（固体力学专业论文）含局部焊接细节的桥梁钢桁架结构静动力响应实验研究.pdf

摘要 结构的局部损伤和疲劳累积是结构失效的主要原因，因此以状态评估为目标的桥梁结构有限元 模拟必须准确分析结构在实际服役载荷下的动力响应和关键焊接细节处的热点应力分布。目前的建 模理论尚难以考虑结构中事实上存在的局部缺陷及对损伤的演化过程进行仿真分析。因此，考虑局 部焊接细节特性的结构模拟对于结构损伤分析有重要的学术意义。本文的主要内容是从实验研究的 角度探讨含局部焊接细节的桥梁钢桁架结构静动力响应规律。实验研究是认识与分析复杂结构体系 应力分布规律和动力特性参数的有效手段，实验研究得到的测试信息可以对含局部焊接细节的结构 的有限元模拟方法研究提供实验支持。本项研究得到国家自然科学基金项目“大跨结构多尺度损伤 模拟与失效行为仿真分析”( 项目编号：5 0 2 7 8 0 1 7 ) 和教育部博士点基金( 项目编号：2 0 0 4 0 2 8 6 0 3 1 ) 的资助。 实验研究以香港青马大桥纵向加劲桁架标准段的1 ：5 缩尺模型( 4 2 m x1 3 2 m , 共一榀) 作为含 局部焊接细节的钢桁架结构的代表，进行了多种工况下静动载响应实验研究：重点对焊接区域附近 的应变应力分布规律、热点应力分布和应力集中系数进行了探讨和分析。针对实验研究的目的和内 容，完成了钢桁架结构缩尺模型研制和实验方案的研究；对试样结构的整体和局部焊接细节处的材 料性能参数进行了测试，得到了母材、焊趾附近区域和焊材( 焊缝熔堆) 三部分的材料性能参数； 根据实验方案，在实验室现有设备和部分自行研制设备的基础上完成了含局部焊接细节的钢桁架缩 尺模型的静动载实验，得到了实验模型的原始模态参数、节点位移及转角和整体测点及3 个局部测 区的应变信息；对测试得到的静动载响应信息从整体应力分布、局部应力分布及影响因素等几方面 进行了分析，得到了整体和局部的应力分布规律，以及热点区域的应力集中系数随边界约束条件、 载荷工况等的变化而变化的趋势 实验研究的结果表明：1 ) 含局部焊接细节试样的材料性能参数必须按三类取值，即母材，焊趾 区域和焊材( 焊缝熔堆) ，由于受局部焊缝的影响三者的材料性能参数发生了变化，不能简单取某个 值来相互替代。2 ) 整个桁架试样的受力特性接近于梁型结构，在所施加的边界约束和载荷工况下， 试样模型整体以受弯为主要形式，具体到各部位杆件表现为：桁架结构上下弦杆较其它杆件受力均 匀，主要以轴向应力为主；中部腹杆除两端的斜杆外受力较小，也以轴向应力为主，两端的斜杆为 结构模型的应力幅值最大的部位，应力水平最高。3 ) 随着约束的加强，整个桁架结构的应力分布相 对地更加趋于平缓，整体应力水平也会降低。4 ) 局部测区的应力分布与热点区域的应力集中现象不 仅与周围的焊缝细节有关，还与模型结构所受到的载荷形式、载荷施加位置等载荷工况有关，从实 验结果来看，相同条件下均布载荷比集中载荷引起的应力集中要小，随着载荷的增大应力集中系数 增加的速度变慢；由于实验结构的明暗焊缝形式复杂。纵横交错，应力集中系数呈非线性变化规律。 5 ) 静载和动载引起的结构中应力分布规律基本上是一致的，幅值出现的位置也基本一致，但不同测 点对静载或动载的相对敏感性不同，这主要与测点所在位置和载荷工况有关。由于动应变测试得到 的时程曲线是一个随时间而变化的结果，边界误差和加载系统的稳定性对动应变测试结果的影响要 比对静应变测试结果的影响大的多。6 ) 实验桁架试样具有一般桁架结构的受力和工作特性，本实验 得到的含局部复杂焊缝的结构整体与局部热点应力分布规律对于类似结构有一定的参考价值。 最后，论文中利用a n s y s 软件建立了实验桁架结构的有限元模型，进行了结构模态和应力响 应的初步计算分析，并和实验结果进行了对比，结果表明实验测试信息可以满足含局部焊连接细节 的结构有限元模拟方法研究的需要。 关键词：钢桁架结构；焊接细节；缩尺模型实验；结构模拟；拟动力实验系统；应力集中 a b s t r a c t t h i st h e s i sa i m st oe x p e r i m e n t a l l ys t u d ) , s t a t i ca n dd y n a m i cr e s p o n s e so fb r i d g el o n g i t u d i n a l i i l l s $ w i t ht y p i c a lw e l d e dd e t a i l sf o rt h ep u r p o s eo fp r o v i d i n ge x p e r i m e n t a ld a t at ot h es m l e t u r a lf e m o d e l i n gb yc o n s i d e r i n gt h el o c a ld e t a i l e df e a t u r es u c ha st h es t r e s sc o n c e n t r a t i o na tt h ew e l d e d c o m p o n e n t s t h ew o r ki n v o l v e di nt h et h e s i sw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n av i al l l ep r o j e c t m u l t i - s c a l ed a l n a g em o d e l i n ga n df a i l u r eb e h a v i o rs i m u l a t i o no fl o n gs p a 口r l s n l l c t i l 矿州o ：5 0 2 7 8 0 1 7 ) a n do l h e r s t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw a sc a r r i e do u to nt h eb a s i so far e d u c e ds c a l es p e c i m e n , w i t ht h e s c a l e o f l ：5 ( 4 2 m 1 3 2 r a , f o u rs e g m e n t s o f t h e t r u s s ) ，a s a p a r t o f s t a n d a r ds e g m e n t s o f t h e t s i n g m a b r i d g el o n g i t u d i n a li l l l s $ w i t ht y p i e a lw e l d e dd e t a i l s t h ee x p e r i m e n t a ll l l e a s u l - e m a i to f t h es p e c i m e n u n d e rs t a t i ca n dd y n a m i cl o a d i n gi nt h ew h o l es t n l c t u r ea n dl o c a ld e t a i l sf o rh o t - s p o ts l r $ d i s t r i b u t i o n h a s b e e n d o n e m t h e t h e s i s t h ee m p h a s e s o f t h e m c a s t i r e m e n t o f t h es p e c i m e n sr e s p o n s e u n d e rs e v e r a lg r o u p so f l o a d i n ga n db o u n d a r yc o n d i t i o n sw e r ep u to i lw e l d e dd e t a i l st h es p e c i m e n e x p e r i m e n t si n c l u d e dt h em e a s u r e m e n to fd y n a m i cp r o p e r t i e sa n dr e s p o n s e so ft h es p e c i m e n u n d e rd i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n ds t a t i c ：a n dd y n a m i cl o a d i n gr e s p e c t i v e l y t h em e a s u r i n gp l a n s w f i r s t l ys t u d i e d0 1 1t i l eb a s i so f p r i m a r yf e ma n a l y s i sa n dp r e t e s ti nw h i c hf e a s i b l ea n dd e t a i l e d o p t i o nf o rt h ee f f i c i e n tt e s tw s sp r o v i d e d al o to f m e a s u r i n gs p o t sf o rs t r a i nd i s t r i b u t i o nw e l el a yo n t h eh o ts p o ta 嘲o fw e l d e dd e t a i l s t h e n , t h es t r a i nd i s t r i b u t i o no ft h es p e c i m e na n dt h es t l s $ c o n c e n t r a t i o nf a c t o r0 1 1t h et o eo f w e l d sw e r eo b t a i n e d , a n dt h ed i s t r i b u t e dr u l eo f t h es t r u c t u r a la n d l o c a ls l r e s sw a sa n a l y z e d m o d a lp a r a m e t e r s ( f r e q u e n c i e sa n dv i b r a t i o nm o d e s ) w e r ea l s oo b t a i n e d b ym o d a lt e s t i t b ee o n e l u d e af i o mt h er e s u l t so f t h ea n a l y s e so ne x p e r i m e n t a ld a t at l l a l ，1 ) t h r e et y p e so f m a t e r i a lp a r a m e t e r s , i e p a r a m e t e ro f s l r u e t u r a ls t e e l s o l d e ra n di , o t m d , r ya l * e ao f w e l d i n g , s h o u l db e t e s t e da n dt h e na d o p t e di nt h ef em o d e l i n go f t h en ws t r u c t t n ew i t ht y p i c a lw e l d e dd e t a i l sf o rt h e a c c u r a t ee v a l u a t i o no ft h em a t e r i a ld e s c r i p t i o no ft h et e s t e ds p e c i m e n ；2 ) t h et y p i c a ld e t a i l si nt h e l o n g i t u d i n a lt r u s ss h o w e dt h ec o n c e n t r a t i o nt oal i m i t e da o nt h et o eo fad o m i n a t ew e l d 砒t h e i n t e r s e c t i o na m o n gt h eu p p e rc h o r do rb o t t o mc h o r d , d i a g o n a la n dt h eg u s s e tp l a t e s t h e s e e o n e c n l r a l e da r e a ss h o u l db el , a i dn l o l ea l t e n t i o n s i nt h ef em o d e l i n go ft h eb r i d g et r u s si n c o n s i d e r i n gt h el o c a ld e t a i l e df e a t u r eo ft h ew e l d e dc o m p o n e n t s 3 ) t h eb e h a v i o ro fl o c a ls t r e s s c o n c e n t r a t i o nd e p e n d so nn o to n l yt h ew e l d i n gd e t a i l sn e a r b y , b u ta l s ot h et y p ea n dl o c a t i o no f l o a d i n go i lt h es t r u c t u r ea n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s 钔t h ee x t e n to ft h ee o n c e n l r a t i o ns 咖s r e l a x e dw h e nt h es p e c i m e nw a sl o a d e db yd i s t r i b u t e dl o a d i n gc o m p a r e dt ot h ec o n c e n t r a t e dl o a d i n g k e yw o r d s ：b r i d g el o n g i t u d i n a lt r u s s ；w e l d e dd e t a i l s ；r e d u c e d - - s c a l es p e c i m e n ；s t r u c t u r e m o d e l i n g ；p s e u d o - d y n a m i ct e s ts y s t e m ；s t r e s sc o n c e n t r a t i o n 1 v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：匡! 鍪! 主! 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研姓虢臣垒强国导师繇盟日期： 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 课题背景 第一章绪论 自从2 0 世纪5 0 年代以来，人们就意识到桥梁安全监测的重要性。早期的监测主要针对桥梁结 构的长期内力变形，基础的沉降等问题进行研究，涉及的内容比较单一，技术手段也以测量学方法 为主。近年来随着大跨桥梁的建设，桥梁结构性能的长期监测与健康诊断技术受到了国内外学术界、 工程界的广泛重视，并且在一些大跨度桥梁建设和运营过程中进行了有益的尝试，如丹麦对f a r o e 斜拉桥、g r e a t b e l t e a s t 悬索桥进行了施工阶段及通车后的监测；挪威利用全自动数据采集系统在主 跨5 3 0 m 的s k a r n s u n d e t 斜拉桥进行了加速度、倾斜度、应变、温度、位移等方面的监测；我国通过 对青马大桥、虎门大桥、徐浦大桥、江阴长江大桥、润扬大桥等桥安装结构健康监测系统进行了运 营期间的实时监测。所谓结构健康监测系统，是指利用一些设置在桥梁关键部位的传感器系统，实 时在线地量测桥梁结构在运营过程中的各种响应，并将这些数据传输给中心控制系统，按照事先确 定的评价方法与反应限值，实时地评价诊断桥梁结构的健康状况，必要时提出相应的处理措施，并 在极端情况下( 如台风、地震) 给出警示信号或关闭交通i l 。 目前结构健康监测技术还不完善，后期对监测信息的处理技术和状态评估理论很不成熟，尤其 是以大跨桥梁结构损伤预警和状态评估为目标的结构有限元模拟及修正技术这一关键问题还没得到 很好的解决，难以达到全面准确评估桥梁的工作状态嘲。在目前大量的损伤检测和评估方法研究中， 很多方法都是基于一个准确的结构模型，确保对结构原型的准确模拟；另外在传感器安装过程中往 往受到桥体结构复杂构形的限制，安装传感器的部位不一定就是桥梁结构中的危险部位，如桥体中 的多种类型构件的焊接点往往发生疲劳破坏的可能性很高，但这些位置加布传感器十分困难，这就 需要建立更为精细的有限元模型来反映桥梁结构中关键构件的局部应力集中分布，上述两点原因对 有限元模拟提出了更高的要求 大量的事实表明，结构中的局部缺陷、损伤和疲劳累积是结构失效的主要原因1 4 j 。以状态评估 为目标的桥梁结构响应的有限元分析要能够准确分析结构在实际服役载荷下的动力响应和结构中关 键构件的热点应力分布，为了达到这一目的，除了动力特性的有限元模型应该满足以外，在结构应 力模拟中还要包含关键细节处的焊连接细节处的应力集中等。目前的建模理论尚难以考虑结构中事 实上存在的局部缺陷和损伤的演化过程进行仿真分析因此，建立含局部焊接细节的结构损伤分析 模型，来开展模拟方法的研究对于这类结构的损伤分析理论有重要的学术意义。 这种兼顾整体和局部的有限元模拟在技术非常困难，目前还没有一个很好的解决方法。为了开 展模拟方法研究和解决这些问题，在整个过程中实验是一个非常重要的环节因为结构模拟都是建 东南大学硕士学位论文 立在一定的假设和抽象的基础上的，未经验证和更新的模型和结构原型之间必然有较大的误差。在 实桥上来完成这些检测和验证工作虽然更接近于实际，但是经费和交通运输等条件的制约使之无法 实现；另外，如果仅作为一种初步方法的研究在实桥上来完成这个工作也未必是最好的选择，毕竟 实桥上受到的干扰因素更多。 为了利于开展这项研究工作。设计一种这样的试样模型：既能得到它的整体信息，也能得到所 关注的局部细节信息，在实验室来完成这项实验工作，应该是一个不错的途径。本实验研究与其它 同类工作的重要区别是：本实验重点关注的是结构焊连接局部细节。实验的目的是通过实验认识此 类结构的静动态特性和在模拟桥梁工作载荷下结构整体和局部细节处的应力分布情况和应力变化梯 度。为考虑局部细节特性的结构有限元模拟和分析提供模型修正和验证过程中所需的实验信息与资 料。由于实验的主要目的是为考虑局部细节特性的结构模拟方法研究提供实验基础，因此本实验的 试样必须是一个含局部焊接细节的结构模型。为了使实验研究的结果不仅对模拟方法研究而且对实 际结构的模拟有直接的参考价值，最好是将实验研究的试样做成一个实际结构的缩尺模型。 在本项目组目前进行的结构模拟方法研究中， 以状态评估或损伤评估为目标的结构有限元模拟， 有的基金项目和工程项目都涉及到大跨悬索桥的 主要是因为国内外重要的大跨桥梁结构安装了结 构健康监测系统带来的迫切要求。为此本实验研究的试样拟取大跨悬索桥钢箱梁结构中的纵向加劲 桁架标准段缩尺而成。 1 1 2 课题所涉及的主要研究领域 1 静动力响应测试 静载实验作为一种传统的实验方式自身具有无可比拟的优越性，在测量精度上，无论是挠度测 量还是应变测量都要比振动特性好得多。事实上随着近年来测试技术的提高，原来许多缺点都得到 了不同程度的改善，如应变计，现在有了只需几分钟就能固定在构件上的应变传感器。在挠度测量 方面，除了g p s 的运用外，利用连通管技术的挠度计也可以做到方便、快捷、准确。电阻应变片的 性能、稳定性、精度和规格已能满足多种复杂测试条件的要求“。针对桥梁结构参数识别和模型修 正的静载实验无论加载条件，还是测量精度方面都要比通常结构实验严格”1 。由于局部应力集中、 测量表面的缺陷以及结构裂缝的影响，某些测点上的测量应变可能出现异常的现象。同时，由于建 模误差的原因，一些测点上测量应变与分析结果的相关性可能比较低。 理论上说，只要参数的变化能够通过结构的激励和响应函数关系反映出来，无论是直接的还是 间接的，该实验就能为结构参数识别、模型修正等提供信息基础。关键是结构参数与这种函数关系 的相关程度、环境因素对此相关性的干扰以及激励与响应的可能量测精度”j 。因此实验设计在结构 参数识别中是举足轻重的。对于桥梁，主要识别的是刚度参数。在不考虑其它因素干扰的情况下， 刚度参数的变化既明显影响结构的自振特性以及相关的其它动力指标，也明显改变结构的外荷载一 位移，外荷载一应变关系。于是，静载实验、动载实验在桥梁参数识别中的应用都是可能的 2 第一章绪论 静动载实验的实验技术主要包括：设备设置( 传感器、a d 转换器、放大及记录设备等) ，传感 器布点。信号采集，信号处理，结构特性( 结构指纹) 提取等六大内容。对于大型桥梁，传感器的 优化布置成为动态测试技术在桥梁监测、参数识别应用的关键环节。信号处理及结构特性提取技术 也直接关系到桥梁监测、参数识别的成败。目前信号处理的方法主要有两大类：频域方法和时域方 法。 模型实验使用的材料，应该尽可能符合一般弹性理论的假设，应具备的性质为：均质性，各向 同性，线性应力一应变关系( 虎克定律) 和恒定的泊松比。铝合金作为模型材料占有特别重要的地 位。它的特点是容许应变值很大，导热性很高，同时还兼有较低的弹性模量。但是，弹性模量还很 高，足以减小应变片本身刚度的干扰影响。这类材料的泊松比约为0 3 。许多塑料也可用于模型实验， 其优点是易于加工，但由于塑料的导热能力低，造成了应用电阻应变片的困难。熟石膏也是一种广 泛用于制作弹性模型的材料它的优点是：易于加工；制造大型模型合算；泊松比和弹性模量都可 用渗入其它材料和选择用水量而加以控制。主要缺点；抗拉强度很低，并很难得到均匀而又确切的 弹性特性。多用于模拟混凝土材料的问题。考虑到用相同材料制作模型比较容易满足相似条件，所 以尽量采用与原型相同的材料 2 面向状态评估的结构整体与局部特性描述 结构健康监测的核心是损伤识别i s 。关于损伤识别与定位的研究，可分为局部的和整体的方法， 局部的方法以无损检测技术为工具，对结构局部部位检测，可以较精确地对结构缺陷部位进行定位、 探查、甚至定量分析。结构损伤既可能由不良的受荷条件，包括使用环境引起的损伤累积和突然的 自然灾害；也可能因为错误的设计和低劣的施工质量所致；此外，还可能因为某些特殊结构的超期 服役，如位于重要枢纽和交通要道的桥梁1 9 。川。可见结构损伤不仅不可避免，而且具有一定的普遍 性。 现有桥梁结构的自振特性，如频率、振型、阻尼比是客观存在的，这些重要参数是建筑物自身 固有的，对建筑物的损伤监测、预测及评定是至关重要的“1 “。建筑物在正常使用过程中处于线弹 性状态，质量、刚度一定，则自振频率、振型一定。反之亦成立。因此，知道了频率、振型就可以 用系统识别的方法确定结构的质量和刚度。桥梁结构在正常使用过程中，不可避免地受到车辆载荷、 各种自然因素的作用而遭受腐蚀，损伤甚至破坏，从而改变结构物理参数，结构物理参数的变化又 会在结构振动的振型和频率上有所表现。以此为理论基础的动态测试方法，简便灵活，有着很好的 应用空间。结构物的动力特性决定于结构自身的质量、刚度、结构型式以及所用的材料。上述各项 条件较为复杂，且在使用的过程中将有所变化。随着它们的变化，结构动力特性的参数”“4 】亦会有 所改变因而通过计算的方法难以得到结构动力特性的参数，用动态测试方法获得结构的动力特性 简便可靠，并可用于结构的损伤预警和状态评估。通过对动态测试信号的相关分析、传递特性分析 等，可求得更多的自振参数。 实际上，由于无法考虑结构的缺陷、损伤状况、施工质量等因素以及建立有限元模型时所作的 3 东南大学硕士学位论文 简化假设，从而使理论计算模型与真实计算模型在动力特性存在差异，为了做到理论计算模型与真 实结构在动力特性上等效，根据结构实验模态分析方法和参数识别技术所获得的模态数据，由振动 反问题理论获取结构动力模型物理参数，从而建立较准确的计算分析模型是十分必要的。 目前，一些大跨桥梁结构大多利用焊接工艺把不同钢构件连接起来的。对于大型钢箱梁，焊接 工艺复杂并且技术性很强。在施工过程中不可避免的出现一些焊接缺陷导致的局部损伤，而这些局 部损伤区域长期在恒载和动载荷的作用下是易于出现失效和疲劳破坏的危险部位，并往往是众多土 木结构失去承载能力和发生破坏的直接原因。也正是鉴于这个原因，在建立大跨结构有限元模型的 过程中对局部损伤进行有效模拟越来越得到人们的重视；在工程结构的设计和分析中考虑局部缺陷 和损伤对结构的影响也越来越为现代的设计师和结构工程师所接受。 由于大跨桥梁结构体积大、空间大且构造形式复杂，在有限元建模过程中要引入局部损伤分析， 无论是模型的形式还是对一些细节的处理技术，都存在非常大的困难。为了解决这方面的难题，课 题组提出了“以大跨桥梁结构损伤和失效全过程为目标的结构多尺度模拟及其修正理论”这一理论 和技术路线，尝试对不同尺度有限元模型的衔接及损伤模拟做些研究和突破。本论文针对含局部焊 接细节特性的结构建模和模型修正的需要，准备在含局部焊接细节的桁架实验模型上通过静动力响 应分析、研究，从计算分析的角度，对整个桁架模型和关键构件、关键节点的焊连接细节部位的热 点进行应力分析，得到一些特殊载荷下的应力应变分布规律和局部热点区域的应力集中形式，为模 型修正和验证提供实验信息；也可为今后普遍用于大型桥梁结构上找到一些可行的方法，并尝试在 这一领域进行一些基础的研究工作。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 结构模型实验 随着计算机的发展，结构分析的方法也有了飞跃的进步，虽然用计算机对结构的数学模型分析 在时间和经费上有时比做结构模型实验更节省，但结构模型实验因不受简化假定的影响，能更实际 地反映结构的各种物理现象、规律和量值。相反，有时简化了的数学模型分析结果还需要模型实验 来验证。结构模型实验与计算机模拟相结合，两者相辅相成、相互促进已成为结构模型实验今后发 展的主要方向“” 1 8 4 8 年，通过大量的模型实验研究，别尔特兰首先确定相似现象的基本性质，并提出了量纲分 析的初步理论，这为相似模型实验的发展奠定了理论基础；反过来，结构模型实验对工程结构和工 程技术的推动作用也很明显。 模型实验的思想与人们探索自然界的现象同样悠久。1 7 5 5 年德国格莱伯曼为了在莱茵河上建造 木桥，首先用模型实验验证了设计的可靠性。1 8 2 9 年法国科学家柯西用模型作梁和板的振动实验。 4 第一章绪论 1 8 4 6 年英国罗伯特斯坦福森等人为不列颠桥设计进行了宿尺1 ：6 的桥梁结构模型实验，之后他又 对另一座管形结构铁路桥作了模型实验。 进入2 0 世纪后，随着模型相似理论的建立、科学技术和实验技术的发展，结构模型实验也进入 正规发展时期。1 9 4 7 年葡萄牙建立了里斯本国家土木工程研究所，进行了许多小尺寸模型实验。1 9 5 1 年意大利建立了贝加莫结构模型实验所，多进行大尺寸模型实验。此外，美、英、法、德和日本也 都先后建立了大型结构实验室，为模型材料的研制、实验技术的发展、实验设备的更新作了很大贡 献。5 0 年代后期，随着我国建设事业的蓬勃发展，结构模型实验也得到了快速发展，并随着国际性 的学会组织的出现、各科技领域的发展、国际科技交流的开展，又大大推动了我国结构模型实验技 术的提高和发展。 结构模型实验目前已是结构研究工作的重要手段 2 0 l 。一般来说，只要能列出所需研讨问题的数 学物理方程，不论方程是否能解，或者甚至还列不出方程，但能确定影响问题的主要物理量，则这 些问题都能通过模型实验进行深入研究，但是模型实验也有费时、费工、周期长等一些缺点。 表1 1 实验模型的常用缩尺比例 结构类型壳体板构桥梁混凝土坝 11lll 弹性模型 2 0 05 02 52 54 0 0 11lll1l 强度模型_ 一 3 01 0 1 042 047 5 近年来对桥梁结构以健康监测为目标的模型实验多以全尺寸缩尺模型为主。我们课题组以润扬 大桥的斜拉桥1 ：6 0 缩尺模型模拟实验。目前已完成静力实验、桥塔与整桥的动力特性测试和影响线 的测试，所得到的参数与设计参数基本吻合。武汉交通科技大学的吴卫国等人对“大型钢桁架模型 动力特性实验”做了较详细的研究。”，采用的桁架模型为钢引桥的l ：5 缩尺，结构型式为栓焊式桁 架结构，杆件剖面为h 型，节点问采用高强度螺栓连接。类似的实验还有很多，实验测试的目的也 很接近，测试和研究的内容也均集中在结构全尺度范畴上，对于损伤细节处的局部分析不够或无法 进行。为了研究不同尺度模型之间的衔接理论及局部损伤分析，本实验模型设计为含局部焊接细节 的钢桁架结构缩尺试样，主要对动力特性参数、静动载荷下应力应变分布及局部焊接热点区域的应 力集中做些实验分析和研究。 1 2 2 有限元建模 正如前面在损伤领域中所述，对大跨桥梁结构进行包含局部细节的有限元模拟存在很大的困难， 目前的分析理论和手段都不成熟。国内外在结构建模和模型修正方面已傲了很多工作，所建立的大 跨桥梁有限元模型几乎都是采用传统的脊骨梁模型，这样的模型对于桥梁设计阶段是足够的，对于 5 东南大学硕士学位论文 健康监测系统来说还远远不够。以现在的测试技术和一般计算机能力，对于局部结构构件的应力状 况还很难准确测量和精确计算，而这些局部构件往往又是易于出现缺陷、损伤和疲劳累积并最终导 致整个结构破坏的主要因素。 目前，桥梁结构健康监测系统还处于初始阶段，很多理论和技术仍不完善、亟待解决；但是怎 样尽快研究出一种在当前技术条件下能够对桥梁健康状况做出有效分析的方法是目前所要解决的首 要问题。如果一个大型桥梁结构建立的有限元模型过细，对于一般的计算机无论计算容量还是计算 能力都不可能做到，而如果过于简化的模型又解决不了实际问题。涵盖载荷所作用的结构全尺度和 损伤萌生的局部细节尺度的多尺度有限元建模技术可望对这一难题的尽快解决带来可能。 在这一技术路线下，建模准确与否直接影响到分析结果的准确性，然而，有限元模型是建立在 一定的假设和抽象的基础上的，而有限元模型的精度受到许多因素的影响，如简化假定、边界条件 的近似性、物理参数的误差等，任何一个分析模型都不能反映结构的真实情况，只能使分析模型尽 可能地接近真实结构，未经验证和修正的模型与桥梁原型之间必然有较大的误差，一个有效的方法 是采用有限元模型修正技术有限元模型修正技术就是要充分利用结构实验和有限元分析两者的优 点，用少量的结构实验所获得的数据对有限元模型进行修正，使得修正后的模态参数与实测值趋于 一致，获得比较准确的有限元模型。 随着计算机日新月异的发展，它在工程科学领域的应用己十分广泛。由于计算的成本低、速度 快，还可以模拟工程中可能遇到的各种情况，而实验特别是现场实验必须在工程完工后才能进行， 周期长，耗资大，因而，用计算机部分取代实验，这是工程界追求的目标。目前，结构工程领域中 广泛用有限元方法进行模拟计算。 结构分析研究一般有计算分析和实验分析，它们的理论基础为结构力学。计算分析所采用的工 具针对不同结构类型有不同的通用有限元程序( 如a n s y s 、s a p 等) ，建立有限元模型求解系统的 特征值，从而获得结构的各特征参数尽管如此，由于材料、工艺、结构的复杂性，有限元的单元 与实际结构状态的差异以及边界条件的判断处理难于准确预定，这些都会影响计算的精度，故有必 要用实验来验证计算模型，二者相辅相成。 通过有针对性的实验研究对于整体性能的分析与验证、完善健康监测系统的一些基础理论会有 很大的帮助，但真正把这些成果运用于实际监测缺陷的存在、损伤的发生和疲劳的累积，会发现还 是解决不了具体的问题或者说得到的结果与实际相差甚远。为了解决这个问题，课题组目前正在往 这个方向努力：研究在不同的尺度下建立分析模型的方法和相应的模型衔接理论，从而使大跨结构 的损伤分析可以在各自的单元特征尺度范围内建立多尺度模型并相互衔接起来进行整体的和局部的 损伤分析“” 6 第一章绪论 1 3 本文的研究内容 1 3 1 研究内容 本论文的研究内容是课题组在做研究项目“大跨桥梁结构以损伤评估为目标的多尺度模型修正 及其应用”的一部分，并以香港青马大桥和江苏润扬长江大桥健康监测系统为背景。结合前述的研 究工作需要，为解决大跨桥梁结构有限元建模过程中如何有效、科学地模拟局部损伤这一实际问题， 拟对含局部焊连接细节的钢桁架模型m 。5 1 在静动载荷下的实验做以下几方面的探讨与研究工作： 1 实验试样的研制。实验模型专门针对大跨桥梁结构多尺度建模和模型修正中的局部损伤模 拟和分析这一实际问题，不同于一般的结构模型实验，特点在于该模型要充分考虑结构的 局部损伤( 主要是结构焊连接件的焊趾附近) ；在考虑了含局部焊连接细节特点的前提下， 结合青马大桥纵向加劲桁架的图纸、根据相似理论，设计一个标准段的l ：5 缩尺模型。 2 实验方案研究。实验的目的是，在特制的相似结构模型上施加简单特殊荷载得到其静动力 响应结果，并通过对结果的进一步分析、尤其是富含焊连接细节的局部热点区域。得到更 加具体和真实的信息，为针对前面的一些具体问题而建立的有限元模型的验证和修正服务。 为了达到这些实验目的和研究目标，要研究制定详细、可行的实验方案，包括测点布置方 案、加载测试方案及误差分析处理等 3 实验过程实施。由于拟测试的项目较多，根据荷载作用的性质和测试内容，把实验分成两 部分：静载测试和动载测试。为使实验工作顺利进行、获得较好的实验结果，对一些实验 操作流程和实验方法要做到熟悉掌握，并制定明确的加载工况表，根据桥梁实验方法 的要求，所有静载实验载荷均分级加载且不少于三级。动态测试也是对实验模型要进行的 一个重要研究内容，首先通过各种激励方法测出其固有频率和振型等模态参数。作为后面 有限元分析计算的主要参考依据。 4 实验结果进行结构整体与局部应力分布规律的研究。从测试得到的原始结果仅能看到结构 的一些表面信息，只能从宏观上把握其受力特性；为了在有限元模型中更好地模拟局部损 伤，提供更多的实验信息支持，对含焊连接细节的热点区域要进行详细的局部应力分析， 得到热点区域的应力分布规律和应力集中系数。 1 3 2 研究中存在的困难及拟采取的措施 模型实验尽管已有很长时间的发展历史，但是一些具体的问题解决起来还是很困难。尤其是本 文所进行的实验研究，由于在实验对象、实验目的等方面完全不同于以往的一些模型实验，因此可 以预计：除了常见的模型实验中会遇到的困难以外，还会出现一些新的问题有待解决。这些可能存 7 东南大学硕士学位论文 在的问题主要有：i ) 从实验的角度来说，为了具有准确性、可靠性及能反应实际规律，在做模型设 计时要考虑多种相似性，并且各种相似常数之间要满足一定的函数关系。2 ) 边界约束条件的模拟也 是很困难的，很难模拟各种自然环境因素的影响，在实验室内部进行实验还要受到空间、设备等其 它一些条件的制约。静力相似只需要长度和力两个基本量就足够了，而动力相似又引进了时闻，有 三个相互独立的基本量，即长度、力和时间完全的动力相似是不可能的，为了研究某一类问题， 需要突出某一类相似关系，而缓和其它的相似关系模型设计过程中，我们还会发现：当对实验结 果影响因素较多时，根据相似判据会求得较多的相似常数；要完全满足所有相似常数很困难，甚至 不可能。此时。对于那些对实验结果影响较大的相似常数要确保得到满足；对实验结果影响很小又 不容易得到满足的相似常数，可采用等效手段近似满足。这一思想对模型设计有很大的帮助。 在模型设计中，应从两方面充分考虑实验：所采用的实验技术和实验目的。具体的讲，要综合 考虑模型类型、材料、制作条件、加载能力、测点布置以及设备条件等等，才能确定出一个最优的 几何尺寸。尺寸小的模型所需载荷小，但制作困难，加工精度要求高，对量测仪器要求也高；尺寸 大的模型所需载荷大，但制作方便，对量测仪器一般无特殊要求。 如前所述，本实验研究的主要目的是通过实验探讨含局部焊接细节的桥梁结构在模拟工作载荷 下的整体与局部应力的分布规律，这就要求我们在实验方案的研究和实验的实施、实测过程以及实 验结果的分析中解决好整体与局部应变响应同步测试的问题，做到对整体响应和局部焊接细节热点 应力的把握和了解，这个问题的解决是本文研究的重点。 8 第二章实验方案研究 第二章实验方案研究 对于拟将开展新型的探索性的实验研究，一个完整可行的能达到预实验研究目标的实验方案是 首先需要研究的内容，主要包括：依据实验目的确定测试内容、进行桁架缩尺模型试样的研制以及 测试方案的研究三个方面，下面分别论述本文在这三个方面所进行的研究工作 2 1 实验目的与测试内容 实验目的是通过实验认识含局部焊接细节的桥梁桁架结构的动态特性和在模拟工作载荷下结构 整体和局部细节处的应力分布情况和应力变化梯度，为考虑局部细节特性的结构有限元模拟和分析 提供模型修正和验证过程中所需的实验信息与资料。为了达到这一目标，本文的实验研究就需要至 少完成三方面的测试：1 ) 结构动态特性测试；2 ) 结构在典型静载下的响应；3 ) 动载响应。 2 1 1 静载实验 静载实验是将静止的荷载作用在实验模型的指定位置，而测试结构的静力位移、静力应变应力、 裂缝等参量为实验项目。静载作为一种特殊形式的载荷，相对于动载和其它形式的载荷具有良好的 稳定性、可重复性，测试的结果也具有更高的精度和可靠性。在静载荷下对实验模型测试能得到一 些基本的信息，如应力分布规律、应力集中情况、极值点位置等，对于关注部位的应变也可以准确 测量。这些测试信息均可以作为模型修正和验证的实验依据。 在静载实验之前，首先要根据实验目的来确定实验内容，鉴于实验室的具体设备和条件，静载 实验测试的主要内容如下： 1 结构各主要构件的位移 2 结构各主要构件的名义应力 3 典型节点区域的应变 4 焊缝区域的应力梯度 2 1 2 动应变测试 动载实验主要是模拟模型的原型构件在实际运营载荷下的约束和受力形式。一般大桥每天都承 担着繁忙的交通运输，交通流量很大，每当车辆通过大桥时，桥身构件内会产生一定数量的应力循 环，这些应力循环具有幅值低、循环次数很高的特征。对一些发生事故破坏的钢桥梁进行的调查结 果发现：在运营荷载作用下，桥梁破坏的一个重要原因是构件的疲劳破坏；而桥梁焊接构件的疲劳 损伤累积以及由此而引起的结构灾难性破坏是桥梁破坏的重要原因之一。通过相似或近似模拟具有 幅值低、循环次数高特征的动载荷，根据动应变的响应信息得到实验模型的阻尼系数，响应速度、 9 东南大学硕士学位论文 敏感性等。这些信息对于要修正为较精确的有限元模型是需要的。对实验模型进行动力测试是进一 步了解结构性能的有力工具。另外采集一些测点的动应变信息也可以得到实验模型的动力分布规律 和冲击系数，再把动应变测试结果与相同工况下的静应变结果做对比分析，比较两者的分布规律是 否一致。主要测试内容为：各种工况下所有测点随时间而变化的应变时程曲线，应变是时间的函数， 具体形式与施加的动载荷谱有关。 2 1 3 模态实验 在考虑局部细节特性的钢桁架有限元建模过程中，为了准确模拟与分析，得到钢桁架结构模型 的动力特性和原始状态下的结构模态是必要的，找到结构的薄弱之处，预测结构疲劳损伤的部位。 与有限元计算得出的模态对比，服务于有限元模型的修正和验证。 结构动力分析研究通常有计算分析和实验分析两种途径。它们的理论基础都是结构动力学。计 算分析一般都是采用有限元法建立系统动态数学模型，求解系统的特征值，从而获得结构的固有动 态特性。现在已经有很多可用于结构分析的通用有限元程序( 如a n s y s 。s a p , e t a b l e s 等) ，但是， 由于模型材料、工艺、结构的复杂性，有限元单元与实际结构状态的差异以及边界条件( 如工程中 没有理想的刚性联结和铰接) 的判断处理难于准确预定诸因素，都会影响计算分析的精度，故有必 要用实验来验证计算模型。考虑到模态实验经济性和复杂性，特别是做结构动力优化和疲劳损伤时， 反复实验有时几乎是不现实的，采用有限元计算进行实验前的预分析是必不可少的。根据分析的结 果可以预示结构的主要模态特性，从而选择实验方法，选择激励点的位置和测点的位置以及数量， 测量系统性能等。结构动力特性的主要参数包括自振频率、阻尼和阻尼系数等，它们主要由质量分 布、结构刚度、材料性质、边界条件等因素决定。这些参数是其它更详细的动力分析的起点，例如 谱分析、动力时程分析。因此，结合实验条件和模型本身的性能，主要测试该实验模型的自振频率、 振型和阻尼系数。 模态实验在a n s y s 进行动力计算预分析下进行，利用理论计算结果来优化模态实验方案。采用 激振器扫频技术对结构进行激励，同时进行信号采集，通过对结构的激励和响应之间的传递函数进 行曲线拟合，运用参数识别技术得到结构的模态参数。 2 2 缩尺模型试样研制 由前面的分析提出的实验研究目的可知，本实验研究与其它同类工作的重要区别是：本实验重 点关注的是结构焊连接局部细节。由于实验的主要目的是为考虑局部细节特性的结