润扬大桥斜拉桥结构安全评估的有限元建模与修正

通过对润扬长江公路大桥斜拉桥的有限元建模和模型修正过程,探讨了大跨桥梁结构以损伤预警、损伤识别与安全评估为目标的有限元建模策略.根据斜拉桥桥面系的特点和安全评估的要求,建立并修正了三维精细有限元模型,动力特性分析结果与实测结果的对比证实该有限元模型的正确性和可靠性.探讨了正交异性桥面系的有限元模拟方法,并以损伤预警与损伤识别为目标建立了简化有限元模型.与精细模型的动力特性对比表明,该模型可作为结构损伤预警与损伤识别分析的有限元模型.     

润扬悬索桥扁平钢箱梁局部应力的测试与分析

为了计算钢箱梁的局部应力并与现场实测进行对比分析,基于子模型法提出了大跨悬索桥扁平钢箱梁应力分析的数值计算方法.以润扬悬索桥为例,建立全桥的整体结构尺度模型,并通过成桥试验验证了该模型的准确性.选取跨中钢箱梁建立局部构件尺度的精细模型.在局部模型的切割边界,应用子模型法衔接两尺度模型进行钢箱梁局部应力的数值计算,并与成桥静载试验的测试结果进行了对比分析.在此基础之上,系统地总结了大跨悬索桥钢箱梁结构在车辆荷载作用下的工作行为和受力性能.结果表明,钢箱梁顶板U形肋存在较大的应力变化幅值,应作为结构健康监测与疲劳状态评估的重点构件.     

基于荷载试验的大跨斜拉桥有限元模型修正方法研究

为对大跨斜拉桥进行在线监测和结构安全评估,很有必要建立竣工阶段的有限元模型作为评价基准模型.本文介绍了某斜拉桥竣工模型的建立方法,比较了成桥荷载试验结果与模型计算结果,提出了基于实测数据的模型修正方法,利用MATLAB软件计算了参数修正值.经过分析,模型修正后的误差在合理范围内,本文采用的修正方法具有实用价值.     

润扬大桥修正斜拉索力的基准有限元模型

为了掌握润扬大桥北汊斜拉桥在运营荷载作用下的工作状况和桥梁结构的实际承载力,并为成桥运营健康监测系统提供基准有限元模型,结合该桥的动静载试验,采用自定义钢箱梁主梁截面的脊骨梁整体模型,通过不断修正拉索实参数,使得拉索应力与成桥状态拉索应力实测值相一致.利用Ansys的二次开发功能,编制了相应的宏命令和子结构分析模块.并把计算结果与成桥试验获得的扁平钢箱梁应力和模态频率做了对比分析,计算应力与实测值吻合较好,低阶模态频率相对误差在4%之内,验证了基于实测索力修正模型的正确性,不仅能为成桥健康监测系统提供参考,同时也为今后类似问题的Ansys二次开发提供了相应的思路.     

结构行为一致多尺度有限元模型修正及验证

研究面向结构健康监测和损伤评估的含局部细节的结构多尺度有限元模型的修正和验证方法.以实验室的大跨桥梁结构钢箱梁纵向加劲桁架缩尺试样为研究平台,具体讨论了多尺度模型修正和验证的实施过程.首先分析了影响此结构多尺度模型精度的一些因素,如边界约束刚度、焊趾及其附近的几何及材料参数等,然后采用基于灵敏度的方法对多尺度模型进行修正,并通过不同于修正过程的加载工况和不同位置处的实测数据从动力特性和静力响应等多方面对所建的结构多尺度有限元模型进行了验证.结果表明:基于子结构方法建立的结构行为一致多尺度模型是有效的.     

大跨桥梁结构以健康监测和状态评估为目标的有限元模拟

通过对桥梁结构健康监测和评估研究现状的简单评述，讨论了结构健康监测和状态评估中的关键理论与技术问题，介绍了笔者近年来在大型桥梁以健康监测和状态评估为目标的结构模拟方面开展的一系列关键理论和技术问题研究；通过对2个大跨悬索桥——香港的青马大桥和江苏的润扬长江公路大桥的有限元建模和模型修正过程，探讨了大跨桥梁结构以健康监测和状态评估为目标的有限元模拟的技术要求、建模方案与策略．研究表明：大跨桥梁以结构状态评估为目标的有限元模拟，必须是建立于衔接理论基础上的多尺度结构模拟．在桥梁结构整体动力响应分析确定了关键损伤构件的基础上，需进一步建立关键构件的局部模型以分析在桥梁结构全尺度有限元模型中无法模拟的细节行为，即发生于焊连接件的局部应力集中和损伤累积行为．     

基于两阶段响应面方法的结合梁斜拉桥多尺度有限元模型修正

以灌河大桥为工程背景,建立了结构精细有限元模型和多尺度有限元模型,并进行全桥环境振动试验,以获取结构的实测动力特性.基于两阶段响应面方法,分别对多尺度模型与精确有限元模型之间的误差和初步修正后多尺度模型与实际结构之间的误差进行修正,并将修正后结果与实测值进行比较.结果表明:经过两阶段响应面模型修正后的计算结果与实测结果吻合较好,最大频率相对误差不超过8%,模态保证准则MAC值基本在90%以上,说明两阶段响应面方法能够较好地进行多尺度模型修正,保证修正后的模型参数仍然具有其物理意义;修正后的有限元模型可以进一步应用于多尺度损伤识别及损伤预后,服务于桥梁健康监测及安全评估.     

基于多尺度模型的斜拉桥钢箱梁损伤分析与识别

以青岛海湾大桥沧口斜拉桥为背景,采用多尺度有限元模型对钢箱梁局部裂缝进行损伤分析和识别.首先,采用小尺度的壳单元和大尺度的梁单元建立钢箱梁的多尺度模型,并根据实际监测数据对整桥模型进行模型修正;然后,对小尺度钢箱梁易损截面进行小损伤模拟,研究断面应变响应的变化规律和损伤敏感性;最后,采用BP神经网络法进行损伤位置和程度识别.分析结果表明:多尺度模型使小损伤模拟与计算效率得到较理想的协调;顺桥向应变对钢箱梁小损伤具有较好的敏感性,应变变化具有显著的局部化特征;基于合理的应变测点布置,采用顺桥向应变的BP网络方法能较好地识别损伤位置及损伤程度,且具有较强的抗噪能力.     

结构损伤一致多尺度模拟和分析方法

以一个重要的大跨桥梁为工程背景,基于非线性有限元分析软件ABAQUS,研究了大跨结构以损伤分析和状态评估为目标的结构多尺度模拟中的一系列关键理论和技术问题,包括多尺度建模方法和策略、基于子结构方法和基于多点约束衔接方法的多尺度建模过程,结构一致多尺度模型的修正和验证,以及应用多尺度模型进行结构损伤分析的方法与策略.研究结果表明,应用所提出的大跨结构一致多尺度建模方法和策略,能够有效地建立适用于实际大跨桥梁结构损伤分析的多尺度有限元模型,满足不同尺度下结构特性分析和局部损伤演化过程仿真计算的需要.而基于多尺度模型进行的局部疲劳损伤累积的仿真分析结果表明,发生于局部焊接细节的疲劳损伤与结构的局部应力响应之间有较大的耦合作用,在结构的多尺度损伤分析过程中应予考虑才能得到比较准确的寿命评估结果.     

主跨1600m自锚式斜拉桥的静力特性分析

以主跨1 600 m的双塔三跨自锚式斜拉桥为基本研究对象,建立有限元分析模型,计算该跨径斜拉桥结构体系在恒载、活载、风荷载以及各种荷载组合下的结构静力响应情况。通过试设计方案的整体结构计算和参数分析,进一步摸清该跨径斜拉桥的静力力学特性,论述该跨径斜拉桥采用常规的双塔三跨自锚式全钢箱梁斜拉桥结构体系的技术可行性。     

基于神经网络修正的结构有限元模型简化

介绍了神经网络修正技术在结构有限元模型简化中的应用，并根据实际工程润扬大桥桥塔的现场实测模态数据对所建的有限元模型进行修正简化．建立了结构物理参数与结构自振频率之间复杂非线性关系的BP神经网络模型，反演仿真数据代入的有限元计算结果与实测结果较为吻合，证实了该方法的有效性．     

润扬大桥结构健康监测策略

对建立大跨桥梁结构健康监测系统的关键问题--大跨桥梁结构健康监测策略进行了分析研究,阐述了大跨桥梁结构健康监测项目的选择依据、传感器优化布设的原则与主要依据、传感器选择的原则等.提出了综合考虑大桥的结构特点和各个方面对系统功能的要求,通过费用-效益比分析,确定长期监测和周期检测内容的项目选择原则.关于传感器的布设,提出了遵循从状态评估的需要出发,以有效和经济为目标,使测点能够发挥最大效应的原则,综合结构安全评估、传感器布设优化理论等因素进行优化布设的方法.在有限元分析的基础上,应用遗传算法进行了润扬大桥结构健康监测系统振动和应变传感器优化布置的理论分析.然后进行了润扬大桥结构健康监测传感器系统的总体设计.     

润扬大桥斜拉桥模态频率识别的环境变异性

为了研究大跨斜拉桥振动特性的环境时变特征,对润扬大桥斜拉桥的实测加速度响应进行了模态参数识别.采用峰值法识别了润扬大桥斜拉桥的主要模态频率,并详细地考察了日常运营条件下实测模态频率的环境变异性.分析结果表明,实际环境条件(交通荷载、环境温度和台风荷载)与斜拉桥实测模态频率存在较为明显的相关关系,主要表现为环境温度的变化对模态频率的影响是长期性的趋势,而交通荷载和风荷载对模态频率的影响则由于荷载的非平稳性呈现瞬时的颤动变化.环境激励下润扬大桥斜拉桥整体振动的模态频率在1天内可以发生约1%～4%的变化,其日平均值在1年中可以发生约1%～2.5%的变化.     

基于最大熵理论的润扬悬索桥桥址极值风速预测

基于最大熵可靠度理论,提出了润扬大桥悬索桥的桥址极值风速预测方法,从而为润扬大桥悬索桥的风效应可靠度评估提供实际的荷载概率模型.根据桥址实测短期风速风向数据,计算了反映桥址气候特征的日最大风速风向频度函数,并计算了统计的桥址风速风向联合概率密度函数曲面.在此基础上采用最大熵法建立了桥址的风速风向联合概率模型,并对润扬大桥悬索桥50年和100年重现期内的极值风速进行了预测.分析结果表明,采用联合概率模型能够较好地描述润扬大桥悬索桥桥址的良态气候风场模式,并且桥址预测的极值风速小于设计风速,说明润扬悬索桥抗风设计时考虑了较大的安全度.     

基于多尺度模型的单层球面网壳结构静力稳定性分析

网壳等大跨度空间结构在实际工程中得到广泛运用,静力稳定性是结构安全分析的重要内容之一。为研究静力荷载作用下网壳结构的稳定性,以单层球面网壳结构为研究对象,基于多尺度有限元建模方法,通过分别采用薄弱区域节点细化模型、薄弱区域杆件细化模型和全梁单元模型对结构在静力荷载作用下的稳定性进行分析。结果表明,杆件细化与节点细化的多尺度模型可以跟踪杆件的局部凹陷和节点变形等,更接近实际,在结构静力稳定性的数值模拟方面具有更高的准确度。     

钢箱单勒系杆拱桥有限元模型计算分析

本文研究钢箱单勒系杆钢箱拱桥有限元计算分析,以正在施工中的白沙河大桥为背景,采用桥梁专用有限元软件MIDAS/CIVIL建立全桥空间模型.计算了最不利工况下的挠度值、应力值,评估其结构的安全性.计算结果表明：该桥在设计荷载下的最大挠度值均小于规范规定值,在荷载组合下的最大应力未超过材料的屈服强度,并具有一定的应力安全储备。