桥梁结构承载能力快速检测.ppt

桥梁结构承载能力快速检测评定方法探讨唐光武招商局重庆交通科研设计院2014年12月兰州,重庆交通科研设计院桥梁与结构工程分院简介,国家山区公路工程技术研究中心,桥梁工程结构动力学国家重点实验室,桥梁结构抗震技术交通行业重点实验室,主要设备,实验室建成了世界领先水平的轨道移动式大型地震模拟试验台阵系统。是国内唯一可开展长大桥梁三轴向多点激震等空间效应研究的全桥模型实验系统。承担了港珠澳跨海大桥、厦漳跨海大桥等10余座桥梁的抗震试验，并承担了路基、边坡、核电站、特高压输电设备、民用建筑、输气管线、高铁等工程的地震台试验。,自主研制的大型工程索缆静载和疲劳试验系统，疲劳试验能力为15000kN（静载+动载），静载试验能力为30000kN，具有拉弯疲劳试验功能，其加载吨位和试验功能均处于国际领先水平。完成了国内30余座大跨度桥梁拉索疲劳试验项目。,主要设备,主要设备,大型桥梁支座试验系统,最大试验能力达到30000kN，具有载荷控制和位移控制两种方式。可进行桥梁支座基本力学性能试验研究及抗震性能试验研究。,主要设备,主要为桥梁检测人员在检测过程中提供作业平台，装备有桥梁检测仪器,用于流动检测和(或)维修作业的专用汽车。它可以随时移动位置，能安全、快速、高效地让检测人员进入作业位置进行流动检测或维修作业。工作时不影响交通而且可以在不收回臂架的情况下慢速行驶。,桥梁检测车,主要设备,多通道结构试验机,5台3000kN作动器,共有22个结构大吨位试验作动器。与反力墙、反力地板、反力架配套使用。用于大型结构的静力、动力和疲劳试验研究。,主要设备,实验室购置了3台人工气候模拟设备，可对桥梁材料或构件进行温度、盐雾、喷淋、日照、CO2、冻融、碳化等试验。,人工气候老化箱,研究背景理论基础研究内容结论,我国公路建设规模庞大，目前公路总里程已达到387万公里，公路桥梁已达到70万座。到2020年，我国将新建110万公里的公路网，4.5万多公里的高速公路和20余万座桥梁，已是仅次于美国的世界第二桥梁大国。我国桥梁建设迅猛发展的同时，在桥梁养护、维修、监测和管理等方面在一定程度上出现了相对滞后状况，重大垮塌事故也时有发生。,綦江彩虹桥垮塌,铁力市呼兰河大桥坍塌,研究背景在役桥梁检测评定,研究背景在役桥梁检测评定,桥梁快速检测评定方面：桥梁工程师一直面临着如何在不中断交通或少中断交通情况下，对交通繁忙的桥梁进行检测评定，如何对量大、面广的中小跨径桥梁进行大面积快速评定的难题，这方面的研究还处于起步阶段，还未有实质性的进展。,静、动载试验方面：桥梁结构评定主要通过检查、检算、检测，静力试验在桥梁结构承载能力的检测评定中已得到非常广泛的应用，被认为是最可靠的方法之一，但存在测试时间长、费力和成本较高等缺点。桥梁结构动力试验方法与评定方法主要是通过动力测试得到桥梁的频率、振型、阻尼、冲击系数等动力参数，以评定桥梁的动力性能，但不能直接评价桥梁的承载能力，对于桥梁的承载能力评定只能起到辅助和补充的作用。,索支撑体系桥梁索力测试方面：我国建有大量的斜拉桥、悬索桥、吊杆拱桥等索支撑体系桥梁，在役桥梁索力检测是非常重要的检测内容，目前短索索力的动力法测试还有待进一步研究。,模型可分为解析模型和有限元模型。结构建模的手段主要有两种：理论建模和实验建模。其中前者因对结构物理特性、几何特性、连接状态和约束条件等的简化以及这些简化过程中包含了诸多不确定因素而使得分析结果与实际测试结果出现偏差，在不少情况下这种偏差会超出工程许可范围。精确的解析模型或有限元模型作为桥梁损伤识别、健康监测、结构控制、结构评估和诊断等方面的强有力的工具而受到广泛的重视。,理论基础基本思路,理论基础基本思路,模型修正过程,理论基础基本思路,用于模型修正的目标参数选择1、静力参数2、动力参数,一、实测准静态广义影响线在桥梁检测评定中的应用研究,基本原理：主要是采用测试值与有限元计算值之间的影响线残差和频率残差及其相关函数作为修正目标函数，进行有限元模型修正。,理论基础基本思路,本研究选择动、静多目标参数用于模型修正,理论基础多目标优化处理,加权平均处理多目标优化,变为单目标约束优化问题,理论基础基本思路,待修正结构参数选择1、整体参数（几何或材料）2、局部参数（几何或材料，需识别位置）3、边界条件,研究内容数值算例I,数值模型,损伤单元,几何参数,假设E1，E2和E3分别减少了20%，50%和30%,研究内容仅用影响线残差修正,三个单元弹性模量的损伤值和修正值,研究内容动、静测试误差对多目标修正的影响,实际值与误差值（假设有10%测试误差）,三种方法修正结果及误差,数值模型,几何参数,研究内容数值算例II,边界条件的损伤值和修正值,研究内容数值算例II,研究内容准静态广义影响线的定义,准静态广义影响线的的定义：通过慢速跑车，测得的结构某一量值随车辆位置变化的函数曲线。1）加载载荷不是单位荷载，而是具有四个或多个集中力的汽车荷载，作用点连续移动，方向和大小保持不变；2）广义位移如位移、应变和曲率等和广义内力如轴力、弯矩和扭矩等；3）动力效应不很明显，几乎趋近于静态响应；4）结构响应是对应于连续慢速的动态加载过程，相当于多工况加载问题，可以掌握更多的结构信息。,影响线的定义：在竖向单位移动荷载作用下，结构某一量值随竖向单位荷载（P=1）位置移动而变化的函数曲线。,研究内容准静态广义影响线的定义,1、加载车辆一般为双轴或者三轴重车，纵向两列轮胎。2、对桥梁而言，一般通过左、中、右三次跑车进行测试。,研究内容影响线快速测试系统,基本原理：该系统的硬件系统主要由脉冲信号激励装置、脉冲信号发射装置和脉冲信号接收装置组成；软件系统记录脉冲信号和控制截面待测量Z，然后利用脉冲信号计算其对应的车辆位移，并绘制影响线。,影响线快速测试系统,脉冲激励装置平面图,实测应变影响线,面向测试对象的桥梁结构有限元分析与模型修正软件,系统界面,研究内容模型修正软件,基本原理：采用挠度（应变）等变形影响线及其对位置的一、二阶导数识别结构的损伤位置。,基于影响线的损伤敏感性指标体系,一阶导数,影响线,二阶导数,损伤,研究内容损伤敏感性指标,损伤程度,基于影响线的损伤敏感性指标体系多损伤识别,研究内容损伤敏感性指标,完好模型和损伤模型,损伤位置,基于影响线的损伤敏感性指标体系,一阶导数,影响线,二阶导数,忠县乌杨大桥全景,研究内容损伤敏感性指标,横隔梁,基于准静态广义影响线的桥梁承载能力快速评定方法,直接对比评定法:直接对比测试影响线和计算影响线来评定桥梁结构的承载能力。,模型修正评定法:用实测的准静态广义影响线数据来修正有限元模型，用修正后的有限元模型来预测结构的响应情况并对桥梁结构进行评定。,研究意义：上述评定法可以为桥梁结构检测评定提供更多的信息，丰富和完善常规桥梁结构评定方法，为不中断交通或少中断交通以及超重车过桥评定提供了快速评定的手段。,改进部分,研究内容应用研究,直接检算评定法:直接利用测试影响线进行荷载组合来评定桥梁结构的承载能力。,研究内容应用研究,忠县乌杨大桥全景,研究内容应用研究,忠县乌杨大桥全景,修正模型预测与静载试验对比分析,4车加载值与准静态广义影响线组合值对比(单位:),研究内容应用研究,修正模型预测与静载试验对比分析,长寿长江大桥南引桥边跨,骑中线跑车理论计算值（D-QSIL）与测试值（T-QSIL）对比分析,研究内容应用研究,忠县龙洞大桥全景,4车正载实测值与影响线组合值对比,研究内容应用研究,二、索支撑体系桥梁索力测试技术研究,专题4-代表性成果2,高精度的长短索索力识别方法,基本原理：采用遗传等识别算法修正拉索有限元模型中:索力T、弯曲刚度EI、线密度A、边界条件Ky,K等，多参数识别问题。,自振频率与拉索参数为：fj=fj(T,A,EI,Ky,K),目标函数,遗传等识别算法,索力识别流程,长短索索力识别系统界面,选择各阶频率,输入识别参数,研究内容工程应用研究,重庆夔门大桥,固结索索力识别的公式化,公式化背景,固支索力解析公式,铰支索力解析公式,经典弦张力解析公式,？,数值识别方法：效率低、数值不稳定、结果可靠性差,公式化识别方法：效率高、可操作性强、利于大规模采用,有限元法、优化识别算法、特征求解,固结索索力识别的公式化,索振动方程,频率方程方程,1、含有双曲线和三角函数的超越方程2、数值越界3、大数与小数并存,？,双曲线：当=2l=10.0时，1.0/ch=0.0000910.0，ch=11013.23，sh/ch1.0。,等价为,固支索频率解析公式,固支索频率解析公式成立条件其中根据实际工程的计算精度而定,方程图解法,固结索的近似频率方程,第1次近似,第2次近似,与铰支索公式非常类似,设弯曲刚度EI=1.0e7N.m2，索长l=4.0m，索力T=200.0kN，线密度A=25.0kg.m-1。,研究内容应用研究,近似频率公式与频率方程、近似频率方程间的对比分析情况,相对误差越来越小,结论,基于实测影响线的直接检