【摘要】：
橋梁建成以后，會由于設計或施工的缺陷而存在隱患，或受到氣候、環境等自然因素的影響而老化，或承受日益增加的交通流量和荷載作用而損壞。如果不對這些存在結構損傷和隱患的橋梁進行監測和評估，就得不到及時維修與加固，不僅會影響行車安全，縮短橋梁使用壽命，甚至會發生橋梁突然破壞或倒塌等橋毀人亡的事故。
本文以武漢長江二橋(大型斜拉橋)為研究背景，針對大型斜拉橋的長期健康監測過程中存在的關鍵技術問題，綜合運用有限元理論、動力模型修正、模態參數識別、優化算法、結構仿真與預測等理論和方法，從橋梁結構基準理論模型的建立開始，對橋梁健康基準狀態的確定、動力模型修正方法、結構參數識別算法、橋梁結構閾值的確定、結構損傷預案仿真等整個健康監測過程中的關鍵技術問題進行了全面系統的研究。本文的主要研究成果和創新點如下：
1、提出了大型斜拉橋長期健康監測過程中的關鍵技術難題。這些難題集中在橋梁結構基準狀態的確定，也就是健康標準的建立，其核心問題就是結構有限元模型修正的問題；橋梁損傷的識別問題；橋梁設計與施工中的問題；
橋梁監測項目的局限性；傳感信息的有效性及傳感器壽命問題；橋梁結構的退化問題及其失效模式以及橋梁狀態的評估理論和方法。
2、分析了以前對于大型斜拉橋先整體后局部的簡化計算方法的缺點，提出了局部和整體一起考慮的建模思路，綜合建立大型斜拉橋的空間精細實體有限元模型。按照設計單位提供的設計圖紙，綜合考慮了武漢長江二橋的預應力鋼筋混凝土橋的特點，針對預張拉的斜拉索、預應力筋、普通鋼筋、混凝土塔和箱梁等主要構件采用不同的單元形式，分析了橋梁的邊界條件和構件之間的連接方法，運用大型有限元分析軟件ANSYS建立了武漢長江二橋的精細實體有限元模型。
3、總結了結構模型修正的經典方法，分析了各種方法的優缺點和適用范圍，提出了適用于大型斜拉橋模型修正的方法——基于結構參數靈敏度修正的優化方法。這些經典的結構模型修正方法大多采用某種試驗／理論余量的最小化過程出發，按不同的修正對象(矩陣修正、結構參數修正)和優化目標(最小范數攝動、最小秩攝動)以及不同的優化約束條件進行優化；同時闡明了近年來研究的基于靈敏度方法、神經網絡方法和遺傳算法等最新模型修正方法的過程。
4、研究了武漢長江二橋的有限元模型修正過程。首先選取了斜拉索的彈性模量、預應力鋼筋的彈性模量、普通鋼筋的彈性模量、主塔的彈性模量和質量密度以及主梁的彈性模量和質量密度等7個結構參數作為初始的修正對象，計算了7個結構參數對結構頻率的靈敏度，發現普通鋼筋的彈性模量和主塔的質量密度對結構各階頻率的影響相對其它參數很小，屬于次要因素，因此在模型修正中不予考慮。然后根據成橋后環境振動試驗測試的動力模態結果，以實測頻率和計算頻率的相對誤差作為優化目標，以結構參數的上下限值作為約束條件，運用靈敏度方法對武漢長江二橋有限元模型的結構參數進行了修正，修正后的結果比較符合實際。
5、針對結構參數優化的結果，依據橋梁荷載試驗的相關
規范，計算了幾種靜載工況下主梁的撓度、主梁橫截面應力等，計算的結果與荷載試驗的結果比較接近，這再一次說明了模型修正的結果是比較準確的。另外根據橋梁設計的相關
規范，提出了橋梁結構閾值的概念，依據橋梁基準模型計算了橋梁結構的閾值，為橋梁健康
監測系統中的相關特性提供了在線報警的門檻值。
6、對大型斜拉橋進行了相關的結構預案模擬仿真分析。
研究了橋梁在重載車50T、80T和120T等幾種工況下的工作狀態，通過比較發現：一臺120T重車過橋相當于1.5萬輛普通車輛的影響，這種影響應該引起橋梁管理者的高度關注，增設測重儀器，及時限制超重車過橋。
模擬了橋梁在5萬輛、10萬輛、15萬輛和20萬輛等4種不同的交通流量下的狀況，計算了主要截面的應力應變、斜拉索的索力、主塔的偏移量和主梁的撓度等。研究發現武漢長江二橋的極限交通流量在12萬輛左右，長期超重會對橋梁產生嚴重的損壞作用，這個研究結果為橋梁管理者提供了科學的交通管制手段；
模擬了橋梁在極端寒冷和極端炎熱等2種不同氣候條件下的工作狀況，通過計算發現，環境溫度的高低不是主要的因素，而整個橋梁的溫度梯度是主要的因素，溫度梯度越大，產生的應力越大；
模擬了部分斜拉索斷裂后的橋梁工作狀況。研究表明斷索后所有拉索的索力要進行重新分配，并且都有不同程度的增加，而距離斷索越近的拉索其索力增加越大。以橋梁中部WTZ10-S-AF處的索力為例，在日交通流量5萬輛時，其索力增加了387kN，增幅達到9.5％；在日交通流量10萬輛時，其索力增加了796kN，增幅達到17.8％。顯然這要引起橋梁維護工作者的高度關注。
【關鍵詞】：斜拉橋 有限元 模型修正 優化算法 結構閾值 模擬仿真 【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2006
【分類號】：U446.2;U448.27
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2007.149010
【目錄】：
- 摘要5-7
- Abstract7-13
- 第1章 緒論13-29
- 1.1 課題來源13
- 1.2 問題提出的背景13-20
- 1.3 橋梁長期健康監測面臨的主要問題20-27
- 1.3.1 橋梁損傷的識別問題20-22
- 1.3.2 橋梁設計與施工中的問題22-23
- 1.3.3 橋梁監測項目的局限性23
- 1.3.4 傳感信息的有效性及傳感器壽命23-24
- 1.3.5 橋梁結構的退化問題及其失效模式24-25
- 1.3.6 橋梁狀態的評估理論25-26
- 1.3.7 橋梁結構基準狀態的確定26-27
- 1.4 本文的主要工作27-29
- 第2章 橋梁基準狀況的確定29-46
- 2.1 關于模型修正29-32
- 2.2 模型修正方法32-39
- 2.2.1 質量矩陣的修正32-33
- 2.2.2 多約束剛度矩陣修正法33
- 2.2.3 最小范數攝動法33-35
- 2.2.4 子矩陣修正法35-36
- 2.2.5 基于靈敏度分析的結構參數修正法36-39
- 2.3 基于神經網絡的模型修正方法39-43
- 2.3.1 概述39-40
- 2.3.2 BP神經網絡40-42
- 2.3.3 神經網絡智能修正框架42-43
- 2.4 基于遺傳優化算法的模型修正方法43-44
- 2.5 本章小結44-46
- 第3章 斜拉橋空間精細有限元模型的建立與分析46-65
- 3.1 斜拉橋非線性分析理論介紹46-49
- 3.2 斜拉橋有限元計算方法49-53
- 3.3 ANSYS中實現斜拉橋非線性分析基本過程53-54
- 3.4 武漢長江二橋的基本概況介紹54-56
- 3.5 斜拉橋的支承條件分析56
- 3.6 模型劃分56-61
- 3.6.1 斜拉索與預應力配筋57-58
- 3.6.2 普通鋼筋58-59
- 3.6.3 主塔59-61
- 3.6.4 主粱61
- 3.7 有限元建模61-63
- 3.8 本章小結63-65
- 第4章 武漢長江二橋有限元模型智能修正65-78
- 4.1 有限元理論計算初始結果分析65-69
- 4.1.1 有限元計算結果65
- 4.1.2 計算振型圖65-69
- 4.2 成橋后動力特性試驗結果69-70
- 4.3 有限元模型修正70-77
- 4.3.1 計算結果與實測結果比較70-71
- 4.3.2 待修正結構參數的選擇71-72
- 4.3.3 靈敏度分析72-73
- 4.3.4 優化計算73-75
- 4.3.5 模型修正結果75-77
- 4.4 本章小結77-78
- 第5章 武漢長江二橋有限元分析及結構閾值確定78-97
- 5.1 結構靜力有限元分析78-89
- 5.1.1 關于橋梁荷載試驗78
- 5.1.2 武漢長江二橋成橋后試驗78-79
- 5.1.3 靜力加載工況79-81
- 5.1.4 有限元計算結果與試驗結果比較81-89
- 5.2 橋梁結構報警閾值的確定89-96
- 5.2.1 傳感器空間位置及其應變閾值表89-90
- 5.2.2 結構閾值90-96
- 5.3 本章小結96-97
- 第6章 橋梁結構的可視化預案仿真分析97-112
- 6.1 預案仿真的目的97
- 6.2 模擬橋梁在不同的交通流量下的狀況97-101
- 6.3 重載車通過時的仿真分析101-103
- 6.4 模擬橋梁在不同溫度條件下的狀況103-107
- 6.5 模擬橋梁在部分構件失效后的狀況107-111
- 6.6 本章小結111-112
- 第7章 總結與展望112-115
- 7.1 全文總結112-113
- 7.2 研究展望113-115
- 參考文獻115-124
- 致謝124-125
- 攻讀博士期間發表的論文125
