面向结构安全评估的大跨斜拉桥基准有限元模型

探讨了以结构安全评估为目标的大跨斜拉桥基准有限元模型建立与修正的策略与方法.采用基于灵敏度分析的模型参数修正方法建立并修正了润扬大桥斜拉桥的整体动力分析模型.在此基础上建立了扁平钢箱梁的局部应力分析模型,并采用子模型方法进行钢箱梁整体尺度与局部尺度之间的跨尺度衔接.分析结果表明,润扬大桥斜拉桥多尺度有限元模型的计算结果与实桥测试结果吻合良好,说明该多尺度模型能够较好地满足桥梁结构损伤诊断与状态评估的技术要求,可以作为该桥结构安全评估的基准有限元模型.     

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.     

钢管砼系杆拱桥模态参数识别及有限元仿真

以宁杭南河特大桥主桥-钢管砼系杆拱桥为背景工程进行成桥的动态试验,利用环境激励下桥面的动力响应数据进行全桥的动力特性参数识别,采用PDV100激光测振仪测得拱桥的吊杆内力.基于ABAQUS建立整幅桥梁的三维有限元模型,结合所识别的桥面模态参数以及测得的吊杆内力,对钢管砼系杆拱桥的有限元模型进行修正.研究结果表明:经修正后的模型能更准确地反映结构的动力特性,可作为桥梁结构健康监测中损伤识别与安全评估研究工作的基准模型.     

考虑边界条件约束和参数灵敏度的斜拉桥有限元模型修正

为了给五河口斜拉桥的桥梁健康监测提供一个基准的有限元模型,利用环境振动激励对斜拉桥进行了模态试验,得到了五河口斜拉桥模态参数测量值.根据设计图纸,建立精细、参数化的斜拉桥有限元模型,进行了模态分析,并将试验测量值和有限元分析值进行了匹配.对模型修正参数进行了灵敏度分析,选择了那些对目标函数和状态变量比较敏感的参数,尤其是边界条件,参与模型修正.研究表明,基于环境振动得到的模态试验测量值反映了建成后的五河口斜拉桥基本动力特性,有限元分析结果和模态试验结果匹配时出现错位,对参数施加了约束后,修正后的有限元模型更加接近实际结构,各参数修正后的物理意义明确.边界条件刚度应当作为修正参数,其修正结果反映了桥梁的实际情况.     

基于遗传算法的斜拉桥基准模型参数修正方法

健康监测对于斜拉桥结构全寿命的安全使用十分重要,而使用传感器采集斜拉桥数据进行健康监测存在盲区.结合Benchmark模型对桥梁结构进行监测,能够在给定状态下,比较和评价不同的健康监测方法标准,对桥梁的设计、运营以及管养等方面有重要意义.本文基于背景工程,提出用于斜拉桥结构健康监测的基准模型.首先,使用Matlab建立斜拉桥的鱼骨梁简化有限元模型,并建立斜拉桥的板壳单元精细模型,作为简化补充模型和模态矫正模型;其次,采用正交试验设计,对建模过程中的待修正参数进行斜拉桥动力特性参数的显著性分析;最后,基于遗传算法对模型参数进行修正,提出了动态自适应技术和并列选择的方法优化遗传算法结构,干涉遗传选择过程,并赋予初始种群更高的离散性,与调用GA函数的方法对模型进行修正进行比较,验证了改进后的遗传算法具有更高的计算效率,模态参数误差较小.     

基于动力的石拱桥有限元模型修正

利用大型通用软件ANSYS,以国道319线苏家坡桥为例阐述基于动力的加固前后石拱桥有限元模型建立及模型修正的过程.首先介绍加固前后苏家坡桥的环境振动试验与模态参数识别,然后介绍加固前的石拱桥有限元建模及基于动力的模型修正过程,最后介绍加固后该桥的有限元模型修正.结果表明,加固前后的有限元模型计算和实测动力特性能够吻合良好,所建立的有限元模型可以用于桥梁的静动力计算.     

基于多尺度模型修正的结合梁斜拉桥损伤识别方法

以灌河大桥为工程背景,提出了基于多尺度有限元模型修正的结合梁斜拉桥损伤识别方法.首先基于现场环境振动试验结果和两阶段响应面方法对初始多尺度模型进行修正,并将修正后模型定为原始未损伤状态;进而,利用多尺度模型修正方法对结构不同部位不同程度的损伤进行识别,并探讨了模态曲率损伤指标和单元模态应变能损伤指标对不同结构尺度损伤的敏感性.分析结果表明:在不考虑噪声干扰情况下,模态曲率和单元模态应变能指标对精细小尺度单元区域主梁微小(1%)损伤均较为敏感,可识别出结构的损伤位置,而对大尺度单元区域的损伤敏感性略低;在考虑噪声干扰情况下,精细小尺度单元区域比大尺度单元区域在损伤识别方面的抗噪性更好,且模态应变能损伤指标的抗噪性略优于模态曲率损伤指标.故而提出的多尺度建模及其损伤识别方法具有应用到实际工程中微损伤识别的潜力,并为大跨结构损伤预后奠定了基础.     

基于环境振动测试的钢筋混凝土渡槽空腹桁架拱有限元模型修正

为评估某钢筋混凝土渡槽一空腹桁架拱的现役状态,在静力检测的同时对其进行环境振动测试,采用特征系统实现算法识别模态参数,结果表明其实测动力特性与初始有限元模型分析结果之间存在明显的差异.因此,采用基于灵敏度分析的有限元模型修正技术,选择测量精度较高的实测模态频率作为修正基准,选取各构件的弹性模量和密度作为修正参数,对该桁架拱的有限元模型进行修正.修正结果表明,修正后的有限元模型能更好地反映结构的动力特性,可作为该结构状态评估的基准有限元模型.     

安庆铁路长江大桥基准动力有限元模型研究

文章探讨了大跨度斜拉桥建模中的几个关键问题,即初始平衡构型、斜拉索垂度效应、恒载几何非线性和正交异性桥面板简化,为安庆铁路长江大桥的基准动力有限元模型的建立提供指导;介绍了该桥的现场环境振动试验以及峰值法和随机子空间法的模态参数识别结果。安庆铁路长江大桥有限元模型动力特性的计算结果与实测结果吻合很好,表明建立的有限元模型可作为该桥的基准动力有限元模型。     

大型土木结构多目标一致逼近有限元模拟方法

阐述了大型土木结构多目标一致逼近模拟中的3个关键问题,即多目标一致逼近有限元模型的建立、单目标多因素同时修正技术及多目标多因素同时修正技术,并从多目标一致逼近模拟的特征和需求等方面来探讨多目标一致逼近模拟策略.重点阐述了多目标一致逼近模拟的建模过程,即如何建立多目标一致逼近有限元模型使之能够同时满足结构损伤分析和状态评估过程中的多目标模拟和结构行为一致多尺度模拟的需求.为考证多目标一致逼近模拟方法的可行性,以焊接钢桁架结构为研究对象,具体阐述了该结构包括一级模拟目标(动力特性)、二级模拟目标(整体名义应力)和三级模拟目标(局部热点应力及其分布规律)的多目标模拟过程.研究结果表明:钢桁架结构多目标一致逼近有限元模型的模拟结果均好于多目标模拟有限元模型,尤其是三级目标的模拟更加准确.     

桥面构造及铺装层对正交异性钢桥面板力学性能的影响

为研究桥面细部构造和桥面铺装对正交异性钢桥面板力学性能的影响,确定合理的构造,以梯形及矩形截面形状的纵向加劲肋与多种缺口形式的横隔板相组合形成正交异性钢桥面板结构体系,并铺设不同厚度、不同弹性模量的沥青混凝土铺装层,建立相应的有限元实体模型进行加载,分析纵向加劲肋截面形状、横隔板缺口形式及铺装层弹性模量和厚度对正交异性钢桥面板力学性能的影响规律。结果表明:加劲肋上口间距越小,改善桥面板受力性能越明显,其中加劲肋B(梯形加劲肋侧板与底板采用圆弧连接)受力性能较好,且用料少;缺口Ⅰ、缺口Ⅲ的应力集中情况好于缺口Ⅱ,因此应合理选用缺口Ⅰ和缺口Ⅲ,但缺口Ⅲ需要优化;顶板与纵向加劲肋连接处应力高,为力学性能敏感区域;铺装层弹性模量增加,钢桥面板最大主应力减小,铺装层厚度增加,钢桥面板和沥青表面最大主应力均减小,因此铺装层弹性模量与厚度要综合设计,以使钢桥面板受力性能最优。     

正交异性钢桥面板横隔板挖孔型式

为提高正交异性钢桥面板的抗疲劳性能,建立了4种常用横隔板挖孔型式的精细化数值分析模型,并通过足尺钢桥面板静力试验,校准了隔板挖孔细节的有限元模型。通过有限元参数分析,讨论了横隔板挖孔型式和几何尺寸对挖孔处应力分布的影响。数值分析结果表明,Haibach孔和圆形孔的分析点应力分布较合理,挖孔自由边的半径是影响其应力分布的主要因素。基于数值分析结果提出了改善钢桥面板挖孔应力的有效措施,为钢桥面板抗疲劳设计提供了技术依据。     

桥面铺装对钢桥面板疲劳应力幅的影响

钢桥面板厚度小,铺装层的相对刚度较大,钢桥面板疲劳设计时,应该考虑铺装层与钢桥面板的共同作用。假设桥面铺装与顶板没有相对滑移,采用有限元方法探讨了桥面铺装弹性模量和厚度对正交异性钢桥面板疲劳应力幅的影响。     

正交异性钢箱梁桥面第二体系结构优化设计

在力学分析的基础上,建立了正交异性钢箱梁桥面铺装体系的力学模型,通过有限元计算,研究了正交异性钢桥面板铺装体系的力学特性。从铺装层厚度、材料、横隔板间距、钢板厚度以及梯形加劲肋刚度等方面,探讨了在弯沉值、应力、应变等约束条件下正交异性钢箱梁桥面第二体系的优化设计方法,给出了正交异性钢桥板各个参数的合理数值界限,将本文的结果与已建成的同类型桥相比较可知,本文的设计结果合理,可作为大跨径钢箱梁桥面板的依据。     

基于精细有限元法的车致大跨度斜拉桥整体及局部振动研究

为研究列车-大跨度板桁结构斜拉桥耦合振动引起的整体与局部振动响应问题,提出了基于车-桥耦合动力学的数值分析方法.首先建立桥梁结构精细化三维有限元模型,并由直接刚度法建立桥梁子系统动力方程;列车采用31自由度刚体动力学模型,轮轨之间分别采用赫兹非线性接触模型和非线性蠕滑力模型计算法向力和蠕滑力;利用自主开发软件TRBF-DYNA开展车-桥耦合系统加速度、动位移以及动应力分析.以主跨406m的三塔斜拉桥荆岳铁路洞庭湖大桥为研究对象,开展了不同行车线路、不同车速以及不同轨道不平顺条件下的耦合系统动力响应分析,研究了桥梁整体和局部动力响应,以及列车运行安全性指标和乘坐舒适性指标的变化规律.结果表明:正交异性钢桥面板的局部动力响应远大于钢桁架主梁;大跨度斜拉桥的动力系数较小,受车速和轨道不平顺谱的影响较小;钢桁架主梁下弦杆和腹杆处于高周疲劳应力工作状态,在疲劳性能研究中需要特别关注;设计速度条件下,桥梁动力响应指标以及列车运行安全性和舒适性指标均满足规范要求.     

车辆荷载下钢箱梁沥青混凝土铺装受力分析

本文参照实际工程中钢桥面沥青混凝土铺装疲劳开裂这一主要破坏形式,应用有限条分析方法,构建计算模型,通过模拟车辆在桥面纵、横向的不同加载位置,计算沥青铺装层上表面的应力应变,继而讨论钢桥面几何正交异性特性对沥青铺装层的影响,得出与工程实际相符的结论,为合理确定钢桥面沥青铺装层的结构提供理论参考。     

新型正交异性桥面板疲劳性能分析

为了减少传统正交异性板的疲劳损伤以及提高其抗疲劳特性,邓文中院士提出了一种新型的正交异性板截面型式．文章主要以这种新型的桥面板为研究对象,通过有限元软件分析计算,可知其疲劳性能优于传统正交异性板．     

基于小波包能量谱的大跨斜拉桥拉索损伤预警方法

为了实现对大跨斜拉桥拉索损伤的有效预警,将小波包分析应用于结构损伤预警中.在基于小波包能量谱的结构损伤预警理论的基础上,提出了大跨斜拉桥拉索损伤的预警方法,并以润扬大桥斜拉桥为例,研究了这种方法的损伤适用性和损伤敏感性.数值分析结果表明,与频率等动力参数相比,采用基于小波包能量谱的结构损伤预警指标能更有效地发现大跨斜拉桥拉索的早期损伤,且通过对多测点损伤预警指标的分析与比较能初步实现拉索的损伤定位.可见,该结构损伤预警方法具有实用性,对结构损伤定位亦有帮助.     

基于有效缺口应力法的正交异性钢桥面板疲劳评价

为验证有效缺口应力法在正交异性钢桥面板疲劳评价中的适用性,开展了横隔板弧形切口2种不同过渡形式的局部应力研究.采用Ansys分别计算U肋与横隔板连接处焊趾和焊根处的有效缺口应力,并加以比较,表明焊趾处更易萌生裂纹.采用S-N曲线评估其疲劳寿命,表明有效缺口应力法可以应用于正交异性桥面板的疲劳评价.有限元分析假定缺口的真实半径为0,这可能导致试验结果的保守性.基于不同U肋厚度的比较,发现U肋厚度的增加将导致U肋与横隔板端焊缝处更易产生疲劳裂纹.相关研究结果可为正交异性钢桥面板的设计和疲劳评价提供参考.