（机械设计及理论专业论文）斜拉桥健康监测系统传感器优化布置研究.pdf

；p_= n h t 原创性声明 l i i ii ii ii iii ii r lti ii il y 1914 017 本人声明，所呈交的学位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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：嘲 日期：年一月一日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：砬邈 导师签名垒丝 自期：墨纠年一月一日 l 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 桥梁健康监测作为一种可以有效获取桥梁结构信息、识别桥梁损 伤的方法，可以为桥梁的安全状况评定和管理决策提供科学依据，在 近几年受到了广泛的重视。而健康监测系统中传感器布置的优劣直接 关系到整个系统的效率和精度。传感器优化布置就是要使用更少的传 感器获取更多的桥梁结构信息，并使获取的信息能够更利于桥梁损伤 的识别。 斜拉桥是现代大跨度桥梁中十分常见的类型，对其健康监测系统 中的传感器进行优化布置研究具有非常重要的意义。本文针对斜拉桥 的结构特点和行为特征，结合已有的布置原则，对此问题进行了系统 的探讨。 在大型通用有限元分析软件a n s y s 中建立了三维斜拉桥模型，对 此模型进行了模态分析、应变分析和温度分析，依此分析出了桥梁的 振动、应变与温度等结构行为特性，并将分析结果作为传感器布置的 重要依据；根据斜拉桥所处环境和常见损伤类型，选择了传感器的类 型，并得出了其技术指标要求；通过研究斜拉桥损伤识别方法和损伤 结构行为，确定了健康监测所需加速度传感器的数目；在传感器优化 理论的指导下，利用遗传算法搜索的方法，结合传统经验和桥梁有限 元分析结果，对各类传感器进行了优化布点；最后，总结出了适用于 一般斜拉桥的传感器优化布置方法，并进行了试验研究，验证了有限 元模型的正确性。 关键词：斜拉桥，传感器优化布置，有限元分析，遗传算法，损伤识别 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a sae f f e c t i v em e t h o dt oo b t a i nt h es t r u c t u r a l s i g n a la n dt o i d e n t i f i c a t et h ed a m a g eo ft h eb r i d g e ，h e a l t hm o n i t o r i n gc a np r o v i d e s c i e n t i f i cb a s i sf o ra s s e s s i n gt h es e c u r i t ys t a t u so ft h eb r i d g ea n df o rt h e m a n a g e m e n to ft h eb r i d g e i nr e c e n ty e a r s ，i th a sb e e nw i d e l yp a i d a t t e n t i o nt o s e n s o rp l a c e m e n ti nh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mi sd i r e c t l y r e l a t e dt ot h ee f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o no ft h eo v e r a l ls y s t e m t h ea i mo f s e n s o ro p t i m a lp l a c e m e n ti st ou s e1 e s ss e n s o rt oo b t a i nm o r eb r i d g e s t r u c t u r a l i n f o r m a t i o na n dt oa s u r et h ei n f o r m a t i o nt ob em o r ec o n d u c i v e t ob r i d g ed a m a g ei d e n t i f i c a t i o n c a b l e - s t a y e db r i d g ei sav e r yc o m m o nt y p ei nt h em o d e ml o n gs p a n b r i d g e s ，t h er e s e a r c ho nt h eo p t i m i z a t i o no f t h es e n s o rp l a c e m e n tf o rt h e i r h e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e i n r e s p o n s et ot h e s t r u c t u r a la n db e h a v i o rc h a r a c t e r i s t i c so fc a b l e s t a y e db r i d g e t h i si s s u e w a sr e s e a r c h e dc o m b i n e dw i t ht h ee x i s t i n gp l a c e m e n tp r i n c i p l e si nt h i s p 印e r t h r e ed i m e n s i o n a lc a b l e s t a y e db r i d g em o d e lw a se s t a b l i s h e di n l a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，a n dt h em o d a la n a l y s i s ， t h es t r a i na n a l y s i sa n dt h et h e r m o d y n a m i ca n a l y s i st ot h i sm o d e lw a s c a r d e do n a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t ，t h et r a i to f b r i d g es t r u c t u r a l b e h a v i o rw a sr e s e a r c h e d ，a n dt h er e s u l tw a st r e a t e da st h ei m p o r t a n tb a s i s f o rt h es e n s o rp l a c e m e n t ；a c c o r d i n gt ot h ee n v i r o n m e n ta n dt h ec o m m o n d a m a g et y p eo fc a b l e - s t a y e db r i d g e ，t h et y p eo f s e n s o r sw a sc h o s e n ，a n d t h em a jo rt e c h n i q u ep a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e d t h r o u g ht h er e s e a r c h o nt h em e t h o do fd a m a g ei d e n t i f i c a t i o nf o rc a b l e s t a y e db r i d g ea n dt h e d a m a g e ds t r u c t u r e sb e h a v i o r , t h en u m b e ro ft h ea c c e l e r a t es e n s o ri nt h e h e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mw a sd e t e r m i n e d u n d e rt h ed i r e c t i o no ft h e o p t i m i z a t i o nt h e o r yf o rs e n s o rp l a c e m e n t ，s e n s o r sw e r ep l a c e db yu s i n g g e n e t i ca l g o r i t h mm e t h o dc o m b i n e dw i t ht r a d i t i o ne x p e r i e n c ea n d b r i d g e sa c t u a la n a l y s i sr e s u l t f i n a l l y , t h es u m m a r yo fs e n s o ro p t i m a l p l a c e m e n tm e t h o dg e n e r a l l ya p p l i e dt oc a b l e s t a y e db r i d g ew a sm a d e ， a n dt h ee x p e r i m e n tw a sc a r d e do nt oc o n f i r mt h ea c c u r a c yo ft h ef i n i t e 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e m e n tm o d e l 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 1 1 桥梁健康监测系统简介1 1 1 2 传感器优化布置的必要性2 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 传感器优化布置准则研究现状3 1 2 2 传感器布点搜索方法研究现状5 1 3 本文主要研究内容及意义6 1 3 1 本文主要研究内容6 1 3 2 本文研究意义7 第二章斜拉桥有限元分析8 2 1 斜拉桥模型简介8 2 2 有限元模型的建立9 2 2 1 斜拉桥有限元建模需要解决的问题9 2 2 2 单元类型的选择1 0 2 2 3 材料属性的设定1 2 2 2 4 单元实常数与截面形式的设定1 2 2 2 5 几何模型的建立与网格划分1 3 2 2 6 边界条件的设定1 4 2 3 斜拉桥模态分析1 4 2 3 1 模态分析选项的设置1 4 2 3 2 模态结果分析1 5 2 4 斜拉桥应力应变分析1 7 2 4 1 车辆载荷模拟方法的选择1 7 2 4 2 车辆载荷的施加1 8 2 4 3 桥梁应力分析结果1 8 2 5 斜拉桥温度分析2 1 i v 中南大学硕士学位论文 目录 2 5 1 单元类型的选择与温度参数的确定2 1 2 5 2 温度边界条件的施加2 2 2 5 3 桥梁温度场分布2 3 2 6 本章小结2 6 第三章传感器的选择及数目估计2 7 3 1 健康监测所需的传感器类型确定2 7 3 1 1 混凝土斜拉桥的主要病害2 7 3 1 2 斜拉桥健康监测内容2 8 3 1 3 监测所需的传感器类型2 9 3 2 传感器主要技术指标要求2 9 3 2 。1 加速度传感器技术指标要求2 9 3 2 2 应变传感器技术指标要求3 0 3 2 3 其他类型传感器技术指标要求3 0 3 3 斜拉桥主梁损伤识别方法3 l 3 3 1 曲率模态的计算3 l 3 3 2 曲率振型规范化处理3 1 3 3 3 曲率振型零点特殊处理3 2 3 3 4 损伤程度估计3 3 3 4 加速度传感器数目确定3 4 3 4 1 加速度传感器数目问题的分析3 4 3 4 2 桥梁损伤对曲率振型变化的影响规律3 5 3 4 3 加速度传感器数目估计3 8 3 5 本章小结3 8 第四章斜拉桥传感器位置优化4 1 4 1 修正有效独立法4 1 4 2 加速度传感器位置优化4 2 4 2 1 优化目标函数的确定4 2 4 2 2 搜索算法的选择4 3 4 2 3 遗传算法流程4 3 4 2 4 传感器布点的遗传算法搜索4 4 4 2 5 布点结果分析4 6 4 3 应变传感器位置优化4 8 4 3 1 斜拉桥传统应力控制截面4 8 4 3 2 桥梁模型应变分布4 9 v 中南大学硕士学位论文目录 4 3 3 主梁应变传感器布置5 0 4 3 4 索塔应变传感器布置5 1 4 4 温度传感器位置优化5 3 4 4 1 主梁温度传感器布置5 3 4 4 2 其它结构温度传感器布置5 5 4 5 索力传感器的位置优化5 7 4 6 斜拉桥传感器优化布置方法总结5 8 4 7 本章小结5 9 第五章斜拉桥模态测试试验6 1 5 1 试验目的6 1 5 2 试验原理6 1 5 3 试验设备6 2 5 4 试验内容与步骤6 3 5 5 试验结果分析6 5 5 6 本章小结6 9 第六章全文总结与展望7 0 6 1 全文总结7 0 6 2 展望7 0 参考文献7 2 致谢7 6 攻读硕士学位期间主要研究成果7 7 v i 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 桥梁健康监测系统简介 2 0 世纪5 0 年代以来，世界各地桥梁事业发展迅猛，大跨度桥梁不断涌现，而 且其跨度也呈现出不断增长的趋势，这些大跨度桥梁在使用过程中，由于各种外 部因素的作用，结构各部分会不可避免地出现不同程度的损伤，这些损伤如果不 能得到及时的处理，将有可能引起桥梁的突然破坏；另一方面，近年来世界范围 内的桥梁坍塌事件不断增多，给人类带来了巨大的经济损失。这些都使得人们越 来越多地意识到桥梁健康监测的重要性。为了能够实时地监测到桥梁的健康状 况，在大型桥梁上有必要安装健康监测系统。 桥梁健康监测系统的作用就是对桥梁结构行为进行实时监控，并依此对结构 是否发生了损伤、损伤的位置和程度等方面作出判断，从而对桥梁的耐久性和可 靠性进行评估，为大桥的维修养护与管理决策提供依据【l 】。桥梁健康监测系统主 要由传感器子系统、数据传输子系统、数据处理子系统、结构损伤评估子系统、 结构安全评定子系统等五部分构成。 桥梁健康监测系统主要测试内容包括： ( 1 ) 桥梁基础沉降：首先选择控制基准网，控制基准网由4 - 6 以上的基准 点组成，构成若干个大地三角形，基准点应布置在桥梁以外的适当范围内，通视 条件要求良好。 ( 2 ) 外部载荷：包括风载荷、地震、温度、车辆载荷等。 ( 3 ) 几何变位：包括桥梁结构的位移、倾角、线性变化等，如索塔的水平 变位和倾斜度、主缆和加筋梁的线性变化、支座和伸缩缝的相对位移等。 ( 4 ) 结构反应：包括结构张力、应变、加速度、振动等【2 】。 桥梁健康监测对桥梁的管理与维护具有非常重要的意义。人们不仅可以从中 获取反映结构状况的各种信息，并依此评定结构健康状况，而且能够通过这些信 息来验证理论模型的正确性，同时，健康监测结果反映了有关结构行为与环境规 律的最真实信息，可以使人们更加深入地了解到复杂桥梁的结构行为，从而进一 步完善桥梁结构设计理论。 桥梁健康监测在2 0 世纪5 0 年代被提出以后，在理论方面得到了很大的发展， 而且在许多已落成的大型桥梁上都安装了健康监测系统。然而，由于受到桥梁结 构行为复杂性、环境不确定性和非结构因素的影响【3 l ，桥梁健康监测系统的科学 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 理论仍然还不够完善，在应用上还存在一些问题。目前，桥梁健康监测系统存在 的主要问题有【4 】： ( 1 ) 传感器选型与布设合理性有待进一步研究。由于部分测点的布设不够合 理，导致目前桥梁监测系统测点布置规模差异性较大，造成投资浪费或关键数据 缺失。 ( 2 ) 系统的损伤识别能力与期望目标相差甚远，目前的健康监测系统还很难 精确检测到桥梁已发生的结构损伤。 ( 3 ) 受传感器以及传输线路的寿命影响，健康监测系统自身的使用寿命难以 得到保证。 ( 4 ) 在桥梁信息采集过程中，环境影响及测量噪声难以完全消除，降低了监 测数据的可靠性，同时造成了测量数据的不完整性，给分析带来很大困难。 ( 5 ) 有些大桥的健康监测系统获取了海量数据，但是未能及时有效地进行处 理，造成了数据灾难。 ( 6 ) 理论与实践及相关系统的有机结合需要加强。健康监测领域涌现了大量 的研究论文，但目前多数理论并不能有效地应用于工程实践。健康系统由许多子 系统组成，如何将这些子系统更有效的结合起来进行评估需要进一步研究。 1 1 2 传感器优化布置的必要性 传感器子系统是桥梁健康监测系统中一个非常重要的组成部分，主要包括加 速度传感器、应变传感器、温度传感器和风速仪等，担负着为整个系统获取桥梁 结构行为和外界环境等各种信息的重要任务。传感器系统的好坏直接关系到健康 监测系统中各种原始数据的可靠性和有效性，进而影响到整个健康监测的效率和 精度。 在传感器的布置过程中应遵循的原则有： ( 1 ) 应使所选传感器能够检测到用来识别桥梁常见损伤的各类信号，并能 够在桥梁所处环境下正常工作，且使得其工作范围能够达到检测所需要求【5 1 ； ( 2 ) 各类传感器在数目的选择上，应保证可以检测到规定程度的桥梁损伤。 ( 3 ) 在含噪音的环境中，能够利用尽可能少的传感器获取全面、精确的结 构参数信息； ( 4 ) 测得的模态应能够与模型分析的结果建立起对应关系； ( 5 ) 能够通过合理添加传感器对感兴趣的部分模态进行数据重点采集【6 】； ( 6 ) 测得的数据应对损伤较为敏感。 桥梁健康监测系统中传感器的优化布置问题就是使传感器的布置尽量满足 上述原则。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 斜拉桥作为五种基本桥梁类型之一，是目前大跨度桥梁建设中被广泛采用的 桥梁形式。相对其它类型桥梁，斜拉桥具有自身的结构特点、行为特征和损伤类 型。针对斜拉桥的这些结构特点、行为特征以及常见损伤类型，来研究该类桥梁 健康监测系统传感器优化布置问题具有很大的理论价值和现实意义。 目前斜拉桥健康监测系统传感器优化布置问题已经得到广泛研究，但大多都 是从获取更多斜拉桥结构信息的角度进行探讨的，而没有考虑到如何获取更利于 斜拉桥损伤识别的信息。另一方面对传感器位置布设研究很多，而对检测桥梁损 伤所需的传感器数目却少有涉及。所以，将这两个方面纳入考虑范围，来研究传 感器布置问题显得尤为重要。 1 2 国内外研究现状 传感器优化布置的研究主要包括两个方面，布点准则和搜索方法。布点准则 的设计就是从某一角度出发，来寻求传感器优化布置的理论依据。搜索方法的设 计主要是针对传感器布置过程中布点计算工作量大的问题，提出可以高效地确定 传感器位置的算法。目前这两方面的研究现状如下。 1 2 1 传感器优化布置准则研究现状 ( 1 ) 识别误差最小准则 识别误差最小原则就是尽量保证健康监测系统参数识别的误差最小。 k a m m e r 7 等人于1 9 9 1 年提出了有效独立准则，它从所有可能测点出发，按 照对目标模态矩阵独立性排序，逐步删除对其秩贡献最小的自由度，从而使感兴 趣的模态向量尽可能线性无关。有效独立法是目前最为常用的传感器优化布置原 则，它可以有效地减少传感器的数目，但根据这种方法得出的往往是一群被测量 较大的点，有时对桥梁的损伤不够敏感。 为了实现识别误差最小，l i u 和t a s k c r t 8 】利用扰动分析方法推导了识别误差和 传感器位置的关系，并将其用来指导传感器优化布置。b a y a r d 9 】等人提出了基于 有效独立法的d 域准则，并利用该准则将最优输入及传感器配置解耦，使传感器 的布置更加方便。为了探究d 域准则在优化配置传感器中的有效性，t o n g c o 1 0 】 等人针对一个6 3 自由度的平面桁架做了实验研究，结果表明基于有效独立法的d 域准则可以有效地处理传感器布置问题。但上述研究并没有考虑到所选布点对桥 梁损伤的敏感程度。 ( 2 ) 模态应变能准则 模态应变能方法认为，模态应变能较大的自由度上模态响应也较大，将传感 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 器尽可能布置在这些自由度上，将有利于信号采集和损伤识别【1 1 1 。其缺点是过分 依赖于有限元模型的划分，如果划分得较粗，则传感器也将分布得较远。 顾荣荣等人【1 2 1 利用模态应变能法，探讨了挠性结构中传感器和激振器的位置 优化问题，并指出：对于两邻边固定、另两邻边自由的矩形薄板，传感器应尽量 靠近自由边处。 ( 3 ) 插值拟合准则 插值拟合准则的基本思想是，利用采集到的响应信息通过插值拟合得出整个 桥梁结构所有点的响应情况，而将传感器布置在插值拟合的误差较小的位置上， 从而实现利用较少的传感器获取较多桥梁信息的目的。 b a r u h 等人【”1 在研究简支梁传感器布置时，利用样条函数对有限测点的响应 进行插值，进而推算出其余各点的响应，得到了简支梁上传感器应尽量均匀分布 的结论。 插值拟合准则的缺点在于，此类方法与有限元方法无关，只能应用于形状较 为简单的一维和二维结构。 ( 4 ) 模型缩减准则 模型缩减准则认为，应将传感器尽可能布置在模型缩减过程中的主自由度 上，从而能够使监测结果更好地反映出响应较大的低阶模态。 g u y a n t l 4 】提出 g u y a n 模型缩减法，它是将包含有主次坐标关系的约束方程 代入系统的动能或应变能表达式，通过刚度( 静力缩减) 或质量( 动力缩减) 子矩阵 构成的转换矩阵，把那些对模态反应起主要作用的自由度保留下来作为测点的位 置。 jo c a l l a l l a n 【1 5 】在g u y 趾模型缩减法的基础上提出了一种改进的缩减法，较好 地解决y g u y a n 模型缩减法只能保留低阶模态的问题，使模型缩减法的运用范围 得到扩展。 z h a n g t l 6 】等人提出了连续接近缩聚法，通过连续近似循环缩减的办法来达到 优化配置传感器的目的，使待测模态能够很好地得到保留，而不只是保留低阶模 态。 模型缩减法可以保证结构低阶模态的精度，而对桥梁结构损伤较为敏感的往 往是高阶模态，这些模态响应较小，模型缩减法很难保证它们的精度。 ( 5 ) 其它优化准则 除了上述准则以外，传感器的配置方法主要还有： q r 方法【1 7 】，即采用振型矩阵和质量矩阵乘积的q r 分解来配置传感器。q r 分解可以较为快捷地从矩阵中选取出具有较大范数的向量子集，所以q r 方法常 在传感器布置过程中用来确定传感器的初始测点分布。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 m a c 矩阵法【1 8 】，就是在布置传感器时，使m a c ( m o d a la s s u r a n c ec r i t e r i o n , 模态置信因子) 矩阵的非对角线元素值最小，该方法认为这样能够在传感器数目 一定的情况下，较多地获取所测结构的特性。 可控可观度准则，主要从保证监测信息的可观性和可控性的角度，来进行 传感器位置优化，该准则较多地应用在振动控制系统的建模中。 总的来说，上述优化准则都是从某单一角度出发得出的传感器布置依据，而 实际的传感器布置问题往往要求同时兼顾某几个因素，所以，在传感器布置过程 中，可根据实际问题将多个准则进行有机的结合。 1 2 2 传感器布点搜索方法研究现状 ( 1 ) 遗传算法 遗传算法是j o h nh h o l l a n d 于1 9 7 5 年提出的一种的随机方法【1 9 1 。它通过模仿 生物进化过程，将问题的解表示成字符串，并对其进行选择、变异与交叉等操作， 使优势个体的基因得到遗传和进化，进而搜索出问题的最优解【2 0 】。 “ 李戈等人利用遗传算法对青马大桥传感器进行了优化布点，并从不同的角度 出发提出了三个适应度函数，指出了这三种适应度函数各自的特点，并通过试验 验证了在悬索桥传感器优化布置方面遗传算法的有效性。 m a k o l am 1 2 1 】采用遗传算法和基于梯度的优化方法来确定传感器和激振器的 位置，设计出了具有较快的收敛速度的遗传算法，并将其应用在民用建筑的测点 确定上。 张连振1 2 2 等人针对传感器布点优化基于单一准则研究的局限性，利用遗传算 法在多个准则下来研究传感器优化布点，使布点位置更趋于合理，但根据该方法 得出的是一组最优解，增加了决策者的选择难度。 遗传算法是一种效率较高，且不易陷于局部最优解的搜索方法，适合桥梁传 感器优化布置的位置搜索，但遗传算法本身并不能解决传感器数目问题，而且局 部搜索能力相对较差。 ( 2 ) 模拟退火算法 模拟退火算法是一种模仿固体退火过程的随机类搜索方法，将搜寻空间内每 一点想像成固体的粒子，通过不断地改变温度，使粒子群达到能量最低态，也就 意味着找到了问题的最优解【2 3 】。 c h e n 【2 4 】等采用模拟退火算法研究了主动构件和被动阻尼元件的优化配置问 题，验证了模拟退火算法在传感器测点搜索中的有效性，但其搜索效率有待进一 步提高。 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 马广，黄方林【2 5 】等人通过融合模拟退火算法和遗传算法各自的优点，提出了 混合遗传算法，并将其应用于桥梁传感器优化布置，同时指出，该混合遗传算法 具有导向启发作用，在最优解搜索时，解的变化曲线较为平滑，且可以提高优化 算法的效率，但该方法很难确定何时切换算法。 模拟退火算法能够以概率1 收敛于全局最优解，其最大问题在于很难合理地 选取初始参数，从而使搜索的效率不能得到有效控制，有时会出现计算时间过长 的问题。所以，将模拟退火算法应用于传感器布置问题时，必须先解决其计算效 率问题。 ( 3 ) 序列法 序列法主要包括逐步削去法和逐步累积法。其中，逐步削去法在模态试验中 配置传感器的过程中使用较多，其基本作法是从剩余的传感器可选位置中逐步去 除对目标函数贡献最小的点，一直到只剩下希望数目的位置为止。逐步累积法则 是不断地从剩余的位置中选取一个最优的加到布点位置集合中去，直至达到希望 的数目为止。 无论是逐步削去法还是逐步累积法，通常都只能得到次优解。 1 3 本文主要研究内容及意义 1 3 1 本文主要研究内容 本文针对斜拉桥的结构特点和行为特征，对斜拉桥健康监测系统传感器优化 布置问题进行探讨，主要工作内容如下： ( 1 ) 在理论方面，拟对斜拉桥损伤识别问题进行探讨，得出有效的损伤识 别方法，为传感器数目估计提供依据；试图将修正有效独立法与弯曲变形能法相 结合，设计出适合加速度传感器布点的适应度函数。 ( 2 ) 根据斜拉桥常见损伤类型，选择出监测所需的传感器类型，并根据桥 梁所处环境以及工作要求，得出各类传感器技术指标要求。 ( 3 ) 根据损伤识别方法和识别要求，估计出传感器的数目。 ( 4 ) 利用a n s y s l 0 0 建立桥梁有限元模型，通过仿真分析得出桥梁的动力特 性与静力学行为，为各类传感器的布置提供依据。 ( 5 ) 利用遗传算法并结合传统的传感器布置方法进行传感器优化布点，确 定各类传感器的位置。 ( 6 ) 拟对适用于一般斜拉桥的传感器布置方法进行总结。 ( 7 ) 通过试验验证有限元模型的有效性。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 本文拟解决问题如下： ( 1 ) 探讨斜拉桥损伤识别问题，提出一种较为有效的损伤识别方法；根据 损伤识别方法，给出用来估计斜拉桥监测过程中所需加速度传感器数目的方法。 ( 2 ) 提出一种同时考虑到损伤识别敏感性和信号采集方便性的传感器位置 搜索目标函数。 ( 3 ) 总结出适用于一般斜拉桥的传感器布置方法。 1 3 2 本文研究意义 本文的研究意义在于： ( 1 ) 通过对斜拉桥传感器进行优化布置，可以有效降低健康监测系统的构 建成本，同时可以大大提高系统的信号采集效率和损伤识别精度。 ( 2 ) 针对目前传感器布置过程中存在的数目不易确定的问题，从保证损伤 能够得到检测的角度出发，给出一种加速度传感器数目估计方法，可以为今后传 感器数目确定提供指导。针对目前传感器优化布置准则考虑角度的单一性问题， 在加速度传感器布置过程中，兼顾多个因素的影响进行优化布置，具有一定的借 鉴作用。 ( 3 ) 针对斜拉桥的结构特点、行为特征以及常见损伤类型，研究该类桥梁 健康监测系统传感器优化布置问题，并总结出适合一般斜拉桥的传感器布置方 法，对斜拉桥传感器布置具有重要的指导意义。 7 中南大学硕士学位 第二章斜拉桥有限元分析 第二章斜拉桥有限元分析 通过斜拉桥有限元分析可以得出斜拉桥的振动特性以及应力、应变、温度、 索力等物理量的分布情况，而这些仿真值是布置传感器的主要依据之一。 2 1 斜拉桥模型简介 ( 1 ) 概况 模型桥梁是一座双塔单索面预应力混凝土斜拉桥，主桥总长1 0 2 5 米。桥面宽 2 5 米，双向4 车道，其中机动车道宽1 5 米，两侧非机动车道各3 5 米，人行道各1 5 米。桥梁共有桥墩1 5 9 个，桥墩与桥面板之间采用橡胶支座连接。桥址处年平均 温度1 7 2o c ，温度范围为1 0 0 c 到4 5o c 。钢索与主梁温差1 0 0 c 。 ( 2 ) 主梁 斜拉桥的主梁为两片单室闭合箱梁，梁高3 4 米，上缘用4 9 米长的悬臂挑出， 总宽度3 0 1 米，施工时采用全断面一次总体式悬浇完成。主梁的材料为预应力混 凝土，其中，预应力钢筋的公称直径为7 0 m m ，极限抗拉强度为厶= 1 5 0 0 m p a ， 张拉力为0 7 7 厶，混凝土的弹性模量为2 6 6 x 1 0 4 m p a 。 ( 3 ) 索塔 索塔高5 3 7 2 米，采用何y 型( 顺桥向) 独柱结构，塔柱上部锚固段为矩形截 面，高3 1 3 米，下部塔腿为h 型截面，高2 2 4 2 米，截面尺寸为2 6 米( 顺桥向) 乘 3 5 米( 横桥向) ，两腿与双壁塔墩通过横梁刚性连接。索塔的材料为配筋率1 5 的钢筋混凝土，混凝土的弹性模量为2 6 6 x 1 0 4m p a ，抗拉强度为1 9 6 m p a 。 ( 4 ) 斜拉索 全桥共有1 2 0 根斜拉索，采用扇形布置。斜拉索在索塔上的索距为l m ，在桥 面上的索距为6 m 。斜拉索采用高强平行钢丝束，弹性模量e = i 9 x 1 0 5 m p a ，初始 张拉力为0 7 厶。 选作模型依据的实际桥梁如图2 1 。 图2 - 1 选作模型依据的实际桥梁结构 8 中南大学硕士学位第二章斜拉桥有限元分析 2 2 有限元模型的建立 2 2 1 斜拉桥有限元建模需要解决的问题 ( 1 ) 钢筋混凝土的模拟 钢筋混凝土有限元模型对钢筋的处理方式主要有两种，分离式和整体式。分 离式模型就是把混凝土和钢筋看作两种不同的单元，在此过程中，混凝土和钢筋 应被划分成足够小的单元。整体式模型就是将钢筋均布于整个单元中，把单元视 为连续均匀材料。一般地，如果考虑钢筋与混凝土之间的粘结和滑移，则采用分 离式模型，如果假定二者粘结地很好，则可采用整体式模型【2 7 1 。 考虑到分离式模型需要单元尺寸足够小，这将会大大增加计算量，而且在桥 梁运营期间钢筋与混凝土之间少有滑移，本文采用整体式模型来模拟钢筋混凝 土。其中，对索塔和桥面板作了不同的处理。索塔可直接用带筋的s o l i d 6 5 模拟， 直接在实常数中设置筋的材料号和配筋率即可。而将桥面板简化成板壳单元，需 先计算出钢筋与混凝土按贡献组合后的等效材料属性，如弹性模量和密度等。 等效弹性模量计算如下： 巨= 等警龛e + 巨 ：4 x 0 0 0 3 8 4 6 5 1 9 1 0 1 1 p a + 2 6 6 1 0 1 0 p a - - 2 6 8 4 1 0 1 。p a( 2 1 ) 0 4 3 0 式中，e 等效弹性模量，p a ； e 。钢筋弹性模量，p a ； 彳。钥筋横截面积，m 2 ； e 混凝土弹性模量，p a ； 4 混凝土横截面积，m 2 。 等效密度计算如下： 岛争岛+ 岛= 2 4 0 9 1 k g m 2 ( 2 2 ) 4 式中，成等效密度，k g m 2 ； 级钢筋密度，k g m 2 ； 成混凝土密度，k g m 2 。 ( 2 ) 主梁预应力和斜拉索张拉力的处理 模型桥梁是一座预应力混凝土斜拉桥，预应力混凝土桥梁主要是为了防止桥 梁结构在服役过程中受拉开裂，而在施工时，预先对其施加压力。鉴于本文选择 9 中南大学硕士学位第二章斜拉桥有限元分析 了整体式钢筋混凝土模型，拟通过施加等效载荷的方法实现预应力的加载，即在 主梁一侧线上施加面载荷。 主梁中预应力钢筋布置情况为：在3 0 m 宽的桥面板中均布有直径为7 0 m m 、 预应力为0 7 厶的预应力钢筋，依此可计算出应施加的面载荷大小，计算过程 如下： 钢筋总拉力4 f = 4 e r a = 4 万0 7 厶，2 ：4 = x 0 7 1 5 0 0 1 0 6 ( 塑) 2 n ：1 6 1 6 1 0 7 n ( 2 3 ) 2 式中，f 单根钢筋拉力，n ； 仃钢筋拉应力，p a ； 彳钥筋横截面积，m 2 厶钥筋抗拉极限强度，p a ； ，钢筋半径，m 。 应施加的面载荷 7 r ：_ 4 f ：堕坠堡n m 2 ：1 3 4 6 7 1 0 6 n m 2 ( 2 4 ) 彳3 0 0 4 式中，主梁横截面积，m 2 。 斜拉桥在施工过程中即对斜拉索进行了预张拉，从而保证在桥梁运营 期间，斜拉索始终受拉应力。斜拉索张拉力的处理方法主要有初应变法、 温度载荷法和生死单元法等。 初应变法就是先计算出斜拉索在受张拉之后产生的应变，再将该值以 定义实常数的形式加在斜拉索单元上。温度载荷法就是通过对斜拉索单元 实施温降，使其收缩受拉，从而模拟出斜拉索中原有的张拉力。生死单元 法就是在完成建模以后先将索单元杀死，然后在索的两端施加张拉力，计 算完其它部分形变后，再激活相应的索单元。考虑到将要对桥梁作温度分 析和加载的方便性，本文选择了初应变法。 应施加的初应变为： s ：! ：0 5 3 f 肼k ：0 5 3 x 1 5 0 0 f x l 0 6 ：0 0 0 4 1 8 ( 2 - 5 ) 岂e1 9 x1 0 “ 式中，盯为斜拉索拉应力，厶为斜拉索极限抗拉力，e 为斜拉索弹性模量。 2 2 2 单元类型的选择 a n s y s 中单元选择的主要依据有： 1 0 中南大学硕士学位第二章斜拉桥有限元分析 ( 1 ) 几何形状，所要分析的结构的几何形状是确定所选单元大类( 如点单 元、线单元、面单元等) 的主要依据。 ( 2 ) 载荷性质，可以根据结构所受的载荷性质来进一步确定单元的类别， 比如，利用线单元模拟所要分析的结构时，如果结构只受轴向拉压应力，可采用 l i n k 单元，而如果还需承受弯矩，则可采用b e a m 单元。 ( 3 ) 模型空间维数，模型空间维数决定了模型内部各单元所要分析的自由 度数，进而决定所选的单元维数，如l i n k l 为二维线单元，而l i n k l o 则为三维线 单元。 ( 4 ) 所要分析的问题性质，a n s y s 中按所要分析的问题性质可以分成很多模 块，如结构分析、热分析、流体动力学分析、显式动力分析等，在每种模块中都 具有专门的单元类型，所以需要根据问题的性质来选择合适的单元 根据以上原则，选择出了桥梁各部分结构的所需单元，选择情况如下【2 8 2 9 】： 主梁，模型桥梁的桥面板长1 0 2 0 m ，宽3 0 m ，厚0 4 m ，由于该桥面板的长 度和宽度远远大于其厚度，适于简化成板壳类构件，在a n s y s 中板壳单元( s h e l l 单元) 要求结构主尺寸不低于其厚度的1 0 倍，而该桥面板的两个主尺寸与厚度 之比分别为2 5 5 0 和6 2 5 ，故可以采用s h e l l 单元。本文采用的s h e l l 6 3 单元是弹 性4 节点板壳单元，也是最为常用的一种板壳单元， 斜拉索，斜拉索具有如下特点：1 ) 主尺寸远远大于其它两个方向的尺寸， 故可以简化成直线单元( 1 i n k 单元) ；2 ) 斜拉索在桥梁正常运行期间，始终受拉。 由于整个桥梁模型是一个三维结构，斜拉索宜采用三维直线单元，在三维直线单 元中，l i n k l o 适用于模拟单纯受拉或受压的构件，结合斜拉索本身的特点，本文 采用l i n k lo 单元来模拟斜拉索。 索塔，模型桥梁索塔为人字形结构，故不能简化成梁单元，而只能采用三维 实体单元，由于索塔材料为钢筋混凝土，故可利用混凝土实体单元s o l i d 6 5 来模 拟。s o l i d 6 5 单元是a n s y s 专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀 材料开发的单元，由于增加了针对混凝土材料参数的整体式钢筋模型，它适用于 钢筋混凝土的三维实体建模。 桥墩，桥墩在几何尺寸上可近似成杆类构件，但它不但要承受轴向作用力， 还更多地承受着弯矩，所以适合用三维梁单元来模拟，建模过程中只需对桥墩建 立直线模型，再自定义其截面即可。鉴于以上原因，选择了b e a m l 8 8 单元。 支座，桥梁支座连接着桥梁的上、下部结构，可将上部结构的荷载安全地传 递到桥墩台上去，从而保证上部结构在外部因素作用下的自由变形，同时减轻与 缓解主梁和桥墩的振动，是桥梁结构中变形较大的弹性体，类似于弹簧的作用， 故可采用弹簧单元( c o m b i n l 4 ) 来模拟。 中南大学硕士学位 第二章斜拉桥有限元分析 2 2 3 材料属性的设定 在斜拉桥建模过程中，主要采用了四种材料，预应力混凝土、普通钢筋混凝 土、高强合金钢和橡胶，其中高强合金钢为斜拉索所使用的材料，橡胶为桥梁支 座使用的材料，主梁为预应力混凝土结构，其它结构材料为普通钢筋混凝土。上 述材料的属性设置如表2 1 。 表2 - 1 斜拉桥有限元模型的材料属性设置 2 2 4 单元实常数与截面形式的设定 在有限元分析过程中，单纯用单元的几何形状往往不能完全确定其所有的几 何参数，定义实常数就是为了补充该单元在形式上所无法表现但是在计算中又很 重要的几何量【3 0 1 。下面是对各单元实常数的定义，单位均采用国际单位制。 对于s h e l l 6 3 单元，实常数包括4 个节点处的厚度、基础弹性刚度、中面到 顶面和底面的高度等，一般只需定义其厚度即可，桥梁桥面板是厚度为0 4 m 的 等厚板，所以4 节点处厚度均定义为o 4 。 对于l i n k l0 单元，实常数包括横截面积和初应变。桥梁斜拉索截面是直径约 为1 2 7 4 e m 的圆形，其面积为 s ：刀( 鱼) 2 ：万( 坠) 2 c m 2 ：1 2 7 4 7 6 c m 2 ( 2 6 ) 2 2 化成国际单位制1 3 3 2 ，得其第一个实常数横截面积