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.

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。

青洲斜拉桥的基准动力有限元模型

讨论了斜拉桥有限元动力分析模型,给出了基于环境振动试验结果建立大跨度斜拉桥基准有限元模型的步骤;讨论了桥面初始平衡构型、几何非线性、桥面板、混凝土桥面板与钢梁的剪力连接和端部纵向约束对模型的影响。经通车前现场环境振动试验结果验证的青洲闽江斜拉桥三维有限元模型,反映了桥梁在运营前的真实动力行为,可作为该桥各种复杂响应分析和长期健康监测、使用状态评估的基准。

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。

钢桁架桥健康诊断基准研究

近些年来,结构健康诊断和损伤识别已经成为土木工程领域重要的研究课题,如何确定结构中损伤的位置是关键所在.现有的损伤探测方法是利用从结构上收集到的振动信号识别相应的结构状态参数,然后用这些参数与完好结构的相应参数进行比较,也就是说他们选择的健康基准是完好结构的相应参数.但是完好结构的资料我们通常很难得到,而本文定义并建立的结构健康基准不需要结构的原始信息就能对结构进行损伤定位,并以钢桁架模型为试验对象进行了验证.

导线-防振锤损伤特征提取与结构健康诊断方法

针对防振锤损伤后引起的导线异常振动现象,提出一种提取损伤防振锤振动特征与结构健康诊断(structural health baseline,SHB)的方法。首先研究防振锤损伤特征提取方法,提出诊断策略,然后通过导线-防振锤振动模拟试验,将振动信号分解为多阶分量集合,并引入熵的概念来量化每阶振动分量时频域的能量密度分布。研究发现,防振锤不同损伤类型的熵值偏差率最大为39.5%,最小为29.4%,揭示了防振锤损伤在多阶振动尺度上的内在特征。最后,通过建立的LibSVM损伤辨识基准,根据实测的防振锤损伤数据进行预测,得到的辨识准确率高达97%。结果表明,该方法有效建立了以特征参数表征防振锤损伤的模型,可以精准辨识防振锤结构健康状况。

无参考Lamb波相控阵结构损伤监测成像方法

超声相控阵结构健康监测中通过计算差信号获取损伤散射信号的方法易受环境和结构变化的影响,针对这一问题,提出无参考信号的相控阵结构健康监测成像定位方法。采用窗函数截取散射信号,剔除直达波和边界反射信号。基于相控阵方法,对结构损伤状态时的传感器响应信号进行处理,无需结构健康状态时传感信号作为参考。该方法在碳纤维复合材料板结构上的实验研究证明,采用无参考信号的超声相控阵方法能够精确实时地监测并清晰表征结构损伤;同时,该方法可以大大缩短监测时间,且不受环境条件变化的影响,为该方法的工程化应用奠定基础。

无参考主动Lamb波结构损伤时反成像监测方法

主动Lamb波损伤监测中的差信号方法获取损伤散射信号容易受到结构和环境等外界因素的影响。针对该问题,提出了无参考信号的损伤成像定位和监测方法;研究了回波式压电阵列的布置方法,并设计采用时间反转窗函数,清除Lamb波监测信号中的直接传播信息和边界反射信号,以截取出内部散射信号;通过控制压电阵列布局、设置窗函数等技术条件,基于时间反转理论中对波源的自适应聚焦原理,直接利用当前状态下的传感信号实现对结构损伤的实时成像、定位与评估,不再需要健康信号作为参考。在玻璃纤维复合材料板上的实验结果表明,该方法能较为准确地实时监测出损伤的位置、范围等特征。