基于BP-LSTM混合模型的钢-混组合桥面系空间温度场及温度效应实时评估及预测

考虑到传统健康监测系统与有限元方法的不足,为实现钢-混组合桥面系温度及温度效应的实时评估及预测,提出基于多层前馈--长短期记忆(BP-LSTM)混合模型的实时评估及预测方法。研究过程中,以某桥为工程背景,采用其健康监测系统数据,并利用有限元法热力耦合分析扩充数据,构建包含"结构特征、时间特征、环境特征--温度、温度效应"映射的样本库,并通过实测数据验证有限元计算的准确性;设计BP-LSTM混合模型结构,对LSTM网络以考虑时间权重的均方误差(MSE)损失函数加以改进,读入样本库数据进行训练、验证、测试,从而获得输出精度较高的混合模型;最后,分别给出利用BP-LSTM混合模型进行温度及温度效应实时评估与预测的方法。结果表明:基于气象数据的结构温度场有限元计算结果与实测基本一致,"结构特征、时间特征、环境特征--温度、温度效应"映射具有高度非线性,单独BP网络或LSTM网络效果不佳,而BP-LSTM混合模型精度较高;根据本文提出的实时评估及预测方法,混合模型输出值与目标值的决定系数最低为0.930,最高为0.993,精度较高,可用于钢-混组合桥面系空间温度场及温度效应实时评估及预测。

钢-混组合桥面系截面设计参数研究

钢-混凝土组合桥面系在大跨度桥梁中的应用日趋广泛,其结构及形式多借鉴于建筑结构。以某大跨悬索桥钢-混组合桥面系为例,结合ANSYS有限元程序的Workbench平台Design-Exploration模块进行实验设计,对组成钢混组合桥面系的混凝土板、钢纵梁及钢桁架等结构参数对组合截面力学性能的影响进行了相应研究。结果表明:混凝土板厚度的变化对钢-混组合桥面系力学性能影响较为明显,钢纵梁厚度和钢桁架高度变化产生的影响相对较小。混凝土板的高度和钢纵梁厚度变化时产生的效应基本相同,组合桥面系竖向挠度和钢纵梁应力极值随着混凝土板厚度或者钢纵梁厚度增加而增加;钢桁架高度在从低到高的变化过程中,组合桥面系竖向挠度逐渐减小,钢纵梁极值压应力和极值拉应力分别出现先增大后减小和先减小后增大的现象。

新型钢-混组合桥面系模型试验研究

为了研究新型钢-混组合桥面系的受力性能,以某大跨度钢-混组合桥面系悬索桥为工程背景,对该桥面系3个节段的1/4缩尺模型进行静载试验。然后,采用大型有限元软件ANSYS,对试验模型进行数值模拟。研究结果表明:数值模拟结果能够与试验数据很好地吻合,并起到验证的作用;该桥面系在静载试验过程中充分发挥了各自的材料性能,表现出较高的抗弯刚度和承载能力;新型钢-混组合桥面系在静力荷载作用下能够协同受力且受力均匀,不易产生局部应力过大的现象。

基于响应面法的钢-混组合桥面系优化设计

对桥梁结构进行优化设计和可靠性研究时,采用传统的设计方法可能会遇到计算工作量繁重的问题,应用响应面法进行优化设计是有效解决该问题的途径之一。以某大跨悬索桥钢-混组合桥面系为研究对象,结合节段缩尺模型试验研究,以有限元软件Workbench为计算平台,建立相应的参数化有限元模型。以组合桥面系重量最轻为经济目标,最大变形及最大弯曲应力为约束,基于响应面法对其进行多参数优化设计,并对优化结果进行了有限元分析验证。计算结果表明:节段缩尺模型静力试验结果与有限元分析结果吻合较好,建立的有限元模型很好地反映了试验模型实际的受力状态;基于响应面法优化设计后组合桥面系质量减小了3.57%,在满足力学性能要求的同时,减轻了结构自重,降低了工程造价,为钢-混组合桥面系设计提供了良好的概念设计模型。

基于正交试验设计的钢-混组合桥面系参数敏感性分析

利用大型有限元软件Workbench,建立某大跨悬索桥钢-混组合桥面系节段有限元模型,基于正交试验设计了多种组合桥面系方案,计算了自重作用下组合桥面系的挠度及应力,利用直观分析和方差分析法对构造参数进行了敏感性分析。结果表明:自重作用下组合桥面系的最大挠度出现在钢桁架上,混凝土桥面板厚度及钢桁架高度变化对最大挠度有显著影响,减小桥面板厚度或增加钢桁架高度有利于减小组合桥面系的挠度;混凝土桥面板厚度、混凝土弹性模量及钢纵梁腹板高度对钢梁最大等效应力影响显著,最大等效应力随着混凝土桥面板厚度及混凝土弹性模量的增大而增大;混凝土弹性模量的变化引起的混凝土板最大拉应力的变化最大。

基于健康监测的钢桁加劲梁钢-混组合桥面系竖向温度梯度效应分析

为实现对钢桁加劲梁钢-混组合桥面系温度效应的精准分析,尝试应用了温度梯度效应的空间有限元计算法,通过算例验证,确定了空间有限元计算法的合理性;基于现行规范,提出了一种竖向温度梯度计算模型。以某大跨度钢桁加劲梁悬索桥为例,对该桥健康监测温度数据进行了分析,建立了竖向温度梯度模型;结合有限元程序及温度梯度模型,进行了空间竖向温度梯度效应研究。结果表明:有限元法计算精度高,适用于大型复杂结构的空间温度效应的分析;提出的钢-混组合桥面系的温度梯度计算模型精度高,且简单适用;钢-混组合桥面系竖向温度梯度效应十分明显,产生的应力不容忽视;该类型的钢-混组合桥面系竖向温度梯度与应力呈线性关系,相同结构的应力线性系数为定值。

收缩徐变对悬索桥新型钢-混组合桥面系的影响

基于既有收缩徐变理论,提出了温度变化和Creep准则下收缩徐变的等效计算方法,通过两种大型通用有限元程序对同一结构,分别建立不同的验证分析模型,对提出的等效法的有效性及精度进行了验证,结果发现该方法实用可行,且具有较高的计算精度。结合提出的等效计算方法,借助ANSYS有限元计算程序建立了悬索桥新型钢-混组合桥面系的精细化节段模型,对组合结构的收缩徐变进行了相关研究。研究结果表明:该类新型钢-混组合桥面系混凝土的收缩效应占主导地位,徐变效应并不十分明显,但与混凝土的加载龄期密切相关;收缩徐变对桥面板及钢纵梁应力状态的影响较大,而对钢桁梁的影响并不明显。

边界约束对钢-混组合结构桥面系温度梯度效应的影响研究

钢-混组合桥面系的边界约束条件有一定的特殊性,有别于其他组合结构。为确定模型计算时边界约束对钢-混组合桥面系的影响,文中以某钢-混组合桥面系为研究对象,运用ANSYS有限元程序建立精细化有限元计算模型,分析连续结构和简支结构两种边界约束条件对钢-混组合结构桥面系温度应力的影响。结果表明,中国JTG D62-2004规范中的竖向温度梯度模型及参数取值与美国AASHTO规范有明显差异,在温度效应计算时应对中国规范中取值按地区差异进行调整;在相同温度梯度条件下,采用连续结构约束的结构对应的温度应力更为均匀。

钢-混组合结构桥面系大直径栓钉剪力连接件力学性能研究

为研究钢-混组合结构桥面系剪力连接件的抗剪承载力和荷载-滑移特性,基于有限元非线性分析方法,考虑混凝土、剪力钉、钢梁和钢筋等非线性材料特性,对剪力钉连接件的推出试验进行有限元数值模拟分析,获取了荷载-滑移曲线,并与试验结果进行对比分析,两者吻合良好。同时,研究了栓钉直径和混凝土强度变化对大直径栓钉连接件的抗剪承载力和最大滑移量的影响。结果表明:大直径栓钉连接件的抗剪承载力随混凝土强度和栓钉直径的增大而提高;失效时最大滑移量随混凝土强度的增加而减少,随栓钉直径的增大而增大。

中、美、欧标准中钢-混组合结构桥面系竖向温度梯度效应的比较

钢-混组合桥面系结构形式特殊,与之对应的竖向温度梯度有别于其他组合结构。为明确现行标准关于钢-混组合结构桥面系的竖向温度梯度效应的计算差异,为后续相关研究提供可靠参考,以某实桥钢-混组合桥面系为例,借助ANSYS有限元程序,建立精细化有限元计算模型,对现行标准的正温差及负温差的竖向温度梯度模型、参数取值及效应值进行对比。结果表明:现行技术标准关于钢-混组合桥面系的竖向温度梯度模型及参数取值差异明显,可根据实际要求及应用对象,对现行技术标准进行优化;正温差状态下,依据美国AASHTO(1994版)标准可获得混凝土桥面板及钢桁梁的最大拉压应力;负温差状态下,基于中国JTG D62—2004则可获得混凝土桥面板的最大拉压应力;参考欧洲BSI 1990-2-10,则无论是正温差还是负温差状态,工字梁及钢桁梁均可获得最大拉压应力。