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原文传递基于有限元模型修正的斜拉桥健康监测系统阈值分析

论文题名：	基于有限元模型修正的斜拉桥健康监测系统阈值分析
关键词：	大跨度斜拉桥;有限元模型修正;健康监测;动力荷载试验;成桥静力;非线性效应
摘要：	由于具有超强的跨越能力和出色的自身优点，斜拉桥日益向大跨度方向迈进，中国苏通长江公路大桥是世界跨径最大的斜拉桥，其主跨已达到1088 m。大跨径斜拉桥结构若采用单一的混凝土梁或钢梁，边跨墩顶都会产生负反力，且塔顶和主跨会产生过大的偏移及挠度，因此产生了混合梁斜拉桥结构，边跨混凝土主梁不但起到压重、增加全桥整体刚度及直接参与受力的作用，而且能显著降低工程造价。同时为适应水文、地质、地形(包括水底地形)等条件，斜拉桥索塔的高度有时建造得不一致，还给人错落有致的映象，能增加桥梁的动感和美学特色，但这样也会破坏结构的对称性。显然地，大跨度高低塔混合梁斜拉桥的静、动力特性会更加复杂。　　本论文结合荆岳长江公路大桥这一大跨度高低塔混合梁斜拉桥，使用MIDAS/CIVIL软件建立全桥的初始空间有限元模型，利用成桥静力和动力荷载试验对该有限元模型进行验证和必要的修正，使其为结构长期健康监测系统提供运营阶段的预警阈值。论文的具体研究工作包括以下三个方面：　　 (1)针对大跨度混合梁斜拉桥的显著的非线性效应，首先介绍了对大跨度混合梁斜拉桥进行非线性分析时需注意的问题及模型应满足的要求，以及介绍了确定斜拉桥合理成桥状态的几种典型方法，包括零位移法、弯曲能量最小法、连续梁法、影响矩阵法，其中对最小弯曲能量法和影响矩阵法的基本原理和公式进行了重点介绍和推导。遵循前面介绍的建模要求，建立了荆岳长江大桥的空间有限元模型，采用影响矩阵法，以塔顶水平位移和主梁竖向位移为约束条件，计算得到了最优索力，与荆岳桥设计方给出的目标索力值相比误差平均小于5％，从而获得了荆岳长江大桥的合理成桥状态。　　 (2)以荆岳长江大桥通车前的现场静载试验为基础，将各个荷载工况实测的主梁变形、部分斜拉索索力及主梁截面应力与有限元模型计算值比较，实测值与计算值吻合良好，验证了荆岳长江大桥完整的三维有限元模型可以准确地反映其在静荷载作用下的力学行为，表明初始有限元模型中结构物理参数和刚度基本上不需修正；接下来充分利用荆岳桥的全桥动力特性试验，通过实测模态结果与有限元模态计算结果对比，对初始有限元模型的边界条件参数进行修正，修正后的有限元模型能真实体现荆岳桥结构的动力特性，能够反映荆岳桥在运营前未有损伤情况下结构的真实行为，为其长期健康监测和运营阶段状态评估提供可靠的计算基准，可作为该桥的基准有限元模型。　　 (3)以修正后的荆岳长江公路大桥有限元模型为基础，全面施加运营阶段阈值计算所需的荷载，通过不同的荷载工况组合，评估运营阶段的结构状态，表明荆岳桥在运营阶段结构处于良好的工作状态。再以荆岳桥健康监测系统的预警报警系统级别为基础，给出结构健康监测系统典型传感器测点的阈值，为其长期健康监测系统提供了有效的报警依据，为更深入研究大跨度混合梁斜拉桥结构损伤识别提供了参考标准。
作者：	苗润池
专业：	工程力学
导师：	谢官模
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文