大跨连续钢桁梁桥健康监测系统设计及应用

济郑高铁郑州万滩黄河公铁大桥主桥为(112+6×168+112) m公铁两用连续钢桁梁桥,上层桥面布置双向6车道高速公路,下层桥面布置济郑双线铁路和市域双线铁路,结构体系复杂。为有效掌控该桥运维管养过程中的工作状态,建立健康监测系统,该系统采用现场边缘层、基础设施层、基础平台层和系统应用层4层架构设计。现场边缘层通过传感器模块、数据传输模块、数据采集模块、边缘数据预处理模块实现数据采集、传输及预处理功能;基础设施层通过连接通信模块和中心数据库模块实现数据存储、分析和展示功能;基础平台层通过可视展示模块、实时数据展示模块、视频监控模块及用户终端模块实现可视化功能的GIS、BIM引擎、日志功能、数据库存储等基本功能;系统应用层通过数据智能分析模块、实时预警模块、结构评估模块实现持续升级、实时预警、即时及定期评估功能。基于该系统进行该桥桥址环境、荷载作用、桥梁结构整体及局部响应等监测,监测数据分析表明该桥运营状态良好,健康监测系统运行正常。

新疆达坂城风区顺风向脉动风功率谱

为研究新疆乌鲁木齐所处达坂城风区的复杂脉动风环境,基于实测风场风速数据分析并拟合了该风区的顺风向脉动风功率谱。结果表明:以反比例函数拟合山区峡谷地形平均风速与湍流强度的关系误差较小;山区峡谷地形湍流积分尺度分布较离散,但整体随平均风速的增大而增大;考虑地形系数的Kaimal修正谱在含能区和惯性子区间能较好地表征实测谱,在耗能区选用三参数拟合描述实测谱效果良好;选用过渡函数来描述惯性子区间与耗能区接触区域的功率谱,拟合效果较为理想。可见达坂城风区具有特殊顺风向脉动风特性,以修正谱和拟合谱分段构成的函数模型可用于表征该风区顺风向脉动风功率谱。

大温差地区未铺装钢箱梁温度梯度预测和温度效应

针对乌鲁木齐地区运营8~10年的钢箱梁桥已经出现裂缝的问题,对作为中国大温差地区的新疆乌鲁木齐地区未铺装钢箱梁桥进行温度监测。基于温度监测数据,用函数拟合的方式描述的钢箱梁太阳辐射下顶底板温差最大时的温度梯度分布模式。选用统计学的方法分析计算100年重现期的钢箱梁日照最不利温差标准值并得到最不利温度梯度模式。基于最不利温度梯度模式,利用Midas Fea NX有限元仿真软件进行最不利温度效应的仿真。研究结果表明:钢箱梁在日照作用下同时存在横向和纵向温度梯度。采用统计分析方法得到100重现期的竖向正温差标准值为29.8℃,高于中国相关现行规范线性插值得到未铺装钢箱梁竖向正温差值26℃。按此温度梯度模式作为温度荷载的有限元结果表明,温度作用下钢箱梁的温度应力达到甚至超过正常设计车辆荷载的应力水平。

基于影响矩阵及粒子群算法的斜拉桥自动调索

给出一种基于影响矩阵法和粒子群智能优化算法的调索计算方案,能够针对斜拉桥有限元分析或者施工监控索力计算问题实现自动化的索力调整,以替代冗余反复的计算工作.利用编制的程序,对某斜拉桥有限元模型的索力进行了自动调索,结果表明,该方案可以快速地获得合理的群索初始拉力,并使得相对误差控制在2%以内.该自动调索方法为斜拉桥建模分析和施工监控索力计算提供了一种新的高效解决思路.

结构动力有限元分析的阻尼建模及评价

提出一种统一的阻尼模型的定量评价方法和评价指标,设计一套用于评价各种阻尼模型的标准测试案例。分析工程结构动力学建模过程中几种已有的阻尼模型和一种新的阻尼模型———单元化阻尼比法,给出其各自的程序实现。通过标准测试案例的数值测试,比较这些阻尼建模法的性能差异。结果表明,阻尼特性单元化比总体考虑的阻尼特性更趋合理,而单元化阻尼比法则在控制结构总体模态阻尼比方面具有优势。

结构动力有限元的模态阻尼比单元阻尼建模法

针对工程结构动力学建模过程中几种已有的阻尼模型的不足,提出了一种基于模态阻尼比的单元阻尼建模法,以实现对具有分布式阻尼特性的复杂工程结构的精准动力建模,并提出了一种统一的阻尼模型的定量评价方法和评价指标。通过标准测试案例的数值测试,比较了这些阻尼建模法的性能差异。结果表明,阻尼特性单元化比总体考虑的阻尼特性更趋合理,而单元化阻尼比法则在控制结构总体模态阻尼比方面具有优势,适用于非经典和复杂阻尼情形。

吊索动力特性分析方法与工程应用

吊索作为索承桥梁的重要受力构件,决定着桥梁的承载力和耐久性,研究其动力特性对悬索桥和拱桥的设计和运营维护具有极大意义。首先运用动刚度法(DSM)得到了吊索在任意边界条件下的频率方程,并结合Wittrick-Williams(W-W)算法,提出了吊索振动模态频率精确的计算方法,形成了一套适用于吊索动力特性分析的精细化分析理论;其次利用模型参数退化、文献方法以及有限元建模求解来进行准确性验证;最后通过与明州大桥实测数据对比表明该分析理论在实际工程中具有较好的可行性。该理论体系为吊索动力特性的进一步研究提供了参考,并在一定程度上指导实际工程吊索的设计和监测。

钢筋混凝土结构锈胀裂缝的计算机模拟

根据钢筋混凝土锈胀动力学原理 ,推导出锈蚀钢筋周围混凝土锈胀位移场的表达式 ,并用基于虚拟裂缝模型 (FCM)的非线性有限元方法 ,建立了钢筋混凝土结构的锈胀裂缝开裂过程的分析模型。利用编制的程序 ,对钢筋混凝土构件的锈裂过程进行了计算机模拟 ,结果表明 ,该模型为获得了锈胀开裂条件以及锈蚀量与锈胀裂缝宽度之间的定量关系提供了可能。

基于群索索力相异测度的斜拉桥健康状态评估

基于群索索力的相异测度,提出一套可用于斜拉索索缆承重体系内力状态评估的指标体系.利用桥梁的有限元分析及影响矩阵法,定义了基于极限状态的相异测度指标阈值,并通过蒙特卡罗方法获得这套指标阈值的合理取值.通过该套指标与其阈值体系的比较,建立了斜拉桥整体内力状态的评判方法.利用国内某斜拉桥建成后十年内的斜拉索索力实测资料,用上述方法对该桥进行了健康评估,结果表明了该方法的有效性.

Mamdani型模糊推理系统在桥梁状态评估中的应用

以在线传感器监测信息为基础建立桥梁工作状态空间的表征 ,结合专家经验建立状态空间的评价体系 ,并用Mamdani型模糊推理技术建立基于语言量的桥梁工作状态的在线监测机制 ,从而为桥梁结构健康监测及智能桥梁结构的实现提供一个可行的技术手段 .以某刚构桥模型实验为背景 ,通过整个加载历程中目标点处的同步位移信息来识别整个模型的状态 .结果表明 ,该方法提供了一种建立基于语言描述的结构在线健康监测系统方法 .

在线监测环境下土木结构的模态识别研究

建立在线监测环境下结构考虑时效的模态识别计算方案。采用基于各测点加速度响应互功率谱的频域多参考点模态识别法来实现结构模态参数的抽取,从而绕过了监测环境下激励监测的技术难题;并用频域的平均法使识别参数的拟合曲线平滑和发现参数的变化趋势。通过对美国结构健康监测研究小组公布的Benchmark问题的第一阶段解析模型模拟加速度响应数据的识别,表明本文采用的算法有较好的识别精度和识别速度,是一个可行的在线监测环境下的模态识别计算方案。

阻尼器对频率法拉索索力测量的影响

振动频率法应用于索-阻尼器体系的索力计算会产生较大误差。为了考察阻尼器对频率法拉索-阻尼器体系索力测量精度的影响,采用有限元仿真分析方法,分别研究了阻尼器阻尼系数、安装高度及其刚度等因素对体系频率和索力测量的影响。研究发现,阻尼系数和安装高度对高阶频率影响显著,阻尼器刚度对低阶频率影响显著。在阻尼系数和刚度都大于其对应临界值时,拉索在阻尼器位置处近似铰支,采用修改索长方法可在一定程度上提高索力测量精度。此外,采用拉索的二阶频率可以消除垂度影响,从而改进索力测量精度。

钢筋混凝土构件均匀锈蚀与应力的耦合效应分析

根据钢筋混凝土锈胀动力学及金属力学化学原理 ,分析了在混凝土完好的条件下 ,钢筋应力对锈蚀反应速度的影响。通过计算 。

基于静力的智能桥梁结构智能计算方案的研究

通过对智能土木/桥梁结构环境下的两种基于静力的计算路线的分析比较,给出了一个集神经网络力学反问题解法和有限元力学正问题解法为一体的智能计算方案。该方案旨在建立实时、在线的结构健康监测机制及准实时、在线的结构健康诊断机制。初步的研究表明,该方案是可行的,具有进一步研究完善的必要。

结构损伤有限元建模中的阻尼问题研究

研究了结构损伤有限元建模中的阻尼问题。建议以‘阻尼损伤’的提法表述损伤时阻尼的变异,并在此基础上给出了伴生阻尼损伤和原生阻尼损伤的定义。探讨了几种不同损伤建模路线对阻尼损伤建模能力,并通过数值算例进行了比较。计算还揭示了局部刚度损伤对结构局部阻尼特性、振动能量分布和阻尼耗能行为的影响。结论建议,在进行结构损伤建模时应同时计及刚度损伤和阻尼损伤,并采用合适的损伤建模路线来进行。

智能土木结构理论初探

回顾了有关智能材料结构在土木工程领域的最新进展 ,明确地涵定了智能土木结构的基本概念及其发展过程 ,较为系统地阐述了构成其理论体系的有关内容及问题 ,提出了结构智能化三水准概念及智能土木结构的分类方法 ,建议了今后研究的策略及几个主要方向。

一种推广的互功率谱模态识别法及其在SHM问题中的应用

详细推导了多自由度结构多测点加速度响应的互功率谱模态矩阵展开式。进而给出了未知激励条件下基于各测点加速度响应互功率谱的频域多参考点模态识别法,同文献[1]相比,该法适用于更广范围的激励条件。在频域平均法的辅助下,对ASCESHMBenchmark问题的解析模型仿真加速度响应数据进行识别,结果表明该法有较好的识别精度,是一个有望应用于在线监测环境下的模态识别算法。

应用拉索频率方程修正数值解的索力识别方法

精确测量拉索索力是进行斜拉桥健康监测和工作状态评估的关键。在不考虑垂度、刚度、边界条件等因素的影响的条件下应用振动频率显式公式法识别实际工程中的拉索索力,会造成相当程度的误差。首先,通过对考虑上述条件时的隐式拉索频率方程零根的数值求解,给出了索力和频率的间接计算方法;其次,通过数值仿真,研究了该方法对索振动频率和索力识别误差的规律;最后,在此基础上建立了进一步的经验误差修正公式。实例研究表明,与其他显式公式方法相比,基于频率方程数值解的方法显著提高了识别精度,在此基础上进行的经验误差修正,可进一步大幅提高索力索频的识别精度;与有限元模型修正法相比,建议的方法计算耗时更小。

拉索-阻尼器体系振动索力测量法研究

拉索索力的精确测量是索类结构健康监测的一个重要内容。由于阻尼器的存在,已有的不考虑阻尼器的索力识别方法在测量拉索-阻尼器体系索力时精度将受到影响。利用Steffensen不动点迭代法对的拉索阻尼器系统的频率超越方程进行求解,进而给出了一种新的考虑阻尼器因素的索力识别方法,并给出了该方法和其他三种方法在识别拉索阻尼器系统索力时的相对误差表达式。通过数值仿真,研究拉索参数和阻尼器参数对各方法的影响,比较了各方法的相对误差范围。研究表明,基于频率超越方程数值解法的索力识别方法是进行拉索-阻尼器系统索力识别时的最佳选择。

基于实测的脉动风随机幅值谱模型

风荷载建模问题是结构抗风设计和安全评估的关键,已有规范给出的脉动风功率谱密度函数很难全面反应原始随机过程的概率信息,为此,根据量纲分析给出脉动风幅值谱的一般化表达形式,并结合某桥的实测风速数据的谱估计,给出Davenport形式的随机幅值谱模型,并采用PSO(partical swarm optimization)算法估计该模型的参数,最后给出该模型的3种具体使用方式.与实测风幅值谱的统计特性进行对比,表明提出的随机脉动风幅值谱模型能真实描述当地风场概率统计特性,可以提高该桥所在地区风荷载的建模精度.