（机械工程专业论文）梅山过桥结构健康监测系统设计与实施.pdf

d e s i g na n da p p l i c a t i o no nt h eh e a l t h m o n i t o r i n gs y s t e mo f m e is h a n c r o s s b r i d g e b yz h a n gb o s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o r s u it i a n z h o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我- - m i 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诚挚的谢意。 学位论文作者签名痧移 签字日期：影易1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者躲步努导师一 签字日期：7 卵矽。力、i 签字日期： 、 ， - 1 产“f ! _ p ，一。 东北大学硕士学位论文摘要 梅山过桥结构健康监测系统设计与实施 摘要 梅山热轧厂过桥结构( 桥梁的在工业企业的一种应用形式) 在生产过程中，由 于受到外界各种因素的作用以及材料自身性能退化的影响，会造成过桥某些部位 的损伤，缩短桥梁的使用寿命，影响过桥结构的正常使用，增大了生产中的安全 隐患，甚至出现垮塌事件。因此，对过桥结构的健康监测是非常必要的。本文以 梅山轧钢过桥结构技术改造为背景，重点进行了其健康监测中的数据处理和安全 状态评估。本文完成的主要工作为： ( 1 ) 本文成功地将健康监测系统应用到了宝钢集团梅山热轧厂的技术改造工 程中，对支撑辊道的钢过桥结构进行了结构健康监测系统的设计； ( 2 ) 在设计之前对过桥结构的受力行为进行深入地分析，分析结果对监测系 统的设计提供必要的理论指导，结合粗轧钢板生产过程的控制要求，给出了过桥 结构健康监测系统的监测内容和测点布置； ( 3 ) 较详细的介绍了该健康监测系统的总体设计和各子系统的设计，给出了 各子系统的构成和功能，为梅山过桥结构健康监测系统的实现提供了设计指导； ( 4 ) 针对工作环境的复杂性、恶劣性，提出了有针对性的处理方案，并付诸 实施，取得满意的效果： ( 5 ) 依据损伤识别理论和采集到的数据对过桥结构进行损伤判定，依据计算 结果，了解到过桥结构的安全。 关键词：健康监测，过桥，安全评估，损伤识别 ， i i t q y 西 t 查j ! 查堂丝主堂堡垒查 竺! ! ! 璺璺 一 d esig na n da p plic a tio n o nth eh e a l th m o n i t o r i n gs y s t e mo fm e is h a n c r o ss - b rid g r o s1a g e - a bs tra c t i nc o n s t r u c t i o na n du s ep r o c e s s ，s o m ep a r t so ft h ec r o s s - b r i d g eo ft h em e is h a h s t e e lr o l l i n gm i l lw h i c hi so n eo fk i n d so fb r i d g e s ，m a yb ed a m n i f i e db e c a u s eo ft h e e n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa n dm a t e r i a ld e g r a d a t i o n t h e s ea d v e r s ef a c t o r sc a nn o to n l y d a m n i f ys o m ep a r t so ft h eb r i d g e ，s h o r t e nt h ew o r k i n gl i f eo fb r i d g e si n f e c tt h es a f e t yo f u s i n 2 ，b u ta l s oi n c r e a s es o m ef a u l t si nw o r k i n g ，s om u c ha st h ec o l l a p s eo fb r i d g e s s oi t i si n d i s p e n s a b l et om o n i t o rt h ec r o s s - b r i d g e t h i sp a p e ri sm a i n l yt h ed a t ap r o c e s s i n g a n ds a f e t ye v a l u a t i o ni nh e a l t hm o n i t o r i n gt h eb a c k g r o u n do fc r o s s - b r i d g e t h em a i n w o r k si nt h ep a p e ra r ef o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ep a p e rs u c c e s s e st oa p p l y t h em o n i t o r i n gs y s t e mt ot h et e c h n o l o g i c a l i n n o v a t i o no ft h ec r o s s b r i d g eo ft h em e is h a hs t e e lr o l l i n gm i l lo ft h eb a o s t e e lg r o u p c o ，a ts a m et i m ed e s i g nt h em o n i t o r i n g r o i l i n gt r a i l s y s t e mo ft h ec r o s s - b r i d g ew h i c hs u s t a i n st h e ( 2 ) b e f o r et h ed e s i g n ，t h ef o r c ep u to n t h ec r o s s - b r i d g ei sa n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h e r e s u l ti su s e f u lt ot h ed e s i g no ft h em o n i t o r i n gs y s t e m ，t h o u g h to ft h ew h a ti s t o c o n t r o l l e dd u r i n gt h ep r o c e s so fs t e e lr o l l i n g ，t h ep a p e ri sg i v e nw h a ti sm o n i t o r e da n d w h e r et oi n s p e c t ( 3 ) t h ep a p e ri sa p p r o x i m a t e l yi n t r o d u c e dt h ew a y t h a td e s i g nt h ew h o l es y s t e m a n dc h i l d r e ns y s t e m s ，m e a n w h i l eg i v e nt h ec o n s t r u c t i o na n df u n c t i o no ft h es y s t e m ， w h i c hi sl i g h t e nt oa p p l yt h em o n i t o r i n gs y s t e mo fm e is h a nc r o s s b r i d g ei n t op r a c t i c e ( 4 ) t h o u g h to ft h ec o m p l i c a t e da n dv e r yb a de n v i r o n m e n t ，t h ep a p e ri sg i v e nt h e w a yt od e a lw i t ht h ep r o b l e m ，p u ti n t ot h ep r a c t i c e s ，a n dg e tg o o dr e s u l t ( 5 ) b a s eo nt h ed a m a g ed e t e c t i o nt h e o r ya n dt h ea c q u i r e dd a t a ，t h ep a p e rd e t e r m i n e t h ec r o s s b r i d g ed a m a g e ，a f t e rg e tt h er e s u l t ，w eg o tt h es a f e t yo ft h ec r o s s - b r i d g e k e yw o r d s ：h e a l t hm o n i t o r i n g ；c r o s s b r i d g e ；s a f e t ye v a l u a t i o n ；d a m a g ed e t e c t i o n - 丫 - 【、 ，- 鲁 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 独创声明i 摘要。i i a b s t r a c t i i i 第一章引言1 1 1 研究背景1 1 2 桥梁健康监测系统1 1 2 1 桥梁结构健康监测概念1 1 2 2 桥梁结构健康监测发展现状3 1 2 3 桥梁结构安全评估方法4 1 3 课题来源7 1 4 本文主要内容8 第二章梅山过桥结构有限元建模：9 2 1a n s y s 软件9 2 1 1 软件功能简介9 2 2 过桥结构有限元建模l l 2 2 1 梅山过桥结构1 l 2 2 2 辊道结构和过桥结构三维有限元模型1 1 2 3 小结1 4 第三章过桥结构的动力特性分析和测试1 5 3 1 梅山过桥的结构动力分析1 5 3 2 辊道结构现场动力测试1 6 3 3 梅山过桥结构健康监测理论分析l8 3 3 1 梅山过桥结构的振动分析18 3 3 2 梅山过桥结构的应力分析2 0 3 3 3 梅山过桥结构的应变分析2 2 3 3 4 梅山过桥结构的整体稳定分析2 3 3 4 小结2 6 第四章梅山过桥健康监测系统实施2 7 4 1 梅山过桥结构健康系统的监测依据及依据2 7 4 1 1 监测依据的主要文件2 7 4 1 2 梅山过桥结构监测系统设计主要遵循的原则2 7 4 1 3 梅山过桥结构监测项目监测点布置2 8 i v 北大学硕士学位论文 目 录 4 2 梅山过桥结构健康监测系统的构成和功能2 9 4 2 1 梅山过桥健康监测系统的主要构成2 9 4 2 2 数据采集系统3 0 4 2 3 数据处理系统3 l 4 3 梅山过桥结构监测项目实施_ 3 2 4 3 1 过桥结构的应变监测3 2 4 3 2 过桥结构加速度监测3 3 。4 3 3 过桥结构动态位移响应监测3 4 4 4 在复杂环境下遇到的监测问题及解决方案3 4 4 4 1 高温对动应变测试的影响及消除方案3 5 4 4 2 噪声、电磁场影响消除方案3 8 4 4 3 潮湿影响消除方案。3 9 4 5 刀、结4 0 第五章梅山过桥结构监测结果评估4 l 5 1 安全状态评估方案：4 1 5 1 1 安全状态分类方案4 l 5 1 2 安全状态评估方案4 1 5 2 检测结果分析4 2 5 2 1 动态应变4 2 5 2 2 加速度4 3 5 2 3 位移。4 3 5 2 4 用位移功率谱分析结构安全性4 4 5 3 基于动态测试的梅山过桥损伤测试4 5 5 3 1 所用的结构损伤定位方怯4 6 5 3 2 损伤有限元模拟4 7 5 3 3 用频率变化监测过桥运行的安全性5 0 5 4d 、结5 2 第六章总结和展望5 3 6 1 总结5 3 、6 2 展望5 3 参考文献5 5 致谢5 7 v 东北大学硕士学位论文第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言弟一早亏i 苗 随着我国现代化建设的深入与发展，我国的建筑行业也呈现出多种趋势：建筑 更加追求艺术美，形体趋向于复杂而多变；建筑的用途越来越多样化；人们对建 筑的使用安全性和舒适性提出了更高的要求：具有一定历史意义的优美的古建筑 及近现代建筑逐步受到人们重视并得到更加妥善的保护。以上各种趋势无一不对 建筑结构的安全性评估提出了更高的要求，人们迫切需要一种能够长期在线监测 结构健康程度并做出安全预警的建筑结构健康监测系统，该系统可以保证人们对 建筑结构在施工和使用阶段的健康程度有一个实时的了解。国内外大量的专家学 者将研究重点转移到结构的健康监测领域，在近几年内，提出了各种监测理论、 监测方法，并研发了各种用于监测的设备仪器，大大推动了结构健康监测的发展， 使得结构健康监测从理论走向实践，又根据大量的实验数据反证了理论的正确性， 建筑结构的健康监测的理论与实践的发展正方兴未艾【l 圳。 1 2 桥梁健康监测系统 1 2 1 桥梁结构健康监测概念 结构健康监测技术最早起源于航空航天领域，最初的目的主要是进行结构的载 荷监测。随着结构设计的日益大型化、复杂化和智能化的发展，结构健康监测的内 容逐渐丰富起来，不再是单纯的载荷监测，而是向结构损伤检测、损伤定位、结构 寿命预测等方面发展。在土木工程领域，结构健康监测在2 0 世纪8 0 年代提出， 最初主要在桥梁健康监测方面发展得比较快。从2 0 世纪9 0 年代中后期至今，世 界各国的土木工程师针对建筑结构的健康监测开展了大量的研究。 目前的结构健康监测( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，s h m ) 主要是指桥梁结构 的健康监测，桥梁健康监测就是通过对桥梁结构进行无损检测，实时监控结构的 整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对桥梁的服役情况、可靠性、耐 久性和承载能力进行智能评估，为大桥在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况 严重异常时触发预警信号，为桥梁的维修、养护与管理决策提供依据和指导。桥 北大学硕士学位论文第一章 引言 健康监测系统的基本组成如图1 1 所示【5 1 。总体来说，一个较完整的结构健康监 测系统既能进行结构损伤的检测又能对结构状况进行评估。 i 址“t 土f 翻t t ：il j “h 2 、e t kl l ， l l 删 i 爿 习1 v 1 1 t j l 7 1 ”“l7 1 ”。j ”“i 一 i 激励i f 传感器、无损伤评价技术f 监测 ， ， f 模态分析 f 识别一r ， 。l- 1 “”蚪r 1 ”“5 ”6 8 l 模型修j 下h 诊未 i 蔷嘏 e f ：艰上i l 承r 戢h 7 jv r 帕l 预测服务寿命i 0- d 维护保养决策 可铝皮分析与评估l 一 上 状态评估 经济性分析l 一 图1 1 健康监测系统基本组成 f i g 1 1p r i m a r yp a r t so ft h eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m 一般来说可根据系统的构成将结构健康监测系统分为传感器系统、数据采集、 传输系统、数据处理与分析系统、数据管理系统、系统识别、模型修正和损伤识 别系统、结构状态评价系统以及报警与通讯系统等。一般来说，一个真正意义上 的结构健康监测系统应具有如下功能6 8 】： ( 1 ) 由传感器监测环境荷载( 风、地震、温度和交通荷载等) 以及结构整体 性态变( 如结构位移和加速度等) 和局部性态变量( 如应变等) ； ( 2 ) 能实现数据的步采集、远程传输并对数据实施有效管理； ( 3 ) 能对数据进行分析处理，从而实现系统的参数识别、结构有限元模型修 正以及结构的损伤识别和定位等功能； ( 4 ) 能对结构的健康状态进行评估并预测结构的剩余强度、剩余寿命以及进 行可靠性分析和评价等。 前3 个阶段属于损伤检测范畴，其中前2 个阶段为基础，只有建立好一个精准 的，能够模拟实际桥梁结构动力特性的有限元模型，才有可能准确地检测出损伤， 识别出损伤位置和程度：第3 阶段则是损伤检测的核心内容，其中的后3 项内容 为结构损伤识别。 2 东北大学硕士学位论文第一章引言 对桥梁结构进行健康监测，及时发现损伤，并确定损伤的位置以及损伤程度， 就能使维修人员能够发现桥梁早期病害，并制定出正确的维修策略，为经济可靠 地利用现有桥梁提供依据，从而延长桥梁使用寿命，避免灾难性事故的发生，保 障人们的生命安全，具有重要的理论意义与实用价值。 1 2 2 桥梁结构健康监测发展现状 桥梁的安全检测【9 】始于2 0 世纪5 0 年代，而1 9 6 7 年1 2 月俄亥俄河上的一起导 致4 人丧生的桥梁倒塌事故促使美国于1 9 7 1 年制定了国家桥梁检测标准( n b i s ) ， 用于全面指导桥梁检测的各个环节。2 0 世纪8 0 年代后，国外已有为数不少的大型 桥梁建立了较为完备的健康监测系统。 佛罗里达州s u n s h i n es k y w a y 斜拉桥上安装有一套综合设备，用来测量桥梁的 应变、位移和温度，可同时通过近距离和远距离两种方式采集数据。材料和结构 在建造过程中随时间的变化特性可以通过分析测量数据得出。苏格兰的k i n g s t o n 桥上装有一套安全监测系统，能够远距离监测桥梁应变、位移、温度和风力变化， 监测目的是为了帮助桥梁工程师在修复这座桥梁时避免倒塌事故。其监控计算机 还配备报警装置，能在风速或桥梁振动异常时提醒桥梁管理部门。泰国的r a m ai x 桥和韩国的n a m h a e 桥上都装有结构安全与完整在线警报系统( o a s s i ) ，可以探测 异常风速和桥梁振动，长期监测桥梁动力特性参数并发现疲劳损伤。英国在总长 5 2 2 米的三跨、变高度、连续钢箱梁桥f o y l e 桥上布设传感器，监测大桥运营阶段 在车辆与风力荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测结构温度场 和环境湿度。该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一，实现了实时监测、 实时分析和数据的网络共享n 们。2 0 0 0 年在美国宾夕法尼亚州投入使用的 c o m m o n d o r eb a r r y 大桥监测系统总共有1 0 0 多个数据通道，这些通道的数据分别 来自于应变仪、加速度计及摄像头，其监测系统以l a b v i e w 为平台进行了集成。 建立健康监测系统的典型桥梁还有英国主跨1 9 4 米的f l i n t s h i r e 独塔斜拉桥3 、日 本主跨为1 9 9 0 米的明石海峡大桥和主跨1 1 0 0 米的南备赞獭户大桥、丹麦主跨1 6 2 4 米的g r e a tb e l te a s t 悬索桥、挪威主跨为5 3 0 米的s k a m s u n d e t 斜拉桥、以及加拿 大的c o n f c d e r a t i o n 大桥。 我国自2 0 世纪9 0 年代起也在一些重要的大型桥梁上建立了不同规模的长期监 测系统，如香港的青马大桥( t s i n gm ab r i d g e ) 、汲水门大桥( k a ps h u im u nb r i d g e ) 3 东北大学硕士学位论文第一章引言 和汀九( t i n gk a ub r i d g e ) 大桥，内地的广州虎门大桥、上海徐浦大桥、江阴长江大 桥以及润扬长江大桥等在施工阶段己安装用于健康监测的传感设备，以备运营期 间的实时监测。 1 9 9 7 年4 月竣工的香港青马大桥建立了规模较大的桥梁健康监测系统，其硬 件设施十分完善，包括传感器系统、数据采集和传输系统、数据存储管理系统等。 为了监测索塔塔顶位移，其传感器系统还增设了具备r t k 适时动态功能的g p s 监 测设备。但是该监测系统的数据分析部分只是简单地分析风力载荷、结构的动静 态载荷和响应，对桥梁的理解显得表面化。而还没有利用原始数据来分析桥梁的 健康状态，也不具备损伤检测分析、剩余寿命评估、交通控制和维修决策等功能， 真正的数据分析决策系统还在后继开发之中。 国家重点工程润扬长江大桥结构健康监测系统包括硬件和软件两个部分n 2 j 3 1 ， 其中硬件部分包括4 个子系统，分别是传感器系统、数据采集系统、数据通信与 传输系统、数据处理与分析系统，各个系统之间通过光纤网络连接得以协同运作。 网络结构由网络服务器、p c 机、专用工控机以及各种传感器、放大器等组成。每 个网络节点由传感器、信号调理器、工控机等构成微型网络，以保证系统的可维 护性和可扩展性，便于系统扩大监测规模并进行深入开发。整个系统采用环状网 络结构，可提高系统运行的可靠性。数据处理与分析系统使用数台高性能工作站 来连接桥上的数据采集系统，形成一个计算机网络。工作站位于大桥监控管理中 心，配备所需的应用软件，分别实现采集数据处理、结构监测图形显示、系统控 制管理维护以及专家诊断等功能。 1 2 3 桥梁结构安全评估方法 桥梁安全评估主要以设计文件、现场监测数据、相关的规范及标准、大桥多年 运营以及管理维护方面的信息为依据，利用监测到的结构特性参数( 如应变、应 力、挠度、自振频率、振型、振动位移、支座位移等) ，对大桥的运营状态进行评 价，分析大桥的安全性、耐久性和疲劳寿命。 大型桥梁安全状态评估方法一般分为静态和动态评估方法两类n 引。静态评估主 要是对结构的应力、变形等常规指标进行评估。动态评估是基于振动的损伤识别 技术，即认为损伤将显著改变结构的刚度、质量或耗能能力，从而引起所测结构 动力特征或响应的改变，通过从监测数据中提取全桥不同部位动力参数信息或其 4 东北大学硕士学位论文第一章引言 衍生信息，对比结构无损状态下的相应信息，来实现结构的状态评估。 1 2 3 1 静态评估 静态评估法一般是将结构静态的结果与结构正常状态下得到的参数进行综合 比较，从而得到结构参数变化的信息，达到结构的损伤识别与定位的目的。常用 的静力参数有刚度、位移、应变、弹性模量等。目前常用的方法有层次分析法、 阈值对比法、人工神经网络及遗传算法、模糊数学法、专家系统法、综合评价法 盘蟹 岢0 ( 1 ) 层次分析法 层次分析方法认为影响桥梁结构状况的因素非常多，有主有从，又相互制约。 有些因素影响虽小，但积累到一定程度就会发生质变，从而危及整个结构的使用 状况。所以桥梁安全性评估不能单纯地考虑重要构件，也要兼顾次要构件，但也 不能主次不分，使评估工作量大而繁杂。采用层次分析，得到各个桥梁构件重要 程度及相互影响的关系，通过多级模糊评判及打分法，简化量大繁杂的评估工作， 科学、简捷而又实用。 ( 2 ) 阈值对比法 这种方法简单明了，目前应用较广。首先通过初期的统计归纳、实验研究、分 析计算，确定与各种状态一一对应的征兆( 即基准模式或阈值) ，然后将获得的监 测值与基准模式进行比较，立即可获得结构的状态。 ( 3 ) 人工神经网络及遗传算法口7 。3 9 1 人工神经网络由大量相互连接的简单神经处理单元组成，它可以不依赖于模 型，只需通过输入输出数据的学习，即可将输入、输出的映射以神经元间连接强 度( 权值) 的方式存储下来。目前有多种神经网络可以应用，在状态诊断领域， b p 网络以其结构简单、工作状态稳定、非线性映射能力强等优点成为常用的网络 结构。遗传算法是基于自然遗传和自然选择的思想，以类似于达尔文“适者生存 理论方式的寻优方法。神经网络法及遗传算法的结合较好地弥补了b p 网络收敛速 度慢和易局部收敛的缺点。同时，也解决了单独利用遗传算法往往只能在短时间 内寻找接近全局最优解的近似解这一问题。这种方法的缺点在于：处理过程类似 “黑箱操作，不能对为什么给出这样或那样的决策做出恰当的解释；需要大量的 学习样本，如果积累的资料少，其结果的准确性存在一定的局限。 ( 4 ) 专家系统法 5 。 北大学硕士学位论文第一章引言 专家往往可以凭个人感观或测量设备得到一些客观事实，并根据对桥梁结构和 结构病害历史的深刻了解很快就做出判断。对于大型复杂桥梁的诊断，这种基于 专家系统的诊断方法很有效。 ( 5 ) 模糊数学法 桥梁结构的状态有时是不分明、不确定的，因此可以用模糊集来描述。通过采 用模糊聚类分析将模糊集分为不同水平的子集，由此判别病害最可能属于的子集。 另一个有效的方法是首先建立起桥梁状态与其成因的模糊关系矩阵r ，如果当前状 态成因向量的模糊隶属度为c ，则病害d ( d i s e a s e ) 通过模糊合成加以确定，d = r x c 。 ( 6 ) 综合评估法 综合评估法主要是应用层次分析法将影响桥梁状态的因素层次化，形成一个多 层的、每层包含若干组指标的体系。先利用阈值法、人工神经网络法或模糊数学 法等方法进行各底层指标的评估。再在确定了底层各指标的状态的基础上，应用 综合评估的计算方法计算出桥梁整体的状态。 静态评估法比较直观，所需数据比较容易测得，监测的成本较低，但它不能实 现实时监测。 1 2 3 2 动态评估 动态评估法的理论核心就是基于振动的损伤识别技术，即认为损伤将改变结构 的刚度、质量或耗能能力，从而引起所测结构动力特征的改变。这种识别法从研 究和应用的角度看大致可以分为动力指纹法、模型修正法、动力系数法等。 ( 1 ) 动力指纹法( 或称模式识别法) 依据原理，若结构发生损伤，其结构参数如质量和刚度会发生变化，从而引起 相应的动力指纹的变化。常用的动力指纹有：频率、振型、振型曲率、应变模态、 频响函数、模态保证准则( m a c ) 和坐标模态保证准则( c o m a c ) 等。 动力指纹法的关键在于所选动力参数对于结构的不同状态的敏感性。一个良好 的动力指纹应该判断出损伤是否发生、损伤发生的部位、结构损伤的程度。但是 目前所使用的动力指纹敏感性不高、可靠性较差，能够判断损伤发生的部位亦非 易事。针对这些问题，近来许多学者试图通过小波分析、h i l t e r 变换、韦氏分布 ( w i g n e r - v i l l ed i s t r i b u t i o n ) 等方法提出更为敏感的动力参数。 ( 2 ) 模型修正法( 或称系统识别法) 模型修正法通过综合比较试验结构的振动反应记录与原模型的计算结果，利用 6 东北大学硕士学位论文第一章引言 测得的振型、阻尼、频率、加速度记录、频响函数等，通过优化条件约束，不断 地修正模型中的刚度、质量和阻尼分布( 一般为刚度阵) ，使其响应尽可能地接近 由测试得到的结构动态响应，从而实现损伤的定位和损伤程度的评估。模型修正 法在划分和处理子结构上具有很多优点。但是其不足之处在于：实际测试模态的 不完备性与有限元模型间的矛盾；要进行非适定问题的线性或非线性反演：需解 决建模不确定性及噪声干扰等问题。 ( 3 ) 动力系数法 动力系数法所根据的原理为当桥梁发生病害时，其动力响应值会增大。因此， 在桥梁的关键部位布置一些诸如加速度计、速度传感器和应变传感器之类的拾振 器，测量桥梁的动力响应，判断响应值是否超过允许值或超过多少，由此对桥梁 的安全性进行评判。动力响应值一般采用动力系数，其定义为桥梁由于振动而增 加的应力或动挠度对于静载值的比率。动力系数法的特点是方法简单，但其可靠 性有待进一步研究。 1 3 课题来源 根据宝钢集团上海梅山钢铁股份有限公司热轧粗轧技术改造工程设计方案，从 r 6 轧机出口至下游约2 6 m 之间现有辊道需架设钢结构过桥进行支撑，以便在不停 产情况下进行新粗轧机基础施工，如图1 2 所示。 图1 2 梅山过桥图 f i g 1 2m e is h a hg r o s s b r i d g e 利用过桥结构来支撑热轧板坯运行的辊道设备是本工程基于生产要求的一次 大胆尝试，由于在结构的设计中存在很多未知和假定，有许多问题仍需要进一步 7 。 位论文第一章引言 钢过桥结构的健康监测系统，由运行中的过桥结构所获得信息不仅 补充，而且还可以提供有关板坯运行过程中过桥结构受力行为的真 实信息。另外，过桥结构健康监测系统还可以在突发事件发生时从监测系统获得 的实时数据中迅速评价结构的重大损伤情况和整体工作状况，从而有利于做出快 速合理的决策和响应，确保过桥结构的安全运营。 1 4 本文主要内容 本文主要围绕建立梅山过桥健康监测系统的工程背景展开，以实现过桥结构状 态的安全评估和损伤识别为研究重点。主要是应用现代化的传感技术、测试技术、 计算机技术、现代网络通讯通信技术对过桥结构的工作环境、结构状态、桥梁在 轧辊、钢坯等外部荷载因素作用下的响应进行实时监测和研究1 5 捌】。论文的研究 工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 本文成功地将健康监测系统应用到了宝钢集团梅山热轧厂的技术改造工 程中，对支撑辊道的钢过桥结构进行了结构健康监测系统的设计； ( 2 ) 在设计之前对过桥结构三维有限元建模和受力分析，分析结果对监测系 统的设计提供必要的理论指导，结合粗轧钢板生产过程的控制要求；给出了过桥 结构健康监测系统的监测内容和测点布置； ( 3 ) 较详细的介绍了该健康监测系统的总体设计和各子系统的设计，给出了 各子系统的构成和功能，为梅山过桥结构健康监测系统的实现提供了设计指导； ( 4 ) 针对工作环境的复杂性、恶劣性，提出了有针对性的处理方案，并付诸 实施，取得满意的效果； ( 5 ) 对过桥结构现场的数据采集系统进行试运行，验证采集设备和数据采集 软件功能的可靠性，并使用数据管理与安全评估软件分析和处理试运行期间的监 测数据，进一步完善软件的安全评估功能。 ( 6 ) 依据损伤识别理论和采集到的数据对过桥结构进行损伤判定，依据计算 结果，了解过桥结构的安全。 8 东北大学硕士学位论第二章梅山过桥结构有限元建模 第二章梅山过桥结构有限元建模 2 1a n s y s 软件 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限 元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发，它能 与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r ，n a s t r a n ，i d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。 2 1 1 软件功能简介 a n s y s 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 2 1 1 1 前处理模块 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造 有限元模型；a n s y s 程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。 ( 1 ) 实体建模 自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称 为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构 造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱体。无论使用自顶向 下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出 一个实体模型。a n s y s 程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分 割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减 少相当可观的建模工作量。a n s y s 程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸 和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉 与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬 点的建立、移动、拷贝和删除。 自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先 定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。 ( 2 ) 网格划分 a n s y s 程序提供了使用便捷、高质量的对c a d 模型进行网格划分的功能。包 9 。 位论第二章梅山过桥结构有限元建模 分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格 二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型 几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。 a n s y s 程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免 了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适 应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成 有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计 算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次 数。 2 1 1 2 分析计算模块 在实体建模以后就可进入到模型的分析计算阶段。分析计算模块包括结构分析 ( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、结构静力分析、结构动力学 分析、动力学分析、热分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分 析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析 及优化分析能力。 2 1 1 3 后置处理 a n s y s 软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块和时间历程后处理 模块。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子 流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显 示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 通用后处理是把前面的分析计算的结果以图形形式显示和输出。例如，计算结 果( 如应力) 在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色，代表 了不同的值( 如应力值) 。浓淡图则用不同的颜色代表不同的数值区( 如应力范围) ， 清晰地反映了计算结果的区域分布情况。 时间历程响应后处理模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点 位移、应力和支反力等。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个 变量随频率或其它量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。另外，该模块 还可以进行曲线的代数运算。 1 0 东北大学硕士学位论第二章梅山过桥结构有限元建模 2 2 过桥结构有限元建模 健康监测系统实施和运行结果的好坏的前提是能对该系统受力、变形情况有深 入的了解，在此基础上进行系统总体设计；同时为了减少试验模型实施的成本， 有必要进行实体的理论模型的分析。a n s y s 软件的三维建模解决了上述问题，以 下是梅山过桥结构的三维有限元建模的方法介绍，为后续章节的健康监测系统理 论展开提供了模型和理论基础。 2 2 1 梅山过桥结构 梅山粗轧过桥结构作用，主要是在施工轧机基础期间为辊道设备提供结构悬 挂支撑【2 3 】，过桥结构主要有上部桥架和下部i 也轧机辊道过桥两大部分组成，1 2 - 1 4 辊道设备固定于过桥结构的下层r 2 轧机辊道过桥横梁上。过桥结构及辊道设备 的三维视图如图2 1 所示。 图2 i 过桥结构三维图 f i g 2 13 dc o n s t r u c t i o no fc r o s s - b r i d g e 2 2 2 辊道结构和过桥结构三维有限元模型 建立科学的、能够较为实际地反映辊道设备和粗轧过桥结构的三维有限元分析 模型，是对其进行动力特性分析和动态响应计算的基础，也是对过桥结构进行安 全性评估的重要依据。 2 2 2 1 辊道结构三维模型的创建 按照梅山钢铁公司热轧厂辊道设备图以及辊道的操作侧、传动侧和辊道重量， 东北大学硕士学位论第二章梅山过桥结构有限元建模 建立了辊道设备的三维模型，在建模工程中对设备操作侧和传动侧按照刚度相等 以及重量相等的原则进行了结构简化，相关的简化参数见表2 1 。 表2 i 设备简化后的参数 t a b l e2 1p a r a m e t e ro ft h eb r i e f e de q u i p m e n t 项目面积a ( m m 2 )惯性矩i 。( m m 4 )惯性矩i 。( m m 4 )密度p ( k g m m 3 ) 操作侧 6 0 0 0 03 1 7 5 x 1 0 93 6 5 2x1 0 81 0 2 0 1 0 1 传动侧 8 2 0 0 04 8 4 3 1 0 91 5 4 8 1 0 92 6 5 1x1 0 5 辊道 9 9 5 3 87 8 8 4 1 0 97 8 8 4 x1 0 93 9 7 7 x 1 0 建成后的三维模型如图2 2 所示。辊道设备三维模型将加到辊道设备基础的 结构模型以及过桥结构的结构模型上形成共同受力体系，板坯分别以静荷载或动 荷载的施加在辊道上。 图2 2 辊遭结构三维模型 f i g 2 2f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fr o l l i n gt r a i l 2 2 2 2 过桥结构的三维有限元模型 梅山粗轧过桥结构式是钢组成的空间桁架，桁架支撑在六个支座上，其中五个 支座在原来的辊道设备混凝土基础上，另外一个支座落在人工挖孔桩上。轧机辊 道设备固定于过桥结构的横梁上，在过桥结构建模过程中，以施工图为依据，并 作了适当的简化，如图2 3 所示。由于过桥结构只有一个支座在人工挖孔桩上，而 且在正常运营过程中所受到的冲击载荷较大，有必要考虑土桩结构的相互作用。 1 2 东北大学硕士学位论第二章梅山过桥结构有限元建模 图2 3 过桥结构的三维模型 f i g 2 3f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc r o s s - b r i d g e 质量弹簧模型是目前桩土结构相互作用理论分析中广泛采用的理论模型之 一，用一个质量一弹簧体系来代表桩基础和地基。假定： ( 1 ) 在同一水平层土壤为各向同性线弹性体，但不同层土壤性质是不相同的； ( 2 ) 测向土的性质在两个正交方向彼此无关； ( 3 ) 土壤的抗力在轴向、测向和扭转方向不耦合，且属于小位移问题。 本文采用了质量弹簧模型，模型中等代土弹簧刚度的确定是关键问题。采用 我国公路桥梁设计部门常用的m 法( m 为基土比例系数) 计算土弹簧的刚度，根 据相关