详情

原文传递大跨悬索桥面向结构健康监测的有限元模拟研究

论文题名：	大跨悬索桥面向结构健康监测的有限元模拟研究
关键词：	悬索桥;重力刚度;静力分析;有限元模型;结构健康监测
摘要：	大跨悬索桥是土木工程中跨越能力最强的结构形式，是主跨1000m以上桥梁的首选桥型。悬索桥因体量巨大、结构复杂，常采用经过简化后的平面或空间杆系模型，以满足设计阶段的计算需求。但是，结构健康监测需要在有限元模型上准确模拟桥梁实际运营荷载，以及精细分析结构构件的局部应力分布、关键构件的应力集中与疲劳累积过程等，因而需要一个能真实还原悬索桥空间构形的有限元模型。从受力本质上而言，大跨悬索桥属于悬挂体系，恒载作用所产生的“重力刚度”对计算分析有着重要的影响，同时具有突出的几何非线性受力特征。在对大跨悬索桥进行有限元模拟时，需要把握这些受力特征的本质，同时需要依据成桥试验的实测结果对模型进行相应的修正和验证，以反映桥梁结构在服役前完好状态时的结构性能。本文以润扬悬索桥为对象，详细地给出了大跨悬索桥面向结构健康监测有限元模拟的方法和步骤，并就其中的关键技术问题进行了探讨和研究，取得了一些有意义的结论： (1) 针对杆系模型的不足，在对扁平钢箱梁进行模拟时采用仅仅简化其加劲肋的方法，运用正交异性板壳单元进行等效。这样不仅还原了悬索桥主梁的空间构造，而且方便对各个组成构件进行细致的分析，以满足结构健康监测系统的需要。 (2) 给出了悬索桥成桥状态时缆、索、梁空间位置(即成桥状态初始构形)以及缆、索构件内力(单元初应变)的确定方法，并指出这一初始构形是悬索桥所有后续动力特性分析、静动力响应分析的起点平衡位置。成桥状态的确定过程，其实质是恒载作用下的静力分析，作为后续所有计算分析的起点，体现了大跨悬索桥“重力刚度”的重要影响。 (3) 讨论了桥塔结构动力模型修正的方法。在有限元模型误差来源分析的基础上，给出了模型阶次误差、结构误差和参数误差的分层次修正方法。研究表明：桥塔各构件线性离散所引起的阶次误差较小；桥塔结构的有限元模型必须考虑梁柱节点刚性区域的影响；参数修正基于贝叶斯估计以低阶实测频率为动力修正基准，高阶实测频率的结果验证了修正后模型的准确性。 (4) 考虑“重力刚度”的影响对润扬悬索桥进行了模态分析。以悬索桥成桥状态初始平衡位置为起点、具有初应力的模态分析，是悬索桥区别于其它桥梁结构形式模态分析的特点。同时，为反映大跨悬索桥成桥后的真实结构性能，以模态试验的实测结果为依据对有限元模型的边界条件进行了修正。 (5) 以润扬悬索桥竣工静动载试验的实测结果为参照，对本文建立的有限元模型进行了模型验证。同时，建立了钢箱梁局部构件尺度的精细模型，采用子模型法与本文的整体尺度模型进行衔接，计算了车辆荷载作用下的钢箱梁局部应力响应，与静载试验结果的比较验证了该方法的有效性。
作者：	刘毅
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	李爱群
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文