建立斜拉桥基准有限元模型的新方法与实现

在进行斜拉桥监测与检测研究时,为了建立准确而可靠的基准有限元模型,使其索力、位移等趋于监测或检测结果,需进行模型修正工作,但各种模型修正方法多数需要进行迭代运算,不仅计算工作量巨大,而且有时难以实现预期目标。针对这一问题,提出了一种使用Ansys与Matlab软件,利用影响矩阵和优化算法相结合进行模型修正的新方法。该方法不需要迭代,可获得索力、位移等参数,且与实测值相吻合。通过实例对该方法进行了验证,证明了该方法可行并易于实现。

大跨悬索桥面向结构健康监测的基准有限元模型

为描述大跨桥梁服役前完好状态时的结构性能,建立了润扬悬索桥面向结构健康监测的基准有限元模型。首先,探讨面向健康监测需求、建立适度精细基准模型的目标,提出了采用正交异性壳单元等效钢箱梁的建模策略。然后,就钢箱梁的简化模拟、桥塔的动力模型修正、成桥状态初始构形及内力的确定、主梁边界条件的确定和钢箱梁局部应力分析等关键技术问题进行了详细的研究。最后,对所建立的基准有限元模型采用润扬悬索桥成桥试验的实测结果进行了验证。结果表明,该基准模型能从整体结构尺度与局部构件尺度两个方面准确地模拟结构的实际性能,从而为润扬悬索桥的损伤识别与状态评估提供了可靠的结构描述与分析依据。

大跨径连续刚构桥安全性评估的基准有限元模型

以八尺门连续刚构桥为背景,结合其健康监测系统,探讨监测数据处理和安全性评估通常值、限值确定方法。基于健康监测进行该桥有限元模型动力修正和模型验证,得到该桥基准有限元模型;利用基准有限元模型确定桥梁安全性评估安全阈值。结果表明:该桥监测系统能满足桥梁健康监测和安全评估基本需要,基于健康监测长期统计通常值确定方法和基于基准有限元模型的安全阈值确定方法可为健康监测系统设定安全预警值提供依据,满足桥梁安全性评估要求。

既有铁路钢桁梁桥基准有限元模型建立与验证

为了评估既有铁路钢桁梁桥的工作状态和使用安全,需要建立能够精确模拟结构目前状态的有限元模型。以南京长江大桥为例,根据灵敏度的物理意义,从简单实用的角度出发,充分利用现有的大型有限元分析程序,以结构设计参数为修改参数,以结构自振频率为目标函数对初始结构有限元模型进行修正,最后以结构主要杆件应力时程响应为验证参数建立了能够表征该桥目前状态有限元基准模型,为大桥的状态和疲劳寿命评估提供了科学基础。

基于桥梁基准有限元模型的列车—桥梁空间耦合振动分析

以武汉天兴州公铁两用大桥为研究背景,基于大桥通车前环境振动试验得到的模态识别参数对依据设计图纸建立的桥梁初始有限元模型进行修正,建立反映桥梁真实动力行为的基准有限元模型。基于该基准有限元模型,建立大桥列车—桥梁空间耦合振动方程,采用模态综合法,进行单线行车、双线并行和双线对开工况下的列车—桥梁空间耦合振动分析,并对车辆运行的舒适性和安全性进行评估。结果表明,在上述各工况下,列车通过该桥时,车辆的各项动力学性能指标值均满足规范规定要求,列车行驶的安全性和平稳性均较好;桥梁中跨跨中最大横向位移为1.52 cm,最大竖向位移为10.5 cm,相应的竖向、横向挠跨比分别为1/4 800和1/33 158,均满足铁路桥梁检定规范要求,说明该桥具有足够的横向和竖向刚度。

考虑温度影响的结构损伤识别基准有限元模型

介绍了一种基于遗传算法、考虑温度影响的结构损伤识别基准有限元模型建立方法。首先,认为材料(如混凝土)的弹性模量与温度相关,确立了弹性模量和温度的关系模型。然后,基于Matlab建立了一个简支梁的有限元模型,并采用遗传算法进行了4种工况下无温度模型和温度模型的损伤识别,发现无温度模型将温度变化误识别为损伤,而温度模型在不同工况和温度下均能很好地识别出损伤位置和程度,可作为基准有限元模型。随后研究了该文方法的抗噪能力,发现在不同噪声水平下,对于随机噪声和不太高的高斯白噪声具有较强的鲁棒性。最后建立了简支梁试验室模型,进行了振动测试,建立了考虑温度影响的、可用于后续损伤识别的基准有限元模型。

框架结构基准有限元模型的理论及试验

讨论了框架结构基准有限元动力分析模型,给出了基于振动试验结果建立钢结构框架基准有限元模型的步骤.首先讨论了优化算法的基本原理,随后介绍了优化算法中的两种基本算法,零阶算法和一阶算法,最后通过一个钢结构框架的实例,验证了基于优化算法建立有限元基准模型的有效性.经振动试验结果验证的框架结构有限元基准模型,反映了框架结构的真实动力行为,可作为该框架结构各种复杂响应分析、健康监测以及损伤识别的基准.

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。

V型拱塔斜拉桥状态评估基准有限元模型研究

为研究得到桥梁状态评估的基准有限元模型,首先开展了荷载试验,然后采用模型修正技术,联合运用荷载试验中获得的挠度与频率对V型拱塔斜拉桥进行了模型修正与验证,并利用荷载试验中获得的其他实测参数(如其他工况中的挠度与模态振型)对修正后的有限元模型进行了校验。研究结果表明:修正后的有限元模型各测点挠度与频率的理论值与实测值吻合良好,整体变化规律相同,实测与理论模态振型的相关性较好,修正方法是正确可行的,修正后的有限元模型能够准确真实地反映桥梁结构当前状态下的实际受力情况,可以作为桥梁状态评估的基准有限元模型。

连续刚构桥动力特性参数识别与有限元模型修正

以东营黄河公路大桥——大跨预应力混凝土连续刚构桥为对象,首先利用ANSYS建立了全桥的三维有限元模型并进行了理论模态分析;并应用频率分解方法(FDD)和特征系统实现算法(ERA)分析了该桥所安装的健康监测系统采集的加速度响应数据,进行了桥梁动力特性参数识别;最后,在所建立的初始有限元模型和识别的实际桥梁动力特性参数的基础上,采用模型修正的方法,得到了该桥修正的有限元模型。研究结果表明,通过该桥监测系统采集的加速度数据可以较好地识别其模态参数,所识别的模态参数可作为结构动力特性修正的依据;修正后的有限元模型能更真实地反映结构的动力特性,模型修正的结果较好地反映了实际桥梁的物理特性。该模型可以作为该桥梁长期健康监测与状态评估的基准模型。

池州长江公路大桥基准动力有限元模型研究

文章以池州长江公路大桥——主跨828 m的双塔非对称混合梁斜拉桥为工程背景,建立该桥的三维有限元模型。通车前进行全桥环境激励试验,采用峰值法和随机子空间法进行模态参数识别。探讨了混合梁斜拉桥建模中的几个关键问题,即初始平衡构型的确定、几何非线性在有限元中的实现和初始有限元模型的调整,为该桥梁基准动力有限元模型的建立提供指导。池州长江公路大桥有限元模型动力特性计算结果与实测结果吻合良好,表明建立的有限元模型可以作为该桥的基准动力有限元模型。

独塔单索面自锚式悬索桥基准有限元模型

以某独塔单索面自锚式悬索桥为工程背景,结合其外观检查、结构检测、静动载试验成果,采用基于敏感参数分析的子结构有限元模型修正方法建立了基准有限元模型并进行了验证。

基于监测数据的桁架拱桥有限元模型修正

桥梁在其运营期内遭受各种不利的影响,其结构的安全性成为桥梁运营管养的关键。近年来,随着电子技术的发展,桥梁健康监测系统得以广泛应用,而在桥梁的健康监测与健康评估过程中一个能够准确反映桥梁特性的基准有限元模型成为关键。基于某桁架拱桥的健康监测系统的振动监测数据,对建立的初始有限元模型进行修正,得到更符合桥梁真实状态的基准有限元模型[1]。

在役T构桥梁的有限元模型修正

有限元模型修正是建立精确的基准有限元模型的基础。以在役T构桥梁——324国道乌龙江大桥为工程背景,利用ANSYS软件建立了全桥结构的三维有限元模型,进行了结构静、动力数值模拟分析,并与实测结果进行了比较;结果表明,未修正的有限元模型计算结果与实测结果存在较大误差。通过参数灵敏度分析,确定了对桥梁结构静、动力特性影响均较大的参数;采用零阶和一阶算法,基于自振频率与静力挠度组合的目标函数,对乌龙江大桥有限元模型进行了修正。修正后的有限元模型能较真实地反映结构的实际状态,可作为该桥梁长期健康监测与状态评估的基准有限元模型。

基于桥梁健康监测的有限元模型修正研究现状与发展趋势

为了提高有限元模型修正技术的建模精度,从模型修正的对象、信息来源和其他方法3种分类方法出发,系统阐述各种有限元模型修正方法的原理,梳理各种方法的脉络关系及技术演变;从理论研究和桥梁健康监测应用2个方面,分析各种方法的应用现状及其优缺点。研究结果表明:有限元模型修正研究发展的7大方向为:1多尺度、分散子结构、代理模型、随机、非参数的模型修正方法;2基于强度理论及非线性理论的模型修正方法;3通用的模型修正算法和统一的评价准则;4数值模拟、理论分析和工程应用相结合;5充分利用桥梁工程特有的全过程信息;6开发针对桥梁结构的模型修正软件;7有限元模型确认。

基于监测数据的钢管混凝土拱桥健康安全评估

为评价钢管混凝土(CFST)拱桥营运阶段的健康状况,利用BIM和midas Civil平台分别建立某CFST拱桥健康监测系统和有限元模型,结合实测数据对CFST拱桥有限元模型进行修正,在修正后的有限元模型基础上,从受力变形的角度对CFST拱桥安全状况进行评估。研究表明,在1/4截面和3/4截面的主梁挠度实测值平均分别为25.10 mm和22.87 mm;结合修正后的基准有限元模型进行CFST拱桥的结构安全状态评估,结果表明,CFST拱桥结构处于安全状态。

Finite element model updating and validating of Runyang Suspension Bridge based on SHMS

Based on the finite element （FE） program ANSYS, a three-dimensional model for the Runyang Suspension Bridge （RSB） is established. The structural natural frequency, vibration mode, stress and displacement response under various load cases are given. A new method of FE model updating is presented based on the physical meaning of sensitivity and the penalty function concept. In this method, the structural model is updated by modifying the parameters of design, and validated by structural natural vibration characteristics, stress response as well as displacement response. The design parameters used for updating are bounded according to measured static response and engineering judgment. The FE model of RSB is updated and validated by the measurements coming from the structural health monitoring system （SHMS）, and the FE baseline model reflecting the current state of RSB is achieved. Both the dynamic and static results show that the method is effective in updating the FE model of long span suspension bridges. The results obtained provide an important research basis for damage alarming and health monitoring of the RSB.

噪声影响下基于改进损伤识别因子和遗传算法的结构损伤识别

提出一种考虑噪声影响基于改进损伤识别因子和遗传算法的结构损伤识别方法。介绍结构损伤识别的参数化思想,并提出一种考虑不同模态信息和权重系数的损伤识别因子。在选择算子、交叉算子、变异算子以及自适应交叉和变异等方面对遗传算法进行改进,并在无噪声情况下,对一简支梁和连续梁进行了损伤识别,识别效果非常好,验证了方法的正确性和有效性。分别考虑随机噪声和高斯白噪声对简支梁进行损伤识别,发现该方法在噪声水平不很高情况下,识别效果很好。最后,在一钢框架基准有限元模型基础上,考虑四种损伤工况进行损伤识别,识别结果较好,该方法能够很好地应用于结构的损伤识别和健康监测。

大跨度斜拉桥健康监测系统设计与研究

随着我国近20多年来长大桥梁的大量建设与投入使用,该类桥梁运营期间的安全监测已成为相关桥梁管养部门的重要工作。介绍了高速公路主跨340 m的钢-混组合梁和主跨370 m的预应力混凝土梁两座典型斜拉桥健康监测系统的设计、安装调试以及数据初步分析。该系统包括传感器测量、系统集成与数据传输、系统数据处理与控制及状态预警和评估等。研究可供同类型大跨度斜拉桥结构健康监测与安全评估提供参考,同时为高速公路长大桥梁健康监测系统标准化建设和运行积累宝贵的数据及经验。

损伤状态下某桩板式挡土墙稳定性预警

为了探究受损挡土墙结构的稳定性预警方法,首先分析挡墙-土体系统受力状态和土压力与挡墙稳定性及土体基床系数之间的关系;其次基于小波包频带能量谱分析,提出损伤预警指标——能量比变异系数(ERVC);然后分析ERVC、土压力及挡墙稳定性三者间的内在联系,提出一种用于损伤状态下的挡墙结构稳定性预警方法,即通过ERVC预警挡墙的稳定状态;最后以某桩板式挡墙为例,建立墙-土系统简化力学模型及其有限元模型,并修正有限元模型参数,得到墙-土系统基准有限元模型,以验证该预警方法的有效性。结果表明:随ERVC增大,挡墙稳定性逐渐降低;当ERVC达到界限值时,挡墙进入临界稳定状态。