带初始材性缺陷梁加固后力学模型研究

既有混凝土结构难免存在带有初始材性缺陷的RC构件,其加固可行性及力学行为与正常混凝土构件不同,当前缺乏针对性研究成果。为此,采用玄武岩纤维(BFRP)布加固了2根混凝土材性不符合设计要求的RC梁,另有1根未加固梁作为对比梁,共计测试了3根梁。通过试验加载观察缺陷梁在加固前后的受力特征、破坏模式和极限抗弯承载力,分析相应的力学模型,最后根据极限状态下的破坏模式,采用“系杆-拱”模型推导出缺陷梁加固后极限承载力计算公式。结果表明:随着外荷载和破坏程度的增加,加固梁由正截面抗弯模型进化到“梳状拱”受力模型,再变为极限状态下的“系杆-拱”模型;梁底BFRP布加固结合梁端U型锚固措施可以有效提高缺陷梁的抗弯刚度、屈服荷载和极限承载力;提出的承载力计算公式计算值和试验值吻合良好且适中保守。

偏心隔震结构扭转效应机理分析及关键参数限值研究

相较于传统抗震结构,隔震结构更易通过调整隔震支座布置方案,控制关键参数在合理范围内,减少上部结构偏心带来的不利影响。为此,从偏心隔震结构扭转效应机理角度,分析了在不同取值范围内,隔震结构转侧频率比、隔震层偏心率对扭转效应的影响规律和影响程度。研究结果表明:转侧频率比越小,扭转反应越明显,且此时较小的隔震层偏心率就会使得隔震结构扭转加剧;当转侧频率比大于1.2后,其影响逐渐减弱;隔震层的偏心率与扭转响应接近正相关。然后,以支座位移不超过容许值为限制条件,推导出距离质心最远处支座在有无偏心时的位移比值显式。分析结果表明,存在一个最大隔震周期使该比值取得极小值。据此,可推导出不同转侧频率比时隔震层偏心率的限值,在该限值范围内偏心隔震结构的扭转可得到有效控制,为设计人员在进行隔震结构抗扭设计时提供参考。

结合数字孪生的斜拉桥系统更新和响应预测

由于传统建模方法难以反馈桥梁系统参数和响应的细微变化,为此提出了以数字孪生体作为结构系统的高保真映射模型。首先,定义数字孪生体包含物理孪生层、数字孪生层和信息交互媒介3部分,数字孪生层的孪生模型是对斜拉桥物理实体的虚拟映射,通过信息交互媒介实现不同层间信息的实时传递;其次,针对具体应用提出了结构信息化、信息数据化和数据模型化3条建模准则,实现对斜拉桥物理实体的信息勾勒和可视化过程,建立高保真的斜拉桥数字孪生模型;最后,以一座实桥端锚索的监测数据为感知信息,将变化的索参数实时反馈给孪生模型,实现模型更新和响应预测。研究结果表明,所提出的数字孪生建模方法能及时反馈实桥的参数变化,并预测由此造成的索力、塔顶偏位及主梁跨中挠度的细微改变。

结合传递比与栈式自编码器的结构损伤识别

如何从土木结构响应数据中挖掘损伤特征并有效分类,是实现损伤模式识别的关键。为此,以框架结构为分析对象,搭建设有自编码器隐藏层和Softmax分类层的栈式自编码器网络,采用无监督联合有监督的混合学习机制;基于有限元分析获取框架不同工况下的传递比函数值,构建训练集、验证集和测试集样本;通过预训练确定自编码器隐藏层的参数值如权重和偏置值,避免网络出现过拟合;采用微调方式进一步调整预训练后的网络参数值,再结合验证集实现对网络超参数的调整;将实测传递比数据输入网络,实现对框架节点损伤的评估。结果表明:所提方法能有效进行损伤特征的提取和分类,准确识别框架节点的单、双损伤工况,相较于传统浅层神经网络具有更高的识别准确度和更好的抗噪性。

基于贝叶斯网络的结构易损性智能推理

为实现结构易损性的智能化推理,提出以贝叶斯网络(Bayesian networks,BNs)重构桁架结构的易损性分析体系。首先,分别定义外荷载、体系和杆件为网络顶层父节点、中间节点和底层子节点,节点间通过有向弧表示因果关系,形成BN拓扑;接着,提出以杆件“大损伤”替代传统的“概念移除”方式,考虑杆件参数及外荷载的不确定性,结合抽样实现对节点间条件概率表的学习,完成BN的构建;然后将特定杆件的观测状态作为证据输入BN,同步推理其他杆件的节点状态概率,进而计算杆件的重要性系数,并定义所有杆件的重要性系数之和为体系的易损性系数;最后,提出杆件易损指标,作为预测桁架体系最可能失效路径的依据。研究结果表明:所提方法能更合理地评价各杆件在体系中的重要性,推理得到的杆件破坏路径与试验观测一致,所计算的试验桁架体系易损性系数远小于杆件数目,表明当前荷载组合下特定杆件的损伤引起体系发生连续性倒塌的可能性较小。

钢拱塔斜拉桥的温度耦合效应和索力预测

钢拱塔斜拉桥的受力体系与传统斜拉桥有所不同,为研究环境温度变化对这种异形桥塔斜拉桥主要受力部件的影响,以某钢拱塔斜拉桥为工程背景,首先基于在线监测获取的环境和部件温度数据,分析斜拉索索力、拱塔倾角和主梁应变的温度时变效应;然后以斜拉索为研究对象,通过该桥的有限元模型升降温模拟,分析各部件温差引起的温度耦合效应对拉索索力的影响;最后以环境温度、主梁温度、桥塔温度为输入,索力为输出,利用长短期记忆神经网络对实测索力-温度数据进行映射,实现数据压缩和特征提取,建立温度-索力预测模型,再对网络模型输入新的温度监测数据,以预测索力。研究结果表明:主梁和钢拱塔温度变化具有周期性,且滞后于环境温度;主梁应变与环境温度的变化趋势基本一致但具有一定的滞后性,环境温度变化对拱塔倾角的影响很小且没有周期性规律;索力与环境温度呈线性负相关,且需要考虑斜拉桥各部件的温差所引起的温度耦合效应;长短期记忆神经网络对带有时序特性的数据训练效果好,建立的温度-索力关系模型准确度高,可用于该桥索力的实时预测。

三塔四跨地锚式悬索桥纵向约束体系研究

为了得到三塔四跨地锚式悬索桥中最优的纵向连接方式,以某座三塔四跨悬索桥为工程背景,建立三维空间有限元模型,考虑各种不同荷载作用对结构响应的影响规律,探讨最优的纵向约束体系。研究结果表明:边塔内力和桩基础内力受地震作用控制,而中塔内力则受汽车荷载控制,伸缩缝变形主要受温度作用控制;在多种荷载作用下,刚性约束体系优于漂浮体系和阻尼约束体系,可以较好地改善各种荷载作用下的响应。通过对约束装置进行位置和参数优化,提出"中塔和桥台处设置纵向固定支座"的刚性优化约束方案。

变接触压应力下MSM-DSSI支座滞回性能研究

双曲面球形减隔震(DSSI)支座是一种具有2个曲面摩擦副的球形滑动支座,能有效减小结构地震响应。在强地震区,竖向地震荷载将引起支座接触压应力的明显变化,而摩擦系数及恢复力与支座接触压应力相关,忽略这种相关性会明显影响支座的滞回性能,进而影响结构振动反应的分析结果。为此,文中针对摩擦材料为改性超高分子聚乙烯(MSM)的DSSI(MSM-DSSI)支座,首先开展不同接触压应力下干摩擦支座的压剪试验,确定摩擦系数及水平恢复力与支座接触压应力相关性。然后,根据试验结果,拟合得到干摩擦支座的摩擦系数关于变接触压应力的计算公式。最后,建立支座的有限元模型,验证有限元模型的正确性,进而分析变接触压应力的波动幅值、频率和时间相位差对MSMDSSI支座滞回性能的影响规律。结果表明,在文中研究范围内,变接触压应力下MSM-DSSI支座的滞回曲线呈现为非规则的多边形;滞回曲线的形状主要与变接触压应力波动频率和时间相位差相关;最大水平恢复力主要与变接触压应力波动幅值相关,最大变化幅值为69%,MSM-DSSI支座的耗能能力会随着变接触压应力变化出现增强或减弱情况,最大变化幅值为29.85%。

摆动对带预应力厚层橡胶支座隔震结构地震响应影响研究

厚层橡胶支座(TRB)相比于普通叠层橡胶隔震支座(RB)具有较小的竖向刚度,其竖向隔震能力有所提高。但TRB竖向刚度小,在地震作用下,上部结构摆动效应增加。针对TRB的不足,结合预应力原理,提出一种新型的隔震装置,即预应力厚层橡胶隔震支座(PRB)。在已有试验的基础上,建立其隔震结构非线性分析模型,通过时程反应分析,研究了其对隔震结构摆动的控制。研究结果表明,PRB相比TRB对隔震结构的摆动转角具有良好的限制功能,地震强度越大,其限制功能越好。

外贴FRP加固RC短梁抗弯承载力公式

采用外贴FRP布加固钢筋混凝土短梁时,现有抗弯承载力计算公式大多基于无下降段的混凝土受压本构模型,导致公式计算结果存在误差。为此,提出将带下降段的Hognestad混凝土受压应力-应变曲线引入计算过程,以考虑受压区混凝土的实际受力状态。根据加固短梁的破坏模式推导了4种破坏形式的抗弯承载力计算公式,包含FRP布未被拉断的适筋破坏、FRP布被拉断的少筋破坏、超筋破坏和剥离破坏,最后通过一批试验短梁数据验证了公式的准确性。结果表明:采用完整混凝土受压本构模型能提供更准确的加固短梁承载力评估值,所推导公式的计算结果与试验结果的平均值为1.03,标准差为0.04,变异系数为4.22%,离散性较小,说明公式具有较好的可靠性。

基于门控循环单元神经网络的大跨径斜拉桥索力预测

拉索索力的改变直接反映斜拉桥结构体系受力状态的变化,因此索力监测对斜拉桥健康评估具有重要意义。然而现有关于索力的研究大多为索力识别,难以做到根据历史索力数据实现对未来索力的预测。为此,提出一种基于门控循环单元(GRU)神经网络的索力预测方法:利用GRU神经网络对时序型数据的处理能力以及索力数据较强的序列化特性,搭建基于GRU神经网络的索力预测框架,该预测框架包含输入层、GRU隐藏层与输出层;利用实桥连续采集的索应力时程数据作为训练及验证样本,对样本进行数据切片和归一化;搭建能够实现对该桥未来索力进行预测的GRU神经网络,结合梯度下降优化算法进行网络计算。结果表明所提方法对不同长度的拉索都具有较好的预测效果。

采用监测数据及贝叶斯理论的RC梁承载力更新

为实时评估经过长期受荷后的RC梁承载力,将梁承载力定义为随机变量,通过结合初始承载力概率分布与验证荷载,提出一种基于贝叶斯理论的RC梁承载力更新方法,其间结合RC梁的实测变形数据,引入抗弯刚度衰减系数以考虑RC梁性能退化对承载力评估的影响,最后通过RC梁的静载试验验证了该方法的有效性。分析结果表明:引入抗弯刚度衰减系数可有效避免承载力评估偏高的情况,且承载力评估精度也会随更新次数的增加而提高;同时,该方法对初始承载力的估计或测量误差具有较好的容错性,更适合于初始信息不确定的工程结构;此外,实时评估的承载力及时反馈了RC梁结构的当前状态信息,在提供安全预警同时亦可作为未来运营的荷载限值参考。

参数不确定性估计的随机响应面模型修正方法

正确估计实际工程结构中参数和响应不确定性的大小,能有效提高分析结果的可靠性。首先基于概率配点法和回归分析建立随机响应面模型,以表述不确定性参数与响应间复杂的隐式函数关系,快速估计响应的统计特征值;然后提出一种两阶段修正策略,分步修正参数的均值和标准差,以简化随机修正过程、提高修正效率;最后基于一组55块钢板的实测频率均值和标准差,估计钢板厚度和材料参数的统计特征值,验证方法的可行性和可靠性。

结合模态区间分析和IARR的不确定性损伤识别

针对结构不确定性损伤识别中经典区间算法容易发生扩张的问题,提出将模态区间分析和改进解析冗余度(improved analytical redundancy reduction,简称IARR)相结合的损伤识别方法。首先,将结构静力平衡方程用约束条件方程组表示,通过改进解析冗余度使得方程组仅包含平动变量;其次,把与假定损伤单元相关的方程集中在同一子集,代入区间变量将方程扩展成区间形式,通过模态区间运算判断各约束条件的满足情况来实现损伤定位;最后,采用静载作用下的试验钢梁验证所提出的方法,结合刚度参数、挠度参数和外荷载3种随机变量,建立各梁段约束条件方程。结果表明:考虑测试误差、参数不确定性时,能通过约束条件的不满足有效定位梁的小损伤。

钢筋混凝土T梁桥损伤检测、加固与承载力评定

对一座长期运营的3跨钢筋混凝土T梁桥实施了损伤检测、加固与承载力评定。首先通过常规检测评估旧桥的总体状况,并发现上下部结构的病害。然后根据新的设计荷载要求对旧桥进行加固,主要针对全部T梁的裂缝实现封闭处理后,再采用碳纤维复合材料进行加固。随后基于静载试验实测了加固后桥梁关键部位的挠度和应变,同时结合环境振动试验得到桥梁基频,以此评价整体刚度情况。最后基于静动载试验结果和相关规范,评定该桥的承载力。结果表明,采用封闭裂缝后碳纤维布加固,可以有效提高旧桥承载力,同时结合静动载试验结果可以判断该桥加固后符合新的设计荷载要求。

纤维混凝土梁受弯试验及开裂弯矩计算公式

通过受弯试验测得添加玄武岩纤维、聚丙烯纤维、混杂纤维和硅灰的不同混凝土梁开裂弯矩,利用开裂弯矩试验值及材性试验值推算出各混凝土梁的塑性变形发展程度系数k值,并绘出受拉区混凝土开裂时的应力分布;然后根据k值计算得到各混凝土梁的截面抵抗矩塑性影响系数,并推导出玄武岩纤维及聚丙烯纤维混凝土梁的开裂弯矩计算公式.结果表明:各混凝土梁均满足平截面假定,添加纤维可以提高普通混凝土梁及掺硅灰混凝土梁的开裂弯矩;相同体积分数下,玄武岩纤维对混凝土梁开裂弯矩的提升效果优于聚丙烯纤维;推算得到的k值为纤维混凝梁开裂弯矩的理论推导提供了参考,同时可作为评价纤维混凝土梁开裂时受拉区混凝土塑性变形能力的指标;混凝土梁的开裂弯矩受劈拉强度和塑性变形能力的共同影响;所提出的玄武岩纤维及聚丙烯纤维混凝土梁开裂弯矩计算公式可以作为二者开裂弯矩计算时的参考.

结构概率损伤识别的改进近似贝叶斯计算

结合近似贝叶斯计算(ABC)、Metropolis Hastings(MH)抽样和随机响应面(SRS)提出了一种改进近似贝叶斯计算方法,用于快速估计结构随机参数的后验概率分布,进而识别结构损伤。首先将ABC与MH抽样结合,引入建议分布、接受概率和动态容差来判断抽样样本的准确度,同时通过误差函数对比仿真样本和实测样本的相似性,避免了求解似然函数;然后针对大量抽样样本的响应计算,利用SRS建立结构随机参数与响应之间的显式表达式,实现对响应统计特征值的快速计算;最后基于改进ABC法估计试验钢筋混凝土梁的参数后验概率分布,进一步构建和对比损伤前后梁的概率损伤指标,以此判断梁的损伤位置和程度。研究结果表明:改进ABC法能有效降低参数后验概率分布的求解难度,同时提高了贝叶斯参数识别问题的求解效率,特别是与传统贝叶斯方法相比,改进ABC法可以识别梁的多损伤工况。

掺复合镍铁渣混凝土梁柱中节点变形特性

针对掺复合镍铁渣混凝土与水平钢筋的粘结强度弱于普通混凝土的情况,基于试验研究复合镍铁渣混凝土梁柱中节点的变形特性.节点变形主要归结为附属梁体的弯曲变形和梁纵筋滑移引起的梁柱界面附加转角变形.从试验现象来看,梁体的弯曲变形并不明显,而梁柱界面附加转角变形明显.采用数值方法分析了不同复合镍铁渣掺量下梁柱界面附加转角变形值,研究表明,随着复合镍铁渣掺量的增加,梁柱界面附加转角增加,占整体变形较大比例.为此提出了梁端等效塑性铰模型,确定塑性铰长度与梁长、复合镍铁渣掺量、梁纵筋直径之间的关系,用于评估复合镍铁渣混凝土梁柱中节点的极限变形能力.

结合近似贝叶斯计算和改进群体蒙特卡洛抽样的结构损伤识别

为避免陷入低概率区抽样并提高抽样效率,改进了群体蒙特卡洛(PMC)抽样算法,再结合近似贝叶斯计算(ABC)和随机响应面(SRS)提出一种概率损伤识别方法。首先将ABC和改进PMC算法进行嵌套,利用每个迭代步的样本方差来搅动粒子群和求取自适应权重系数,再构造衡量仿真和实测样本间相似度的误差函数,用于替代似然函数;然后使用SRS建立结构随机响应的显式表达式,大幅提高响应统计特征值的计算效率;最后将求得的参数后验概率分布统计特征值作为损伤指标,根据损伤前后指标值的变化来判断损伤位置和程度。对试验钢筋混凝土梁的单、多工况损伤进行了识别,验证了所提出方法在保证参数后验分布估计精度的条件下,可以有效提高贝叶斯推断过程的计算效率。

多破坏模式和二次受力影响下FRP加固RC梁抗弯承载力

针对实际工程应用中FRP加固RC梁存在多种破坏模式和二次受力影响等关键问题,提出采用能基本表征受压区混凝土实际应力-应变情况的Hognestad本构模型,以考虑受压区混凝土非线性应力变化。推导FRP加固RC梁受压混凝土等效应力和受压区高度各自对应的相关比值,并得出FRP拉断、钢筋屈服前、后受压区混凝土压碎这3种不同破坏模式下的梁正截面极限抗弯承载力计算公式,同时推导加固梁FRP最大、最小加固量的计算公式以定义各破坏模式间的临界状态,并考虑二次受力影响和滞后应变效应。研究结果表明:所推导的公式能有效表征加固梁的不同破坏模式及二次受力效应,所计算的承载力与试验值较吻合,可以用于RC梁加固设计和承载力分析。