒载挠度减小明显,主塔塔顶向岸侧有一定偏移量,对混凝土塔的长期受力更加有利。该文优化方法为以后类似超千米级斜拉桥的索力优化提供参考。     

超大跨度V塔斜拉桥的经济与力学特性

建立了超大跨度V塔斜拉桥和常规直立索塔斜拉桥的有限元分析模型.通过对比研究,给出了V塔斜拉桥的一些经济、力学特性.和常规直立索塔体系斜拉桥相比,当V塔斜拉桥的塔柱倾角为对应跨最外侧拉索倾角之半时,节省量最优,但此时塔柱材料用量仅节省6%,拉索用量节省1%,总节省量并不大.V塔斜拉桥能够降低塔高,减小拉索悬挂长度,增大拉索倾角,使得结构整体刚度增加,稳定性系数得以提高,算例中塔根弯矩比常规体系小26%左右.另外,V塔体系能更好地抵抗横向风荷载的作用,满足斜拉桥向更大跨度方向发展的需求.     

斜弯独塔混合梁斜拉桥参数敏感性分析

为研究斜弯独塔混合梁斜拉桥在成桥状态下受结构设计参数的影响程度,对结构设计、施工监控和关键控制量制定等提供参考,以张家口纬二桥为工程背景,建立有限元模型。基于结构参数敏感性分析的摄动原理,引入敏感度分析指标,选取塔梁固结处弯矩值、桥顶纵向位移值、背索索力、主梁最大挠度为控制目标,对桥梁钢混结合段位置、桥塔局部温度荷载、斜拉索初拉力和背索竖向倾斜角度等结构参数进行敏感性研究。分析结果表明：桥梁钢-混结合段位置、斜拉索初拉力、背索竖向倾斜角度对斜弯独塔混合梁斜拉桥主梁挠度和桥塔线形影响较大。其中,混凝土梁和钢梁的跨度比变化15.73%,塔顶纵向位移、主梁最大挠度将分别变化30.3%和29.4%;桥塔局部温度荷载主要影响此类桥塔的纵向变形,对桥塔受力敏感度较低;背索竖向倾斜角度对斜弯独塔混合梁斜拉桥影响最为显著,背索竖向倾斜角度变化7%,塔顶纵向位移较初始位置最大变化也达到205.8%。     

广珠城际西江特大桥主桥空间受力分析

为了准确模拟预应力混凝土独塔斜拉连续刚构组合桥型的空间受力特性,以大型通用有限元程序为平台,采用相应的建模策略和二次开发技术,建立三维空间精细化基准有限元模型,在此基础上编制相应的计算程序,分析研究西江特大桥主桥独塔斜拉和连续刚构2种体系在组合结构中的受力性能及其作用.对比分析了其主梁考虑预应力和不考虑预应力2种情况下组合结构的自振特性.计算结果表明:独塔斜拉刚构体系整体表现出刚构的受力特性,斜拉索作为安全储备可对结构的"刚度保持"起到重要作用;主梁预应力效应改变了组合结构的刚度体系,对组合结构的自振特性具有一定的影响.     

温度对桥梁模态参数的影响

从理论上推导了温度对简支梁频率的影响公式,并对一个独塔组合梁弯斜拉桥进行了温度效应和频率影响分析,提出了利用有限元计算来量化温度对复杂结构频率影响的方法.结果表明:环境温度主要通过使结构尺寸变化、使超静定结构产生内力以及使结构材料的力学性能发生改变这3种方式影响结构模态频率,其中结构尺寸变化的影响可以忽略不计;环境温度对结构模态频率的影响程度主要取决于结构形式、材料、截面大小以及结构内力状态.实例分析显示:不同温度模式对结构变形和内力的影响差别很大;体系温差对斜拉桥频率的影响主要是由弹性模量随温度的变化而引起的;主梁温度梯度对频率的影响体现在温度内力的改变上,而索梁温差和索塔温度梯度对频率基本无影响.     

塔底铰接型独塔斜拉桥施工阶段力学特性分析

为了研究塔底铰接型独塔斜拉桥施工阶段的力学行为,通过有限元软件建立空间梁格的数值模型,研究了该结构在各个施工阶段桥塔、主梁的位移、内力和应力变化情况,并对塔底铰接和固结两种设计方案的整体力学行为进行对比分析。结果表明:桥塔最大弯矩位置随着施工阶段不同斜拉索的张拉而发生改变;张拉主梁拉索时,主梁曲率半径外侧受拉,内侧受压;塔底铰接对结构整体受力更加有利。可见塔底铰接型独塔斜拉桥与常规斜拉桥施工阶段的力学行为不同,研究结论可以为未来类似结构的设计、施工和监控提供参考。