（森林工程专业论文）中承式肋拱桥动力特性分析及损伤识别的研究.pdf

摘要 社会避步和土木工程技术的发展，使越来越多的大跨度桥梁得到了修建，虽然合理的 设计是缝稳安全匏援本缳谖，稳是袋子当翦对大爨复杂绩魏熬谈谈毽寝，谗多不定薅戆或不 可确定、不可预知因素( 超麓服役、腐蚀、疲劳、突发性的地震、车躐船的冲碰撞等危除 性事件) ，人们并不都能进行有效控制或预测。为了确保设计的使用囊全性和耐久性达到予厦 期的标凇，特别是大跨度桥粱这种重要的大型结构，时时了解其“健康”状态是非常重要 的。 大跨度疆粱撰褒谈裂及羧态浮售涉及结稳、诗冀魏、透诿、试骏囊涮等多令鼷域，瓣 前所有的研究只是停留在提供各种方法及相互探讨的脚步上，真正能够实现损伤识别的述怒 不多，娃大部分只局限于简单缩构。桥梁结构损伤识别及状态评估的最终实现将有待于桥梁 理论的进一步完善，以及深化对桥梁在工作环境、运营条件下结构特性的认识，这正是目前 国际上的葡沿热点研究领域。 本论文镑霹杰嚣# 豹横梁竣诗方案中，蒋菇怒嫒泰耩梁孛攫袁竞争力豹耪型之一 中承式胁拱桥进行了动力特。隧分析，并对桥梁结构损伤识别问题的若干前沿理论及应用作了 深入、系统的研究。文中主娶通过桥梁结构的静、动载测试、模态分析及损伤识别来评价结 构的完熬腹水平，量化结构完成设计服务的功能和期限的能力，合理评估既有桥梁的承载能 力。 本文莱蘑有限元法对大蹲痰中承式翳撰绥骰摸态分静亍，嗣簿修蕊稷穿诗算模态结莱，邂 行大跨度中承式肋拱桥的动力特性分析，为该类桥型设计及健康监测、状态评估提供有用数 据：通过静、动载试验，检验桥跨结构的实际承载能力、结构变形及动力性能是否满足设计 要求，寻求桥梁整体结构的变形规律，了解结构的实际受力状况和工作状况，为日后运营、 养护及黪遴提供辩学蔹据；邋遥静、动载试验，建立该类褥粱有关戆技术糖寨，为今后兴建 同类耩聚完善设计、我纯结擒、改进工艺积累实测资料。 本文对基于振动损伤识别技术进行了研究，錾于振动损伤识别技术主要是认为损伤将恩 著改变结构的刚度、质量或耗能能力，进而引起胼测结构动力特征或响虚的改变。通过从实 测数据中提取全桥不同部位幼力参数信息或衍生信息，并对比结构无损状态下的相应信息， 柬实嚣续魏戆损囊识爱及状态译信。文中慰一簿繁缝媳悬譬粱模墅遂l 子损褒识舅仿奏分爨， 研究其动力特性及其衍生信息与损伤位霉及程度的关系，得出简单编构悬臂梁模型损伤动力 特性的变化规律，并通过动力特性变化及曲率模态实现了对简单结构悬臂梁模型的损伤识 别：对一腿既有大跨度中承式肋拱桥进行损伤识别仿真分析。由丁中承式拱桥的主要受力构 件是拱肋及吊抒，所以本文分别分柢了拱肋2 截面、l 4 截碰及被撞的8 # 吊枵不同损伤程 寒鹜垒稚j 菱、导拜麓纛 黝垒文公希 度下的动力特性，得出结构整体动力特性的变化规律，并通过动力特性变化规律及应变模态 实现了对拱肋的损伤识别；通过动力特性变化规律及曲率模态实现了对吊杆的损伤识别a 轿梁结构动力特性分析及损伤识潮理论的研究和实践，对准确评估轿粱结构的实际承载 链力、霉豢避兔桥粱结椽维修替换静离鬏费爰和延长桥梁结构酌使蠲寿命，考隋爨显鼹技术 上窝经滂上数意义。本论文的秘究方法及戏票可为中零式默拱楱的设计、运嫠管理墨珏状态评 估提供理论依据。 关键词：中承式肋拱桥动力特性损伤识剐 有限元法模态分丰行 a b s t r a c t a l o n g w i t h t h e d e v e l o p m e m o f s o c i e t y 趣a d t h e d v i le n g i n e e r t e c h n o l o g y , m o r ea n d m o r e l o n g - s p a n b r i d g e sa r eb u i l t a l t h o u g ht h er e a s o n a b l ed e s i g ni st h eb a s i cg u a r a n t e et ot h es l m c b 删ls e c u r i t y , t h e 1 j r 一斓r e c o g n i t i o na b o u tt h el a r g e - s i z e a n dc o m p l i c a t e ds t r u c t u r e m a n yl l n c e 衄t m k n o w na n d u n p r e d i c t e d f a c t o r s o v a - - l i m ew o r k 、c o r r o s i o n 、f i r e d 、s u d d e ne a r t h q u a k e 、b u m p s c o l l i s i o n o f v e h i c l e so rv e s s e l se t cd a n g e r o u se v e n t s ) e x i s t i n g ，p e o p l ec o u l d n tc o n t r o la n dp r e d i c te f f e c t i v e l y i n o r d e rt oe n s u r et h es e c u r i t ya n d l o n g - l a s t i n go f t h ed e s i g n ，t o r e a c ht h ee x p e c t e d s t a n d a r d s ，e s p e c i a lt h e i m p o r t a n t s 缸 u c t u r e o f t h e l o n g - s p a n b r i d g e s ，i t i s v e r y i m p o r t m _ i t t o c o n s t a n t l y m a s t e r i t s h e a l t h y c o n d i t i o n t h ed a m a g ed e t e c t i o na n dt h ec o n d i t i o ne s t i m a t i o no f t h el o n g - s p a n b r i d g e sc , o n c e 1 1m a n y f i e l d s s u c ha ss t m c t t r 、c o n - o u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、e x p e r i e n c e 捌m e a s u r e ，a tp r e s e n t , a l tt h e 嚣s 凌 m e r e l yo f f e ra l lk i n d so f m e t h o d sa n dd i s c u s se a c ho t h e r n om o l r e s e a r c hc a r lr e a l l y 黻o g n i z et h e d a m a g e d e t e c t i o n , m a dm o s to f t h e m j u s ti nt h es i m p l es 扛u d 船t h eb r i d g e st e c h n o l o g y si n g n o v e m e n t a n dt h ed e e p r e c o g n i t i o n o f 血e b r i d g e s w o r k i n ge n v i r o n m e n t a n dt h e d y n a m i c c h a r a c t 艘4 s f i ci no p e r a t i n g c o n d i t i o na l es u p p o s e dt or e a l i z et h ed a m a g ed e t e c t i o na n dt h ec o n d i t i o ne s t i m a t e d a l lt h e s ea mt h el a t e s t a n d w a r m e s tr e s e a r c h i n t h e i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h f i e l d s a t p r e s e n t t h ep a p e ra n a l y s e st h ed y n a m i cd 饿吲s 6 ca n dd o e sad e e pa n ds y s t e r n a t i cr e s e a r c ho nt h e b r i d g e sd a m a g e d e t e c t i o no f 也el a t e s tt e c h n o l o g ya n d u s e s , b e i n g d i r e c t e dt ot h e p r e s e n tb r i d g e sd e s i g n s e s p e c i a lt h em o s tc o m p e t i t i v eb r i d g e - m o d e l - - - - s e m i - s u p p o r t e da r c hb r i d g e s a c c o r d i n gt ot h ec a l m - l o a d i n ga n dm o v e - l o a d i n gt e s t s , t h em o d a la n a l y s i sa n dt h ed a m a g ed e t e c t i o n , 程持p a p e re s t i m a t e st h e s m l c a l r a l w h o l l y - l e v e la n da c h i e v e st h ef u n c t i o n 勰避t h ea b i l i t yo f t h es t r u c t u r a ld e s i g ns e r v i c e , r e a c h i n g t h e p u r p o s e o f e s t i m a t i n g t h e l o a d i n g a b i l i t y o f t h e p r e s e n t b r i d g e s r e a s o n a b l e 。 t h e p a p e rs t u d i e st h em o d a la n a l y s i sa n dt h ed y r 删c c h a r a c t e 6 s 6 c sa n a l y s i sa b o u tt h el o n g - s p a n s e m i - s u p p o r t e da r c hb r i d g e sa d o p t i n g t h ef i m t ee l e m e n tm e t h o d , a tt h es a m et i m em o d i f i e st h ec a l c u l a t i o n r e s u l t s a l lt h e s eo f f e ru s e f u ld a t af o rt h eb r i d g e sd e s i g n 、h e a t h yi n s p e c t i o na n dc o n d i t i o ne s t i m a t e d ； a c c o r d i n g t ot h e c a l m - l o l l i n ga n dt r o v e - l o a d i n gt e s t s ，t o 缸s p e c tw h e t h e rt h ea c t u a ll o a d i n ga b i i t yo f t h e b r i d g e s 、t h es t r u c t u r a lc h a n g i n g a n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca g r e ew i t ht h ed e s i g n r e q u e s t ，t os e e dt h e r e g u l a r i z a t i o no f c h a n g i n g ，t ou n d e r s t a n dt h ea c t u a ll o a d i n gc o n d i t i o na n dw o r l 6 n gc o n d i t i o n ，t oo f f e r s c i e n t i f i cb a s e sf o ru s i n g 、m e n d i n ga n dm a n a g i n gi nt h ef u t u r e t oa c c u m u l a t et h ea c t u a lm a t e r i a lf o r i m p r o v i n gt h ed e s i g n o f t h es i m i l a rk i n d b r i d g e s , s t r e n g t h e n i n g t h es t r u c t u r e ，a n di m p r o v h a gt h ea r t w o r k a c c o r d i n g t os e t t i n g u p t h e c o n c e r n e d t e c h n o l o g y f i l e s 。 t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e sv i b r a t i o n - b a s e dm e t h o da b o u tt h ed a m a g ed e t e c t i o no ft h e 蜘e e r s t r u c t u r e 。t h e m a i n i d e a o f v i b r a t i o n - b a s e d m e t h o d i s t h a t t h e c h a n g e s o f t h e m a s s a n d t h e s t i f f n e s s m a y b e l e a dt ot h ec h a n g eo ft h ed y n a m i c c h a r a c t e 6 蚯c a b s t r a c t i n gt h ei n f o r m a t i o na b o u tt h ed i f f e r e n tp l a c e s f r o mt h ea c t u a ld a t a ，c o m p a r et h es i m i l a ri n f o r m a t i o ni nt h en o - d a m a g e di n s t r u c t i o nt or e a l i z et h e d a m a g e d e t e c n b na n dt h ec o n d i t i o ne s t i m a t e d t h e p a p e r d o e sar e s e m b l e a n a l y 萄s t oa s i m p l e 曲m c t u r r t h ec a n l i l e v e rb e a mm o d e l ，r e s e a w _ k 函gt h er e l a t i o nt h ed y n m n i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ef o l l o w i n g i n f o r m a t i o nt ot h ed a m a g ep l a c e sa n dd e g r e e s t h ep a p e r g e t s ac o n c l u s i o na b o u tt h ec h a n g i n g r e g t d a f i 2 a t i o no f t h es i m p l e 曲瞄曲孙r 堍c a n t i l e v e rb e a mm o d e l sd a m a g eb e h a v i o r s a c c o r d i n g 幻 t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cc h a n g i n ga n dc u r v a t u r em o d a l ，r e a l i z et h ed a m a g ed e t e c t i o nt ot h ec a n t i l e v e r h e 1 lm o d e l a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rd o e st h er e s e m b l ea n a l y s i so f t h e l o n g - s p a ns e n t i s u p p o r t e d a r c hb r i d g e s d a m a g ed e t e c t i o n b e c a u s et h en m i n l o a d i n g c o n s i s t sa r et h ef i ba r c ha n dt h e s t t s p e n s i o nr o d , t h e p a p e r a n a l y s e s l 2a c r o s s 、u 4 a c r o s s o f t h e n b a r c h a n a b u m p e d 铲s u 币豳o nr o d d i f f e r e n t d a m a g e d e g r e e sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，c o n c l u d e s t h e c h a n g i n gr e g u l a r i z a t i o no f t _ h ew h o l e s l r u c t u r e sd y n a m i e c h a r a c t e r i s t i c ，l e , a _ i z e st h ed a m a g ed e t e c t i o n 幻t h er i ba r c ha c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cc l x k r a c t e d s t i c c h a n g i n g a n d s t r a i n m o d a l r e a l i z e s t h e d a m a g e d e t e c t i o n t o t h es u s p e n s i o n r o d a c c o r d i n g t o t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c c h a n g i n g a n d c u r v a t u r e m o d a l t h e r e s e m c h a n d p r a c t i c e i n t h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c o f t h e b r i d g e s a n d t h e d a m a g e d e t e c t i o n h a v e o b v i o u ss i g n i f i c a n c eb o t hi nt e c h n o l o g ya n de c o n o m i c i tc a ne s t i m a t e a c t u a l l yt h e a c t u a l l o a d i n g c a p a b i l i b , , a v o i d t h e m e n d i n gc h a r g e o f t b eb r i d g e sa n dl e n g t h e nt h e u s i n g l i v e s ，t h er e s e a r c hm e t h o da n d a c h i e v e m e n t si nt h e e s s a y c a no f f e rr e f o r mt ot h e d e s i g no f t h es e m i - s u p p o r t e da r c hb r i d g e s ，t h eo l d - r a t i n g n m n a g e s a n d t h e c o n c h & i o n e s t i m a t e d k e ) w e o r d s ：s e n t i - s u p p o r t e da r c h b r i d g e sd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s d a m a g e d e t e c t i o n f i n i t ee l e n a e n tm e t h o dm o d a l a n a l y s i s 中承式肋拱桥动力特性分析及损伤识别的研究 1 绪论 1 1 研究桥梁结构损伤识别的意义 交通运输事业的飞速发展，为桥梁建设提供了良好的发展机遇。截止到2 0 世纪末，我国 已建成永久| 生公路桥梁2 2 5 万余座，总长度达8 0 0 万延米以上。我国依靠自己的技术力量， 建成了不同结构形式的大跨径悬索桥、斜拉桥、拱桥、连续刚构桥，取得了成功的经验。已 建成和即将建成的一批大跨径桥梁，技术复杂，科技含量高，施工难度大，标志着我国桥梁 技术已进入世界先进行列。 桥梁是供铁路、公路、渠道等跨越河流、山谷或其它障碍并具有承载能力的架空建筑物。 由于交通运输事业的发展，我国己修建了大量的桥梁，但值得注意的是这些桥梁有许多已发 生老化、损伤现象。随着时间的推移，桥梁老化、损伤的数量和程度都会增加。为满足我国 现代化建设的需要，许多大型、新颖的桥梁形式不断出现，然而由于桥梁建设发展速度过快， 其施工质量、设计技术等还不令人满意，给我国的桥梁增加了新的事故隐患。由于桥梁在使 用过程中都有可能会出现局部的损伤，这些局部损伤虽然不会立即导致整个结构的破坏，但 它对整个结构的安全性构成了潜在的威胁。由于应力集中、疲劳等诸多因素的影响会使桥梁 局部损伤不断扩展和增大，导致整个结构的承载能力下降，从而导致整个结构的破坏。所以 结构损伤不仅会缩短结构的使用寿命，而且还会威胁到人民生命和财产安全。 对于桥梁结构进行损伤识别研究，是近几十年来随着结构工程研究理论的不断发展和工 程实际需要而提出的一个新兴课题。传统的桥梁结构分析理论主要是通过对强度、稳定性等 方面的研究从而确保桥梁结构设计的可靠性。目前，有关的理论已达到了相当成熟的水平， 然而设计者对桥梁结构再精确、可靠的设计也不能保证其建成后的安全可靠，其主要原因有 以下几方面。 首先，桥梁结构建成以后的实际工作状况与设计结构模型并不完全一致。特别是由于认 识水平的限制，结构设计时一些影响桥梁结构性能的因素尚未完全把握，比如连续梁桥、刚 架桥由于结构体系的复杂，设计时采用了大量的简化和假设。此外，设计和施工中的误差或 错误，以及建成后对结构进行改造，都会造成实际结构的性能参数与设计参数的差异。 其次，在使用过程中桥梁结构会发生老化现象，还会由于一系列外界因素的影响而导致 损伤，如洪水、地震、强j x l 、车辆超载等。老化导致结构性能退化，损伤更导致结构的刚度、 强度等力学性能降低。因此，桥梁的结构性能、二 ：作状态是一个在使用过程中不断改变的量。 再次，桥梁实际承受的荷载水平与设计值并不能完全致，特别是由车辆引起的竖向动 尔北林业大学博士学位论文 荷载的大小除与车辆本身有关外，还与桥梁结构的本身特性有关，如桥梁结构的质量分布与 刚度分布。由于施工和使用时不可预料因素的影响，结构的实际质量分布与刚度分布和设计 不符，将使结构实际所受的车辆荷载与设计值不同，必将影响结构的可靠度。 还有，桥梁结构常用的建筑材料钢筋混凝土是以水泥砂浆为基体，以骨料为加筋材料的复 合材料。它的主要成分c s h 凝胶是一种结晶不完整的蜂窝型或错综复杂的网状结构，混凝土 在材料成形之时，常存在内部微孔隙、微裂缝，呈现一种疏孔、微裂缝弥散的结构状态。在 环境因素和外荷载作用下，尤其是桥梁结构长期处于动荷载作用，使混凝土内部原有的缺陷 扩展，并且形成一定尺寸的宏观裂缝，将会使混凝土的强度、刚度下降甚至破坏。 在使用过程中桥梁结构出现损伤的原因有很多，其中主要包括使用维护不当、车祸、人 为事故、环境因素等。古今中外，有很多桥梁损伤以致突然倒塌的例子，曾造成很大的损失， 也带来巨大的灾难。 中外闻名的塔科玛海峡大桥的坠毁事件就是一个典型的例子。1 9 4 0 年7 月1 日，美国华 盛顿州普吉特海峡的塔科玛大桥建成并开始通行。从开始通行那一天起，这座大桥就出现垂 直方向的振动，而且振动的幅度一天天地明显增大。但并未引起大桥管理当局的重视，更谈 不上采取任何措施去了解其产生的原因。相反由于大桥的这种异常的性状，桥上的交通量反 而大大增加，人们从几百公里以外驱车6 u 来，欣赏驶过起伏摇晃的大桥时的奇妙感觉。四个 月过去了，人们似乎觉得大桥肯定不会出现问题，对于大桥的安全感到越来越有把握。然而 在1 9 4 0 年11 月7r7 时，大桥突然开始出现大幅度的波动，并且一直持续了三个多小时。 桥架的各段出现周期性的上下起伏，最大距离可达0 9 m 。上午l o 时左右，好象有什么东西 突然折断了，大桥发出一声巨响，开始强烈地振动。上午1 0 时半左右大桥开始断裂、分成几 段，最后在1 l 时l o 分，整个大桥跨坍了。导致该桥坠毁主要因素是由于空气动力学中的“失 速颤振”现象造成了结构的共振，虽然这次大桥坠毁事件并没有大的人员伤亡，但它带给国 家的经济损失却是巨大的。，。 同年美国的t a c o m a 吊桥在风荷载作用下产生破坏；1 9 6 7 年1 2 月横跨美国俄亥俄河上的 银桥突然倒塌，造成4 6 人死于非命“1 ；1 9 7 0 年澳大利亚墨尔本附近的西门大桥在建桥过程中 发生倒塌。1 9 8 9 年，旧余山高速公路管理局发布的美国全国桥梁目录称，美国每年平均 有一百五十n 2 百座桥梁部分或者完全坍塌，有时坍塌还造成严重事故。1 9 9 4 年l o 月2 1 日， 汉城汉江大桥在交通繁忙时间倒塌，多量车辆掉进汉江其中包括一辆满载乘客的客车，造 成3 2 人伤亡”1 ；我国重庆市綦江县彩虹桥倒塌，死亡1 6 人，重伤2 4 人，彩虹桥于1 9 9 4 年 1 1 月5f 1 开工，1 9 9 6 年2 月1 6 同竣工，其净空跨度为1 2 0 m 。仅仅过了三年，1 9 9 9 年1 月4 1 1 晚6 时5 0 分自u 后，这座人间“彩虹”就倒塌没入水q t 不见了，经调查，造成彩虹桥突然垮 塌的主要原因是工程质量问题：2 0 0 0 年8 月2 7 日，发g - 住台湾省连接高雄与屏东的重要通道 中承式肋拱桥动力特性分析及损伤识别的研究 上的高屏大桥突然拦腰断裂是我国发生的又一例倒桥事件，造成了交通中断，1 6 辆汽车坠入 河中，2 2 人受伤。据悉高屏大桥已通车2 2 年，桥身是否发生病变或老化、结构是否具有损伤， 并没有这类资料。这就足以说明人们对桥梁使用过程中的健康状况缺少关注。事故现场调查 结果表明，高屏大桥桥基早已裸露，台风造成河水暴涨，桥基被冲垮，导致大桥下陷断裂l ”1 。 桥梁的坍塌只是桥梁损坏的一种极端现象，而这些极端现象的出现都是在桥梁逐步损伤 和存在隐患所致，要避免此类情况的发生，必须防患于未然，及早的对桥梁进行定期调查、 评估和修复，以期获得更大的经济效益。 桥梁的损伤是一个世界性的问题，西方一些发达国家桥梁损伤状况尤为严重，据美国联 邦公路局( f h a ) 调查资料表明：目前全美5 7 5 6 0 7 座公路桥梁中，约有4 5 的桥梁存在缺 陷而需要加固与更换，这批桥梁中约有1 3 6 0 0 0 座属由于损伤导致结构型缺陷，1 2 4 0 0 0 座属于 功能不全而难以充分满足现代交通的要求，5 0 0 0 多座桥梁已经关闭，f h w a 估计若要更换或 加固这些桥梁需花费4 5 5 亿美元。在英国，约有9 2 0 0 0 座桥梁属于1 9 2 2 年以前修建的，此时 全国第一个荷载标准尚未引入。据统计，英国与威尔士约有四分之一的桥梁不能满足现代规 范的要求，如果采用更换、加固或者其他方法使之合乎标准要求则需要经费达8 3 亿英镑。1 9 8 2 年在瑞士召开的f i p ( 国际预应力混凝土协会) 第九次大会上，西德的著名桥梁专家来昂哈特 博士作了“防止混凝土桥梁损伤事故”的专题报告，报告指出，近3 5 年来，西德就修建了约 3 0 0 0 0 座预应力混凝土桥梁，其中约有5 0 0 6 0 0 座受到不同程度的损伤，特别是4 0 座损伤严 重的桥梁，其维修费用达2 亿西德马克。原苏联哈尔克夫学院桥梁教研室对乌克兰公路桥梁 的调查表明，4 5 以上的钢筋混凝土桥梁的寿命只有4 0 5 0 年或者更少。 我国的情况也不容乐观，有关资料表明：我国的桥梁共4 0 余万座，其中公路桥梁1 3 6 万座，而公路桥梁中就有5 0 0 0 多座危桥，占公路桥梁的3 5 4 ，其中国家干线上的危桥所占 比例为2 4 。这些危桥中，一部分是旧中国遗留下来的老桥，设计标准低，加上年代久远， 损伤已十分严重；另一部分是由于设计施工不善以及结构本身缺陷所造成的。除按1 9 7 2 年及 1 9 8 2 年部颁标准设计的桥梁能基本满足要求外，过去的一些桥梁大都设计荷载不足，干线公 路桥梁重车无法通过的情况时常发生，对经济建设造成重大损失。铁道部科学研究院在8 0 年 代曾对我国八大干线( 沪杭、浙赣、津浦、京广、陇海、京沈、哈大) 和其他3 5 条干线上的 铁路桥梁进行统计分析，在这些干线上共有桥3 8 3 1 4 座，这些旧桥的设计与施工文件大多失 散，设计标准混乱，建造年代不清，混凝土强度低，施 1 质量差，病害严重，对铁路运输是 潜在的隐患。若要更换这批桥梁，不仅耗资巨大，还需封闭交通，为我国的国情与财力所不 容许。合理的办法应该是在对桥梁的运营状况、损伤程度、承载潜力以及剩余寿命等问题有 一个正确的评价与估计，在此基础上再采取相应的对策。通常比较经济合理的办法是挖掘现 有桥梁的承载潜力，对不合格的桥梁采用加固维修使之承钱等级提高以满足现代交通的需求。 东北林业人学博士学位论文 对既有桥梁结构进行损伤检测和评估，充分了解桥梁的实际状况，如果能及时发现损伤， 并诊断出局部损伤的位置以及损伤程度，就能使维修人员制定出t f 确的维修策略。因为不同 位置上的构件容许损伤程度是不同的，结构经过及时修复，不仅可以恢复承载能力，延长使 用寿命，为经济可靠地利用既有桥梁提供依据，而且对于避免灾难性事故的发生，保障人们 的生命安全更为重要。所以对桥梁结构开展损伤识别研究，有重要的理论意义和实用价值。 1 2 拱桥动力分析理论的发展 拱桥是我国公路上使用很广泛的一种桥梁体系。拱桥与梁桥不仅在外形上不同，而且在 受力性能上两者有本质差别。在竖向荷载作用下，拱的两端支承处除有竖向反力外，还有水 平推力。由于这个水平推力的作用，使拱内弯矩大大减少。如果拱的形状设计得合理，还可 以使拱主要承受压力，而弯矩、剪力变小。拱桥的跨越能力比一般的钢筋混凝土粱桥大得多。 拱桥不仅可以利用钢、钢筋混凝上等材料来修建，而且还可以根据拱的受力特点，充分利用 抗压性能较好而抗拉性能较差的圬工材料来修建。拱桥具有跨越能力大、能充分做到就地取 材、耐久性强、而且养护、维修费用少、外型美观、构造简单等优点，在今后一个较长时期 内，拱桥仍将是我国公路桥梁的一种主要型式。 拱桥和其它桥梁一样，也是由桥跨结构( 上部结构) 及下部结构两部分组成，根据行车 道的位置，拱桥的桥跨结构可以做成上承式、下承式或中承式三种桥型，如图1 - 1 所示。 口矽 ( a ) 上承式 俨皿屯矿屯 ( b ) 下承式( c ) 中承式 图卜1 拱桥的桥跨结构 中承式拱桥的桥跨结构，一般由拱肋、横向联系和悬挂结构三部分组成。拱肋是主要的 承重构件；横向联系设置在两片拱肋之间，用以增加两片分离式拱肋的横1 a n t i 度和稳定性； 悬挂结构包括吊杆和桥面系等，桥面荷载通过它们将作用力传递到主拱肋上。桥面系( 行车 道) 位于拱肋矢高的中部，桥面系一部分用吊杆悬挂在拱肋下，一部分借刚架立柱支承在拱 肋上。在目前的桥梁设计方案中，特别是城市桥梁中，中承式拱桥已成为很有竞争力的桥型 之一，它不仅保持了上承式拱桥的基本力学特性，可以充分发挥拱桥混凝上材料的抗压性能， 而且构件简洁明快，特别是多孔连续的中承式拱桥，以其波浪形起伏、构件轻巧给人以美感， 具有广泛的适用场合。为了平衡左右桥墩的水平推力，将较大跨径+ 孔的矢跨比加大，做成 中承式拱桥可以减小大跨的水平推力。围内已建成或正在建的部分中承式拱桥见表1 - 1 所 4 中承式肋拱桥动力特性分析及损伤识别的研究 示。 表 一 嗣痰韶势审承式拱揍 建成 主拱矢拱顶 桥名跨度蹲 桥宽擞肋截拱顶截 年份( m )谳捌式面高( m ) 截面备注 ( m ) 比 宽( 1 ) 辽宁丹东 1 9 8 21 5 61 62 毡5 缝形 3 2 02 奄 涉泻强大辏变鼗嚣 箱形 辽+ j 。消河门大桥 1 9 8 61 2 01 51 2 o2 4 01 3 0 变截面 箱形 辽宁倪家台大橇 1 9 8 75 51 51 2 o1 3 01 3 0 变截瑶 瓣形 安徽港春路大桥 1 9 8 87 21 43 0 21 8 0o 8 0 等截面 槠形 广东新宁大桥 1 9 8 98 01 51 5 51 7 01 o o 糍截面 l ，簇形 f 糸滚溪淫大攘 1 9 8 99 01 3 01 s l 白0 漱强式 4 。s 交鼗霞 翻川宜宾 1 9 9 02 4 01 52 0 o 箱形 4 - 3 02 2 0 幼性 金沙江大桥燃馘面骨架 广东简明大桥 1 9 9 l1 1 41 2 6 嫩铃型 2 0 0 直径钢管 0 7 5 混凝 l ， 籀形 福建纛屏由大桥 i 9 9 晓1 。o1 2 52 舯1 o o 3 6 等截面 内蒙古赤峰 2 0 0 01 6 01 42 4 5 箱形 3 6 02 0 0 渤性 银河大挢燮截面骨架 黑挖涯谈兰 1 9 9 7l 1 41 2 三蓉 2 ，s 0 营径 镪喾 糖转滚天辑桁式 0 6 0 混凝七 广蹰柳州 1 9 9 51 0 8 l ， 2 9 三管 2 7 1 钢管 文惠人桥 3 5 黛柬式淞凝土 湖南茄附 2 l1 1 4t 42 禾5 蛾铃形 2 8 0 管径 钢管 资潍大辑 1 3 0 鞋凝士 浙江 1 9 9 41 2 0l ，41 0 贼铃形 1 8 o 管径 钢管 新安江大桥 o 8 0 混凝士 四川成都 1 2 0 1 7 5 峨铃形 2 0 0 管径钢管 磨予湾大桥 5 5 0 8 0 混凝土 四川蛾疆 2 ll 钢管 扬家沟夫揆 鲢凝主 陕悄蜀河 1 9 9 71 2 01 51 3 1 哑铃形 2 1 0 管径 钢管 汉江大桥 0 8 2 混凝十 广西百包水利枢 2 0 ( ) o1 2 81 43 5 哑铃形 2 3 0 管径 钢管 缀在警好大捶 0 9 2 i 醒凝卡 榻建阖渍 1 9 9 71 3 61 51 3 ，l 鞭管 3 0 0 管衽 镶管 石潭溪大桥桁式 0 5 5 混凝士 辽宁沈阳浑河长 1 4 01 43 2 5 四管 3 4 0 管径钢管 带大桥桁式 0 7 0 洮凝t 暇川峡门口 9 垒61 4 01 41 3 。s 袋寐管 管经 撬簸摸 岛i j ：犬辑变载蠢 0 7 0 硒川高谷 1 9 9 71 5 01 51 7 1 混合 3 2 0 管径 岛江大桥桁式 0 6 0 东北林业人学博士学位论文 靼川乐出 1 9 9 9l 了51 7 1 4 网蛰 3 3 0 管径钢镑 盒茹褪褥将式 0 7 0 混凝 默囊延安王家蜉 9 0l 尚2 5 攘袋铃 3 管衽舔喾 廷露媾黟拣式 0 7 5 溅凝土 蠡茨台闫 2 0 0 22 0 01 42 3 滔蛰 4 3 0 餐径 镧餐 嘉陵淫人瓣格式 0 。7 6 滋凝士 j 、薅六聚 j 弱睁2 2 01 5嬲+ l 翻萤 4 3 0 蓉衽镪蛰 都江大桥蒋茂 0 8 2 溪凝七 浙江铜瓦f j 2 3 8 l ， 9 单片 4 6 5 管径 太桥 4 8 桁式 1 1 5 提娥拱 浙江三门 2 4 5l 5 横啜铃 4 1 4 0 管径钢管 缝垮火楱形黪戏 o ，鼬 混凝士 潮戴秭妇 2 0 0 22 躲 | ， 1 1 5 舀管 蛰径锅蛰 青千河大桥 4 - 9 桁式 1 0 0 橇凝”h 四锗管径钢镑 j “两擞江定桥 1 9 9 82 7 01 53 2 8 1 0 2 混凝十桁式 淤旺浮安晏 在建 3 撼 l ， 1 2 嚣赣 5 菊 簧辍镪棼 辫溜太撰 5 + s 祷式 0 8 0 潺凝专 广蘸鸯宁 在建 3 3 8 l ， 3 5 嚣蛰 营径镶警 永帮太楱 4 s 戆式 1 2 2 演凝 羹庆鹬公岩 方案 4 5 0 榜式 疑淡大矮 鞠川蕊出 在建 4 6 0 1 51 9 霞镑诵瓣 长江火桥桁戏 醚黼土 福媲采州i 仰恩太 2 0 0 21 0 01 5 l 皿铃烈提赡撇 学人行桥 j “乐髑 2 0 3 6 03 2 4 篱径镧辩 y 磐沙太辑 0 7 5 楚凝 1 9 9 0 年四川宜宾南门金沙江大桥在蹦内酋先采用劲性骨架，建成了主跨2 4 0 m 中嫩式钢 嚣混凝土拱橇。接着广西熬江大挢改进了工蕊( 锢静采弼钢管混凝) 使这种施工方法叉跨 上了令瓣静台羚，于t 9 9 8 年建纛了主= 跨2 7 0 m 中承式锤管漫凝攒睡。镶警瀑凝主题一静 钢一滋凝复合耪秘，其煮凑强、支絮、摸缀三大俸爱，囊架设麓老溪，较好逮瀵是了丈跨 径擞褥经济省瓣、安装方嫠、压期承载麓力离鹃阉题。该褥型我国邋年来发震银浚，藏2 0 鲢 纪蝴年代| = 冀寒，我鏊建藏蹿径大予1 2 0 m 镪褥溉凝土擞耩筠多痊，其中跨径大予2 0 0 m 懿 1 3 鹰，最大踌径为2 0 0 0 年建成的广州丫辩沙大桥( 主跨3 6 0 m ) 中敝式钢管混凝拱桥，为 世器第一长钢管混凝土拱桥。目前f 在建设的巫山长江大桥( 主跨4 6 0 m ) 将又是庶俐世界 己漆的特大跨径钢管混凝拱橇。 近数卡年泉，在加块公路桥梁建设的翮辩，对结构避行动力分辨舶要求 = ：i 盏迨切。这怒 由予：各种结构尺寸的增大和高耸结棚的出现，使风菏载对结构强度及稳定性产生了举足 糍熏憋澎拣。1 9 4 0 年敌，焚强t a c o m a 懋絮揆鸯于域致薮动焉破坏，这一严重事敬蕊辍了警 蹲躺褥鬃工程器。簌笾，薅城致振动静薅究褥潮了是够懿重蠢。凌巴渍楚，对子黎愚索耩这 耱大跨发爨震性辑梁舞秘，在设谤时蛰域考蕊飙藩髂影l 融l ：l ：9 1 - ，遥鑫车辆黠掺瓣缍誊霹的掇 6 中承式肋拱桥动力特性分析及损伤识别的研究 动影响也是人们正在研究的课题。在燃界各地，每年都有地震发生，为了减少戚避免地震 对工程续聿棼耱豹酸嚣，嚣蕊久销正在努力骚变撬震竣诗阉蘧。结擒魏豹菝溪等簿。蕊结嫠 来，桥梁承受的动力荷载商以下几种： ( 1 ) 铁路、公路的车辆荷载和人群衙载过桥时产生的冲击力以及由它所激起的桥梁振动 时懿馁惶力； ( 2 ) 由风、水流以及爆炸波引起的作用力： ( 3 ) 地震力。 在这些溺力荷载的稼蠲下，结捣中将产生除它销瓣静力l 乍雳以羚载隆热动力爱应。在掇 粱的建造史上由于不了解荷载的动力作用，忽略其渤力反应所带来的灾难性后鬃，教训是深 刻的，有时旗至是惨痛的。 拱桥振动的理论和分褥方法蛇发展经历了三个历史时期嘟。 第二次 建界大战鞋赣，拱的振动理论研究还处于基础阶段。凝机械振动学中圆环振动理 论的基础上引出了对圆弧拱振动的研究。英国、俄豳和德国的科学家都各自建立了拱的振动 微分方程并讨论了简单支承睛况下拱的露由振动问题。 第二次麓赛大醯戳菇瓣头2 0 年( 1 9 4 5 , - - 1 9 6 4 ) ，怒拱静振交理谂运速发震籁藏熬静露期。 这里应当掇刹著名的捷克斯洛伐克动力学家用影响系数法( 力法) 和弹性系数法( 位移法) 对各种结构，其中也包括拱结构作为多自由度的集中质量系统所做的大量数值分析工作。此 努，苏联筑诲多学者浚歉我国李鋈豪教授舔在撰褥羧麓方瑟箨窭了委麸。受了释决实舔的拱 桥动力计算问题，在当时电子计算机避处于萌芽时期的条件下，以上的这些近似解析工作和 简化的数值分析工作是脊驻大意义的。它揭示了拱的旗本振动特性和动力反应规律，是拱的 摄裁理论塞簿审卡分珍爨豹彝| 塞。 从1 9 6 5 年以来的2 0 年间，电子计算机的问世和有限元法的创立给结构的动力分析带来 了深刻的革命。各种动荷载下的结构动力反应分析都可统一成规格化的形式来处理。随着计 算掘容量稳遮度匏疑盏增攘，荟秘热镶谤舞方法斡臻予宠善，对实际续誊龟鲍糖确纯模墼进行 各种非线性的分析已没有困难。但是尽管如此，近似解析手段对予揭示影响振动特性的各参 数之间的内在关系仍保持其魅力。在一定条件下，近似解析法所提供的实用计