（工程力学专业论文）基于有限元模型修正的斜拉桥健康监测系统阈值分析.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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的成果，也不包含为获得武汉理工大 学或其它教育机构学位证书而使用过的材料。与我一起工作的同志对本 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。 关于论文使用授权的说明 l , v 1 1 岁2 0 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论 文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研魁c 签鼽挡多闾洳导师c ：诩镪日期：川讥 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 由于具有超强的跨越能力和出色的自身优点，斜拉桥日益向大跨度方向迈 进，中国苏通长江公路大桥是世界跨径最大的斜拉桥，其主跨已达到1 0 8 8m 。 大跨径斜拉桥结构若采用单一的混凝土梁或钢梁，边跨墩顶都会产生负反力， 且塔顶和主跨会产生过大的偏移及挠度，因此产生了混合梁斜拉桥结构，边跨 混凝土主梁不但起到压重、增加全桥整体刚度及直接参与受力的作用，而且能 显著降低工程造价。同时为适应水文、地质、地形( 包括水底地形) 等条件，斜拉 桥索塔的高度有时建造得不一致，还给人错落有致的映象，能增加桥梁的动感 和美学特色，但这样也会破坏结构的对称性。显然地，大跨度高低塔混合梁斜 拉桥的静、动力特性会更加复杂。 本论文结合荆岳长江公路大桥这一大跨度高低塔混合梁斜拉桥，使用 m i d a s c i l 软件建立全桥的初始空间有限元模型，利用成桥静力和动力荷载 试验对该有限元模型进行验证和必要的修正，使其为结构长期健康监测系统提 供运营阶段的预警阈值。论文的具体研究工作包括以下三个方面： ( 1 ) 针对大跨度混合梁斜拉桥的显著的非线性效应，首先介绍了对大跨度 混合梁斜拉桥进行非线性分析时需注意的问题及模型应满足的要求，以及介绍 了确定斜拉桥合理成桥状态的几种典型方法，包括零位移法、弯曲能量最小法、 连续梁法、影响矩阵法，其中对最小弯曲能量法和影响矩阵法的基本原理和公 式进行了重点介绍和推导。遵循前面介绍的建模要求，建立了荆岳长江大桥的 空间有限元模型，采用影响矩阵法，以塔顶水平位移和主梁竖向位移为约束条 件，计算得到了最优索力，与荆岳桥设计方给出的目标索力值相比误差平均小 于5 ，从而获得了荆岳长江大桥的合理成桥状态。 ( 2 ) 以荆岳长江大桥通车前的现场静载试验为基础，将各个荷载工况实测 的主梁变形、部分斜拉索索力及主梁截面应力与有限元模型计算值比较，实测 值与计算值吻合良好，验证了荆岳长江大桥完整的三维有限元模型可以准确地 反映其在静荷载作用下的力学行为，表明初始有限元模型中结构物理参数和刚 度基本上不需修正；接下来充分利用荆岳桥的全桥动力特性试验，通过实测模 态结果与有限元模态计算结果对比，对初始有限元模型的边界条件参数进行修 武汉理工大学硕士学位论文 正，修正后的有限元模型能真实体现荆岳桥结构的动力特性，能够反映荆岳桥 在运营前未有损伤情况下结构的真实行为，为其长期健康监测和运营阶段状态 评估提供可靠的计算基准，可作为该桥的基准有限元模型。 ( 3 ) 以修正后的荆岳长江公路大桥有限元模型为基础，全面施加运营阶段 阈值计算所需的荷载，通过不同的荷载工况组合，评估运营阶段的结构状态， 表明荆岳桥在运营阶段结构处于良好的工作状态。再以荆岳桥健康监测系统的 预警报警系统级别为基础，给出结构健康监测系统典型传感器测点的阈值，为 其长期健康监测系统提供了有效的报警依据，为更深入研究大跨度混合梁斜拉 桥结构损伤识别提供了参考标准。 关键词：大跨度斜拉桥、有限元模型修正、健康监测系统、阈值分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hs u p e r i o rs k i l l sa n de x c e l l e n ts e l f - c r o s s i n ga d v a n t a g e so fc a b l e - s t a y e d b r i d g ee v e rt os p a nd i r e c t i o n ，t h ec h i n e s es u - t o n gy a n g t z er i v e rh i g h w a yb r i d g ei s t h ew o r l d sl a r g e s tc a b l e s t a y e ds p a n ，t h em a i ns p a nh a sr e a c h e d1 0 8 8m l o n gs p a n c a b l e s t a y e ds t r u c t u r e ，t h eu s eo fas i n g l eb e a mo rg i r d e r , s i d es p a np i e rw i l lh a v ea n e g a t i v er e a c t i o n ，a n dt h et o pa n dt h em a i ns p a nw i l lh a v et h eo f f s e ta n dt h e d e f l e c t i o ni st o ol a r g e ，r e s u l t i n gi nah y b r i dc a b l e - s t a y e db e a mb r i d g es t r u c t u r e ，t h e s i d es p a nc o n c r e t eg i r d e rn o to n l yp l a yh e a v y p r e s s u r et oi n c r e a s et h eo v e r a l ls t i f f n e s s o ft h ew h o l eb r i d g ea n dd i r e c t l yi n v o l v e di nt h er o l eo ft h ef o r c e ，b u ta l s oc a n s i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ep r o j e c tc o s t a tt h es a m e t i m et om e e tt h eh y d r o l o g y , g e o l o g y , t o p o g r a p h y ( i n c l u d i n gt h eu n d e r w a t e rt e r r a i n ) a n do t h e rc o n d i t i o n s ，t h eh e i g h to ft h e t o w e rc a b l e s t a y e db r i d g ec o n s t r u c t i o nw a ss o m e t i m e si n c o n s i s t e n tp a t c h w o r ko f i m a g e sb a c kt op e o p l e ，c a ni n c r e a s et h ed y n a m i ca n da e s t h e t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e b r i d g e ，b u ti tw i l la l s od e s t r o yt h es y m m e t r yo ft h es t r u c t u r e c l e a r l y , t h el e v e lo f l a r g es p a nc a b l e - s t a y e db r i d g et o w e rm i x e d - b e a ms t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s w i l lb em o r ec o m p l i c a t e d t h i sp a p e rc o m b i n e st h ej i n gy u ec h a n g j i a n gh i g h w a yb r i d g eo v e rt h el e v e lo f t h et o w e rh y b r i dg i r d e rs p a nb r i d g e ，u s i n gt h em i d a s c i v i ls o f t w a r et oe s t a b l i s h t h ei n i t i a l f u l l b r i d g e f i n i t ee l e m e n tm o d e l ，u s i n gt h eb r i d g ei n t ot h es t a t i ca n d d y n a m i cl o a dt e s t o ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lv e r i f i c a t i o na n dt h en e c e s s a r y a m e n d m e n t st oi t sl o n g - t e r mh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h es t r u c t u r et op r o v i d e e a r l yw a r n i n go fo p e r a t i o n a lp h a s et h r e s h o l d s p e c i f i cr e s e a r c hp a p e r si n c l u d et h e f o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： ( 1 ) m i x e db e a m sf o rl a r g es p a nc a b l e s t a y e db r i d g eas i g n i f i c a n tn o n l i n e a r e f f e c t ，f i r s ti n t r o d u c e dt h em i x e db e a mo fl o n gs p a nc a b l e s t a y e db r i d g es h o u l dp a y a t t e n t i o nt on o n l i n e a r a n a l y s i s o ft h ep r o b l e ma n dm o d e ls h o u l dm e e tt h e r e q u i r e m e n t s ，a n di n t r o d u c e dt od e t e r m i n ec a b l e - s t a y e db r i d g ei n t oar e a s o n a b l es t a t e o fs e v e r a lt y p i c a lm e t h o d s ，i n c l u d i n gz e r o - d i s p l a c e m e n tm e t h o d ，b e n d i n ge n e r g y m i n i m i z a t i o n ，c o n t i n u o u sb e a m ，i n f l u e n c em a t r i xm e t h o d ，i nw h i c ht h ei m p a c to ft h e m i n i m u m b e n d i n ge n e r g ym a t r i xm e t h o da n dt h eb a s i cp r i n c i p l e sa n df o r m u l a sw e r e 武汉理工大学硕士学位论文 h i g h l i g h t e da n dd e r i v a t i o n f o l l o wt h em o d e ld e s c r i b e da b o v e ，t oe s t a b l i s ht h ej i n g y u ec h a n g i i a n gb r i d g ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h ei n f l u e n c em a t r i xm e t h o d ，t ot o p h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h em a i nb e a mc o n s t r a i n t s ， c a l c u l a t et h eo p t i m a lc a b l et e n s i o n ，a n dj i n gy u eb r i d g ed e s i g n e ri sg i v e nt h ev a l u eo f c a b l et e n s i o nt h a nt h et a r g e ta v e r a g ee r r o rl e s st h a n5 t oo b t a i nar e a s o n a b l ej i n g y u ec h a n g j i a n gb r i d g e ，b r i d g ec o m p l e t i o n ( 2 ) j i n g y u ec h a n g j i a n gb r i d g ei nt h es c e n eb e f o r et h eo p e n i n go ft h eb a s i so f s t a t i cl o a dt e s t ，w i l lb em e a s u r e di nv a r i o u sl o a d i n gc o n d i t i o n st h em a i nb e a m s ，p a r t o ft h ec a b l ef o r c ea n dt h em a i nb e a mf i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rs t r e s sc a l c u l a t i o na n d c o m p a r i s o n ，t h e m e a s u r e da n dc a l c u l a t e dc o n s i s t e n tg o o d ，v a l i d a t e dj i n gy u e c h a n g j i a n gb r i d g ec o m p l e t et h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lc a na c c u r a t e l y r e f l e c tt h es t a t i cl o a di nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h ei n i t i a lf i n i t ce l e m e n tm o d e l s h o w e dt h a tt h es t r u c t u r a lp h y s i c a lp a r a m e t e r sa n ds t i f f n e s si s e s s e n t i a l l yw i t h o u t a m e n d m e n t ；t h en e x tf u l lu s eo fj i n gy u eb r i d g ef u l l - b r i d g ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t e s t ，t h r o u g ht h em e a s u r e dm o d a lr e s u l t sa n df i n i t ee l e m e n tm o d ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ， t h ei n i t i a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eb o u n d a r yc o n d i t i o np a r a m e t e r sm o d i f i e da n d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lc a nt r u l yr e f l e c tt h ej i n gy u eb r i d g es t r u c t u r ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sj i n gy u ec a nr e f l e c tn o td a m a g et h eb r i d g ei no p e r a t i o np r i o rt ot h e a c t u a lb e h a v i o ro fs t r u c t u r e su n d e ri t sl o n g t e r mh e a l t hm o n i t o r i n ga n dc o n d i t i o n a s s e s s m e n to ft h eo p e r a t i o n a lp h a s et op r o v i d ear e l i a b l eb a s i so fc a l c u l a t i o nc a nb e u s e da st h eb a s ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eb r i d g e ( 3 ) t h er e v i s e dj i n gy u ec h a n g i i a n gh i g h w a yb r i d g ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h e o p e r a t i o n a lp h a s eo f a c o m p r e h e n s i v et h r e s h o l da p p l i e dt oc a l c u l a t et h er e q u i r e dl o a d ， t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no fd i f f e r e n tl o a dc a s e st oa s s e s st h eo p e r a t i o n a lp h a s e o ft h e s t r u c t u r eo ft h es t a t e ，t h a td u r i n gt h eo p e r a t i o n a lp h a s ej i n gy u eb r i d g es t r u c t u r ei si n g o o dw o r k i n gc o n d i t i o n k a n gj i n gy u eo i a o j i a nt h e nm o n i t o r e da l a r ms y s t e m l e v e l e a r l yw a r n i n gs y s t e mb a s e do nt y p i c a ls t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mi sg i v e n s e n s o rt h r e s h o l d ，i t sl o n g t e r mh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mp r o v i d e sa ne f f e c t i v e a l a r mb a s i sf o rf u r t h e rs t u d ys p a nm i x e db e a m sp u l l - b r i d g es t r u c t u r ed a m a g e i d e n t i f i c a t i o np r o v i d e sar e f e r e n c es t a n d a r d k e yw o r d ：l o n gs p a nc a b l e - s t a y e db r i d g e ，f i n i t ee l e m e n tm o d e lu p d a t i n g , h e a l t h m o n i t o r i n gs y s t e m ，t h r e s h o l da n a l y s i s i v 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 基于有限元模型修正的桥梁健康监测系统1 1 1 1 桥梁健康监测系统概述1 1 1 2 基准有限元模型修正2 1 1 3 桥梁健康监测系统状态评估及预警阈值2 1 2 国内外研究现状及存在的问题3 1 2 1 大跨度斜拉桥有限元建模3 1 2 2 基于静动力荷载试验的有限元模型修正4 1 2 3 桥梁健康监测系统研究现状4 1 3 本文主要的研究内容5 第2 章初始有限元建模及合理成桥状态6 2 1j j l 言6 2 2 荆岳长江公路大桥工程概况6 2 2 1 主桥结构概况。7 2 2 2 主桥结构体系7 2 3 有限元模型的建立8 2 3 1 材料特性参数8 2 3 2 截面特性参数。9 2 3 3 边界条件的模拟。1 0 2 4 斜拉桥结构分析中的几何非线性问题1 0 2 4 1 几何非线性问题的产生1 0 2 4 2 几何非线性问题的处理1 1 2 4 3 有限元模型中对几何非线性影响因素的考虑1 4 2 5 斜拉桥合理成桥状态理论分析1 5 2 5 1 恒载索力无约束优化法1 5 2 5 2 恒载索力有约束的优化法。1 7 2 6 合理成桥状态计算与结果分析1 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 7 本章小结。2 0 第3 章现场静、动载试验与有限元模型修正2 2 3 1 弓i 言2 ：1 3 2 现场静、动载试验目的和方法2 2 3 2 1 试验目的2 2 3 2 2 试验方法2 3 3 3 荆岳长江大桥斜拉桥现场静载试验2 4 3 3 1 静载试验对象2 4 3 3 2 加载工况2 4 3 3 3 测点布置2 6 3 3 4 索力测试2 9 3 3 5 试验过程3 0 3 4 荆岳桥有限元模型与静载试验结果比较3 0 3 4 1 主梁线形比较3 1 3 4 2 斜拉索索力比较3 2 3 4 3 主梁应力比较3 3 3 4 4 静力荷载试验小结3 3 3 5 荆岳长江公路大桥动力特性试验3 4 3 5 1 测点布置与试验过程3 4 3 5 2 试验数据处理3 5 3 5 3 动力特性试验实测结果3 7 3 6 荆岳桥模态分析与有限元模型修正3 7 3 6 1 荆岳长江大桥模态分析3 7 3 6 2 修正荆岳长江大桥有限元模型3 8 3 6 3 有限元模型修正与动力特性试验对比3 9 3 7 小结4 2 第4 章健康监测系统运营阶段阈值分析4 3 4 1 弓i 言：z 1 3 4 2 运营阶段阈值计算荷载统计4 3 4 2 1 恒载。4 3 4 2 2 汽车活载4 3 n 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 3 风载4 4 4 2 4 温度荷载4 4 4 3 阈值计算荷载工况组合4 5 4 4 有限元计算运营阶段结构状态评估4 5 4 4 1 主梁应力。4 5 4 4 2 主塔应力4 6 4 4 3 斜拉索索力4 9 4 4 4 挠度变形。5 1 4 5 健康监测系统运营阶段阈值设定5 l 4 5 1 主梁应变传感器应力阈值5 2 4 5 2 主塔应变传感器应力阈值5 3 4 5 3 斜拉索索力阈值5 4 4 5 4 位移测点阈值5 5 4 6 j 、结5 6 总结与展望5 7 致谢5 9 参考文献6 0 参考文献攻读学位期间发表的论文6 3 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 基于有限元模型修正的桥梁健康监测系统 1 1 1 桥梁健康监测系统概述 所谓桥梁健康监测系统，是指在桥梁建设过程中，预先在其关键部位埋设 相应的传感器【，在桥梁运营过程中，通过测试仪器对预埋的传感器进行实时地 监测，通过远程传输设施传送监测到的传感器数据，进行数据储存和处理【2 1 ，评 估目前桥梁结构安全状态和可靠性，为桥梁的长期运营提供有效的依据1 3 l 。 桥梁健康监测系统十分复杂，它涉及的学科领域多达十几个，其中包含现 代监测技术、计算机技术、信号分析技术、通讯技术和人工智能等【4 1 。而且随着 在当前科学技术的快速发展，桥梁健康监测技术也在朝着网络化、自动化和快 捷化的趋势发展【5 。 从目前已经建立的桥梁健康监测系统来说，一般可以分为六个不同类别的 子系统，其中包括传感系统、信号数据采集系统、数据处理与分析系统、评估 系统、数据管理系统和报警与通讯系统1 6 j 。人们对桥梁健康监测技术发展给予众 望，希望在桥梁健康监测系统中可以同时性、实时性地监测桥梁多个项目内容， 并将远程信息通讯和结构状态评估集成一体i 刀。 可以看出桥梁健康监测系统对桥梁的长期健康监测具有十分重要的意义， 因此在进行系统设计的时候，还是需要遵循以下五个目的【8 】： ( 1 ) 能够实时地记录桥梁结构在各种荷载、各种环境条件下，结构的静力、 动力响应数据。 ( 2 ) 在遭遇恶劣天气条件下如大风等桥面振动异常，能够及时地发出警报， 实施交通管制，保证桥梁结构和人们的安全。 ( 3 ) 长期地记录桥梁结构在运营状态下的自身反映信息，对数据进行存储， 建立相应的健康档案，以便为桥梁结构维护提供合理的依据。 ( 4 ) 在桥梁结构遭遇突发事件如强烈的地震、意外的大风或其他严重性质 的事故等，能够对之后桥梁的使用寿命进行评估。 ( 5 ) 通过监测的桥梁结构受力数据，验证桥梁结构设计理论，给桥梁设计 武汉理工大学硕士学位论文 方法和设计理论提供试验依据。 1 1 2 基准有限元模型修正 对于桥梁健康监测需要解决的一个核心问题其实就是如何识别桥梁状态的 问题，而对于桥梁状态的识别就需要存在一个基准的状态，通过健康监测得到 的桥梁当前状态与此基准状态进行对比，正如人们做身体检查时总存在一个可 以参考的标准。因此，桥梁健康监测中结构的基准状态如何建立是个关键1 。 用于桥梁健康监测系统的基准有限元模型与设计分析时所建立的有限元模 型是不同的，前者对有限元模型的要求更加严格。这是由于做设计分析时，建 立的有限元模型是趋于保守的，得到的计算结果只要达到设计的要求就可以。 然而对于桥梁健康监测的基准有限元模型，它必须能够正确、全面的反映出结 构真实受力特性，也就是基准有限元计算出的结果能和现场实测的数据相吻合， 误差尽可能的控制在最小的容许范剧1 0 l 。 所以，用于桥梁健康监测的基准有限元模型必须是与桥梁结构现场试验结 果相吻合的，也就是说在没有与桥梁结构现场试验结果验证的情况下，该有限 元模型是不可靠的。根据基准有限元模型在桥梁长期健康监测中的重要地位， 在大跨度桥梁通车之前，需要对桥梁结构进行现场静动载试验，以此试验结果 来对有限元模型进行修正，即经过现场静动载试验修正后的有限元模型可以作 为该桥梁结构的基准有限元模型1 1 1 1 3 桥梁健康监测系统状态评估及预警阈值 在桥梁的运营阶段，桥梁结构承受着很多荷载作用，如结构自重、二期恒 载、汽车活载、混凝土收缩及徐变的影响力，同时风荷载、温度荷载、地震力、 流水压力及冰压力、船只及漂浮物的撞击力也会对桥梁结构产生显著的影响【1 2 】。 大型桥梁工程的设计使用寿命长达几十年、甚至上百年，结构运营阶段要承受 各种荷载作用，不可避免地要产生损伤累积和抗力衰减，从而抵抗能力下降， 极端情况下将引发灾难性的突发事故1 1 3 j 。 桥梁健康监测的主要目的就是对桥梁的状态做出评估，其健康监测系统首 先通过传感器监测得到相应的数据信息，在此数据基础上结合有限元的理论计 算结果、询问专家意见以及查阅相关规范文件等，也就是使用各种有效的手段， 然后对桥梁结构目前的健康状态作出评估，同时分析桥梁的当前剩余强度储备， 2 武汉理工大学硕士学位论文 评价桥梁的可靠度，预测桥梁相应的剩余寿命，以此提出桥梁结构的长期健康 维护策略1 1 4 j 。 桥梁健康监测系统具有实时性、在线性监测的特点，健康监测系统的一个 重要功能就是对桥梁运营状态进行及时的预警报警，在健康监测系统中预先设 置预警阈值，当桥梁在运营状态中监测到的数值超过预警阈值时，预警系统就 能及时准确地识别出这些征兆，发出报警信息，从而及时地封闭交通和组织维 护检修，避免造成重大损伤1 1 引。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 大跨度斜拉桥有限元建模 对于大跨度斜拉桥进行有限元分析时，建立该斜拉桥的空间有限元模型是 必须的工作。传统、常用的建立有限元模型主要有单主梁模型( 脊梁模式) 、兀 形模型、双主梁模型和三主梁模型，这些模型的特点就是对斜拉桥的索塔、主 梁桥面结构等做了大量的简化工作，但是随着人们更深入的研究，目前斜拉桥 有限元模型还有的是采用空间梁板单元组合或实体单元模型等1 1 6 1 。 早在1 9 9 1 年国外研究者w i l s o n 和g r a v e l l e 对某斜拉桥进行动力特性分析 时，使用单主梁模型，认为结构的非线性动力特性无需考虑，发现试验结果与 有限元结果相吻合较好1 1 7 l 。而n a z m y 和a b d e l - g h a f f a r 在1 9 9 0 年采用双主梁有 限元模型，通过该有限元模型对斜拉桥进行了空间非线性静、动力分析【1 8 l 。 我国对斜拉桥的有限元分析起步较晚，但是由于我国斜拉桥的建设速度发 展很快，促使了大批优秀学者对斜拉桥展开了深入的研究，并取得了很多优秀 的成果。 铁道部科研院的陈幼平等研究人员提出了斜拉桥主梁桥面系采用板架结构 分析模型，并用结构分析程序m s c n a s t r a n 对天津永和桥进行了动力特性分析 【1 9 1 。华南理工大学的苏成等提出了对于结合梁斜拉桥采用新型双主梁模型i 删。 西南交通大学的刘高等提出了在对正交异板桥面进行动力分析时采用等效梁格 子法建立有限元模型【2 1 1 。浙江大学王振阳等在研究大跨径独塔斜拉桥单箱多室 箱梁结构，提出了采用实体退化单元建立三维有限元分析模型【2 引。福州大学任 伟新等建立了斜拉桥完整的空间有限元模型后，在对全桥成桥荷载静、动力试 验结果的基础上，对初始有限元模型进行修正，通过有限元模型中相关参数的 3 武汉理工大学硕士学位论文 调整使有限元计算结果与实测值相吻合，最终得到了基准有限元模型。 虽然众多研究人员做出了优秀的成果，但是大跨度斜拉桥有限元建模技术 还是面临着许多问题刚，其中包括： 1 ) 结合梁斜拉桥桥面板与主梁连接、塔梁连接以及边界条件的模拟； 2 ) 整个施工过程仍然无法做到完全模拟其行为； 3 ) 对于节点刚性区刚度、支座等效刚度等参数取值，仍然不确定，依据不足； 4 ) 目前大部分斜拉桥有限元模型均为线性模型，模型建立过程中仍无法很 好的考虑收缩、徐变、预应力损失以及大变形等非线性因素的影响。 1 2 2 基于静动力荷载试验的有限元模型修正 基于静动力荷载试验的有限元模型修正方法，其主要思想就是通过成桥前 静载和动载试验测得桥梁真实工作状况的数据，对桥梁的初始有限元模型进行 修正，得到反映桥梁真实情况的有限元基准模型1 2 4 j 。 任伟新与外国学者通过对1 8 7 6 年建成的美国r o e b l i n g 桥进行动力测试试 验，通过环境激励测试出桥梁自振频率【2 5 1 ，利用实测结果对初始有限元模型进 行修正，得到了与实测结果吻合良好的桥梁基准有限元模型【2 6 1 。b i j a y aj a i s h i 研究了一种基于环境振动测试结果的有限元模型修正技术【2 7 】，并通过两个桥梁 实例进行了验i i e l 2 剐。任伟新、彭雪林等对青州闽江斜拉桥进行现场静、动载试 验，通过试验结果对初始有限元模型进行修正，通过调整相关参数，使有限元 计算结果与实测值相吻合，最终得到了基准有限元模型。 但是，目前有限元模型修正技术还是主要以频率和索力与实测结果的吻合 为目标，修正目标太单一，对于以模型内力和实测内力的吻合为目标的这种内 力修正技术尚未成剥2 9 1 。另外，修正后的有限元模型整体内力计算结果满足要 求，但关键结构细部应变和应力的计算结果仍不尽人意。 1 2 3 桥梁健康监测系统研究现状 2 0 世纪5 0 年代起，许多桥梁不断发生失效和倒塌事故，引起了各个国家的 高度重视，国外研究学者开始研究桥梁健康监测技术并应用到实际桥梁结构中 i 删。英国对f o y l e 桥安装健康监测传感器和数据自动采集系统，以研究桥梁在运 营荷载工况下的动力响应1 3 l 】。丹麦在g r e a tb e l te a s t 桥进行健康监测系统设计 时，为监测主缆、吊杆、索夹等应力情况，设置了1 0 0 0 多个传感器【3 2 1 。日本为 4 武汉理工大学硕士学位论文 了获得明石海峡大桥在地震和强风作用下的结构反应，在该桥上安装了包括地震 仪、加速度计、风速计、全球卫星定位系统( g p s ) 等传感器的监测系绀3 3 】。 我国桥梁健康监测系统起步较晚，但近年来桥梁健康监测的意义已被桥梁 设计、建设和管理者所认识瞰】。我国桥梁研究学者也相继对已建或在建的桥梁 成功研制和实施了桥梁长期健康监测，如南京长江大桥、江阴长江大桥、武汉 阳逻长江大桥和武汉长江二桥等都已安装了桥梁健康监测体系【3 5 1 1 删。 可以看出，国内外对桥梁健康监测系统的功能和目标要求是一样的，而且 随着传感器技术和计算机技术的进步，健康监测系统功能不断完善，数据采集、 分析处理速度加快，桥梁健康监测系统将会更加全面的对桥梁结构进行实时有 效的监测1 4 。 但是由于桥梁结构和环境具有的复杂性和不确定性，以及健康监测系统涉 及的多学科性，目前健康监测系统还是存在诸多不足，有很多问题有待进一步 的研究和完善，比如：健康监测系统设计时传感器的优化布置算法尚不成熟； 数据采集的远距离传输，以及大量原始数据及时有效的处理，并对处理后的数 据进行自动损伤识别和预警报警等【4 2 】【4 3 1 。 1 3 本文主要的研究内容 本文以去年建成的大跨度斜拉桥荆岳长江公路大桥为研究背景，使用 有限元软件m i d a s c i v i l 建立全桥完整的初始空间有限元模型，通过成桥静力 和动力荷载试验进行有限元修正，为长期健康监测系统提供运营阶段的预警阈 值。具体的工作如下： ( 1 ) 根据荆岳长江公路大桥设计图纸，使用m i d a s c i v i l 建立全桥完整 的初始空间有限元模型； ( 2 ) 考虑几何非线性影响因素，利用m i d a s c i v i l 索力优化功能，得到 合理的初始成桥状态及成桥索力值； ( 3 ) 对荆岳长江公路大桥进行成桥静力和动力荷载试验，通过现场采集相 应荷载试验数据，获得真实的静力、动力特性； ( 4 ) 使用有限元模型进行静、动力特性计算，与实测试验结果进行比较， 修正有限元模型，得到荆岳长江公路大桥有限元基准模型； ( 5 ) 以有限元基准模型为基础，进行运营阶段阈值计算，对运营阶段结构 状态进行评估，并为健康监测系统提供预警阈值。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章初始有限元建模及合理成桥状态 2 1 引言 结构的刚度、质量和边界条件是有限元模型建立过程中主要考虑的三个因 素，应尽量使它们在有限元模型中的模拟与实际结构相符。合理正确的有限元 模型能准确反映结构的本质与特性，以此模型进行有限元计算，才能得到结构 合理的成桥状态。 本章以湖北省新建的千米级大跨度斜拉桥荆岳长江公路大桥为工程对 象，以该桥的长期健康监测和运营状态评估为目标，使用m i d a s c i v i l 桥梁专 用有限元软件，建立荆岳长江公路大桥完整的空间有限元模型，并通过有限元 计算得到合理的成桥状态。由于该有限元模型是直接根据设计图纸中的物理特 性和材料特性进行建立的，未经过任何试验验证和修正，因此称为初始的有限 元模型。 2 2 荆岳长江公路大桥工程概况 荆岳长江公路大桥属于湖北省骨架公路网中重要的控制性工程，其跨越长 江，连接着随州至岳阳高速公路。桥址选在湖北和湖南两省的交界处，该桥北 岸建立在湖北省荆州市的监利县白螺镇内，而该桥的南岸则在湖南省岳阳市的 溪区道仁矶镇。 全桥跨度总里程为5 2 4 0 k i n ，其中包括跨越长江桥梁里程为4 3 0 3 k i n ，连接 北岸的长度为1 0 5 9 k i n ，连接南岸的长度为0 0 5 8 k i n 。荆岳长江公路大桥主桥是 主跨度为8 1 6 m 的高低塔混合梁斜拉桥，总长1 4 4 4 m ，主桥斜拉桥桥型如图2 1 所示。 6 武汉理工大学硕士学位论文 盏刊( 意) 臼 3 9 钿8 1 钿2 3 0 s 2 * 7 5 ii z 湫么f 瓤 2 2 1 主桥结构概况 图2 - 1 荆岳长江大桥主桥桥型图 弓岳阳( 南) 荆岳长江公路大桥主桥是主跨度为8 1 6 m 的高低塔混合梁斜拉桥，跨度组合 为( 1 0 0 + 2 9 8 ) m + 8 1 6 m + ( 8 0 + 2 x 7 5 ) m ，斜拉索采用平行的双索面布置。斜拉桥 的北边跨总跨度为3 9 8 m ，设置了一个辅助墩和一个交界墩，南边跨总跨度为 2 3 0 m ，设置了两个辅助墩和一个交界