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原文传递结构多尺度一致模拟中的多目标多因素修正技术及应用

论文题名：	结构多尺度一致模拟中的多目标多因素修正技术及应用
关键词：	模型修正;大跨悬索桥;焊接钢桁架结构
摘要：	大型土木结构健康监测与状态评估是当前结构防灾研究领域与工程应用的热点与前沿问题。在结构健康监测的系统设计、传感器优化布设和结构状态评估与损伤检测过程中，都需要对结构响应状态进行多级尺度空间的有限元模拟，因此，建立能够同时提取结构整体、关键构件和局部焊接细节响应信息的多尺度一致逼近模拟的有限元模型具有非常重要的意义。本文主要研究了大型土木结构多尺度一致逼近模拟的建模策略以及基于结构多尺度一致逼近的多目标多因素模型修正技术，采用含焊接细节的大跨桥梁结构纵向钢桁架结构的多目标模拟和模型修正的系列试验结果对研究结果进行详细考证，并将理论研究得到的结构多尺度一致逼近建模策略和基于该策略的多目标多因素模型修正技术应用到润扬南汉悬索桥工程中。完成的研究工作与成果包括： 1.针对大型复杂土木结构在施工监控、竣工试验及运营阶段结构健康监测和状态评估中多目标有限元分析的需要，对基于子结构方法的结构行为一致多尺度模拟技术进行了改进，使得大型土木结构包括动力特性、静力响应和动力响应的结构行为模拟均可以在多尺度一致逼近有限元模型上进行，在同一模型上可同时提取结构整体响应、局部关键构件及焊接细节的响应特征及进行多目标模型修正。通过对焊接钢桁架结构多尺度一致逼近有限元模拟结果与相应的测试值进行对比分析，研究发现：就计算效率而言，多目标模拟有限元模型和多尺度一致逼近模拟有限元模型均高于传统的单一尺度下的壳单元模型；就计算精度而言，无论对于结构整体动力特性(一级模拟目标)、结构整体静、动力响应(二级模拟目标)还是关键构件的焊接细节部位热点应力(三级模拟目标)，多尺度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。 2.针对大型复杂土木结构多尺度一致逼近模拟及模型修正中的关键问题，从修正因素选择、目标函数建立及修正结果的验证三个方面着手研究，对基于灵敏度分析的传统模型修正方法进行改进，提出了大型土木结构基于多尺度一致逼近模型的多因素同时修正技术。以焊接钢桁架结构多目标模拟及模型修正试验的各级目标测试值为逼近目标，考虑焊缝缺陷和边界约束参数两类修正因素，研究了考虑局部细节特性的土木结构多因素同时优化技术对结构原型的复现和对结构响应的预测能力。研究结果表明：综合考虑修正效果和修正效率，在对同一结构各级模拟目标进行模型修正时，应首选多因素同时修正技术对该结构多尺度一致逼近有限元模型进行修正；采用多因素同时修正技术对各级目标进行修正后的有限元模型可以用来准确复现和预测该级修正目标下的其它工况。 3.为更好地解决大型复杂土木结构多尺度一致逼近模拟精度及模型修正效果的问题，提出了大型土木结构基于多尺度一致逼近模型的多目标多因素同时修正技术。并以焊接钢桁架结构多目标模拟及模型修正试验的各级目标测试值为逼近目标，从目标函数的建立和约束条件的确定、非劣解中寻求最优解等方面研究焊接钢桁架结构的多目标多因素模型修正。研究结果表明：多目标多因素模型修正的结果与各级目标所占的权重有关，采用相似接近度法从非劣解中寻找最优解的过程，实际上也是确定结构各级目标权系数的过程；采用多目标多因素模型修正技术修正后的有限元模型的一级目标、二级目标和三级目标的计算精度均能满足工程需求，采用相似接近度法从众多非劣解中得到的解是针对该非劣解集的最优解。 4.将对结构行为一致多尺度模拟技术进行改进得到的大型土木结构多尺度一致逼近模拟有限元建模策略应用到大跨悬索桥，建立了面向健康监测和状态评估的润扬南汊悬索桥结构多尺度一致逼近模拟有限元模型。所建立的润扬南汊悬索桥多尺度一致逼近模拟有限元模型具有结构多尺度、一致分析的模型、多尺度一致逼近等特点，不仅表现为可在同一有限元模型上能够计算提取结构整体特性、关键构件内力信息以及诸如焊连接细节部位的热点应力信息，而且还可在同一模型上同时实现结构动力特性、静力响应和动力响应的分析。对润扬南汊悬索桥结构多尺度一致逼近模拟有限元模型和传统子模型法有限元模型各级目标计算结果与实测值进行了对比分析。研究结果表明，当分析目标为桥梁结构细部(如焊接细节附近)的热点应力分布且必须考虑桥梁结构的时变性与动荷载时，只有使用本文建立的结构多尺度一致逼近模拟有限元模型才能得到正确的计算结果。 5.研究了结构多尺度一致逼近的多目标多因素模型修正技术在润扬南汊悬索桥多尺度一致逼近模拟初始有限元模型修正中的应用。通过应用研究考证了多目标多因素模型修正技术在修正实验室焊接钢桁架结构时得到的结论用于大跨桥梁工程结构时的适用性，同时在应用研究过程中总结得到大跨桥梁结构多目标多因素模型修正时的特性。研究结果表明：对诸如润扬南汊悬索桥之类的大跨桥梁结构进行多目标多因素模型修正时，其初始有限元模型必须是多尺度一致逼近有限元模型，并且必须事先对其组成部分的有限元模型进行局部修正。
作者：	王春苗
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	李兆霞
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文