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大跨刚构—连续梁桥结构性能的运营环境影响与规律分析

作　者: 王蕾
导　师: 欧进萍
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程力学
关键词: 刚构-连续梁桥 结构健康监测 模型修正 模态频率识别 温度效应 应变 移动荷载识别
分类号: U441
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


恶劣的服役环境、长期超负荷运营和损伤后未能及时修复和加固等原因，使得桥梁结构性能退化严重，安全性下降，以致发生重大事故。鉴于桥梁结构的重要性和事故的多发性，有必要对运营状态下的桥梁进行实时长期的连续监测，深入研究和掌握运营环境对桥梁结构的影响，及时准确地对结构进行状态评估和预测。本文以山东东营黄河公路大桥（大跨预应力钢筋混凝土刚构-连续梁桥）为对象，基于该桥梁结构健康监测系统的长期监测数据，对大跨刚构-连续梁桥结构性能的运营环境特性、影响和规律进行分析和研究，主要内容如下：（1）分别采用梁单元模型和三维实体元模型建立了一座大跨预应力钢筋混凝土刚构-连续梁桥的有限元模型，对比分析了两种模型的建模方法和优缺点，前者适用于结构的简化分析、后者适用于结构的精细化分析、尤其是结构局部损伤识别定位和模型修正等。基于大量监测数据，采用和发展了大跨刚构-连续梁桥模型修正的径向基函数（RBF）神经网络方法和响应面方法，两种方法把模型修正优化过程中反复迭代计算由有限元模型计算转移至计算效率更高的近似模型计算。东营桥有限元模型修正和对比分析表明，RBF响应面方法更适用于大型桥梁结构在线监测的快速模型修正。（2）对基于环境激励的结构模态频率识别的功率谱峰值法，提出了低通滤波去除高频噪声、半功率带宽去除虚假模态、多传感器加速度测试数据平均化的正则化功率谱方法，从而能够快速地识别大量在线监测数据、得到各阶真实准确的频率；然后，对长期连续的加速度数据利用小波分析进行综合处理，获得可信和稳定的频率时程。从而，发展了一种适用于实际桥梁结构连续监测数据快速在线识别模态频率的改进功率谱峰值法。（3）通过优化东营桥健康监测系统中的传感网络，由布设的大量光纤光栅温度和应力传感器构建出大规模的光纤光栅传感网络；通过东营桥的长期监测数据分析，得到了大型刚构-连续梁桥的三维温度分布规律：大型箱梁桥的纵向温差很小，可以忽略不计；横向温差并不大，主要出现在两侧翼缘与箱梁顶板之间；竖向温差最大，主要因桥梁竖向各部分受日照辐射的不同时间量和时间差而致。（4）基于大跨刚构-连续梁桥三维实体有限元模型，提出了环境温度及其变化对刚构箱梁预应力混凝土桥梁结构静动力性能影响的仿真分析方法。首先，通过预应力混凝土简支梁的温度效应（包括材料性能、应力、动力特性）的仿真分析，提出了桥梁结构温度影响的理论分析方法；然后基于东营桥的实体有限元模型，对多种温度分布工况进行了有限元分析；最后，考虑日照辐射的影响，对东营桥日照温度效应进行了实体有限元热效应分析以及温度场荷载作用下的静力和动力分析。东营桥运营环境温度效应的分析结果表明，环境温度荷载对刚构箱梁预应力混凝土桥的静动力特性影响很大，桥梁结构内部的温差以及由此引起的温度应力主要是日照辐射引起的。（5）通过东营桥的长期监测数据分析，得到了大型刚构-连续梁桥结构应力因温度变化的影响规律。经过温度补偿的光纤光栅应变传感器，能很好地监测到桥梁结构应力因温度和交通荷载引起的日周期性规律；环境温度对桥梁结构的应力影响非常大，季节性温差引起应力的大小有数倍的差异；通过对监测的应力与温度时程数据分析表明，两者具有较强的线性相关性，但不同的测点具有不同的相关系数。（6）根据东营桥监测系统中收费站实测的车重数据，对东营地区的车辆荷载进行了统计分析，通过对概率模型进行研究和比较，确定了该地区车辆荷载的概率模型及最大值分布；其次，提出了桥梁结构车辆移动荷载识别的荷载形函数方法，该方法利用形函数逼近移动荷载，无需限制结构类型，对复杂的大跨桥梁结构只要有较准确的有限元模型，就能够通过测量加速度准确识别移动荷载；利用东营黄河公路大桥有限元模型的数值仿真验证了荷载形函数方法有效性。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-9
目录  9-17
第1章 绪论  17-40
  1.1 课题背景及意义  17-18
    1.1.1 课题背景  17-18
    1.1.2 项目资助  18
  1.2 环境激励下的模态参数识别  18-23
    1.2.1 频域方法  19
    1.2.2 时域方法  19-21
    1.2.3 时频域方法  21-22
    1.2.4 各种识别方法的综合应用  22-23
  1.3 桥梁结构有限元分析与模型修正方法  23-30
    1.3.1 有限元建模与分析方法  23-24
    1.3.2 模型修正方法  24-28
    1.3.3 模型修正的优化方法  28-29
    1.3.4 模型修正目前存在的问题  29-30
  1.4 环境对桥梁结构的影响  30-35
    1.4.1 环境因素  30-31
    1.4.2 温度对桥梁结构的影响  31-33
    1.4.3 日照辐射与温度效应分析  33-34
    1.4.4 频率-温度统计模型  34-35
  1.5 桥梁车辆荷载统计与移动荷载识别  35-38
    1.5.1 车辆荷载统计分析  35-36
    1.5.2 车荷载识别  36-38
  1.6 本文研究内容  38-40
第2章 大跨刚构-连续梁桥有限元建模与模型修正  40-68
  2.1 引言  40
  2.2 某大跨-刚构连续梁桥及其健康监测系统  40-44
    2.2.1 桥梁概况  40-41
    2.2.2 东营桥健康监测系统  41-44
  2.3 大跨刚构-连续梁桥有限元模型  44-51
    2.3.1 ANSYS 三维实体模型  45-46
    2.3.2 ANSYS 梁单元模型  46-47
    2.3.3 有限元模型静动力分析  47-51
  2.4 基于径向基函数神经网络方法的模型修正  51-57
    2.4.1 径向基函数神经网络  51-52
    2.4.2 利用 RBF 神经网络进行模型修正原理  52-53
    2.4.3 待修正参数筛选  53-54
    2.4.4 样本点选择  54
    2.4.5 桥梁模型修正  54-57
  2.5 基于径向基响应面方法的模型修正  57-67
    2.5.1 径向基函数基本理论  57
    2.5.2 基于径向基函数的响应面方法  57-58
    2.5.3 建模样本的选取  58-59
    2.5.4 响应面模型评价标准  59-60
    2.5.5 基于 RBF 响应面方法的模型修正  60-62
    2.5.6 桥梁模型修正  62-67
  2.6 本章小结  67-68
第3章 基于环境激励的刚构-连续梁桥模态频率识别  68-82
  3.1 引言  68
  3.2 东营桥加速度监测子系统  68-70
  3.3 随机子空间方法  70-73
    3.3.1 随机子空间法（SSI）原理  70-72
    3.3.2 SSI 法分析实测数据  72-73
  3.4 改进的功率谱峰值法  73-81
    3.4.1 功率谱峰值法理论(PP) 原理  73-74
    3.4.2 低通滤波  74-76
    3.4.3 去除虚假模态  76-77
    3.4.4 改进的功率谱峰值法流程  77-80
    3.4.5 小波过滤  80-81
  3.5 随机子空间法与改进的 PP 法比较  81
  3.6 本章小结  81-82
第4章 大跨刚构-连续梁桥温度分布规律分析  82-101
  4.1 引言  82
  4.2 光纤光栅温度传感原理  82-83
  4.3 东营桥温度传感监测系统  83-86
    4.3.1 温度传感器选型  83-84
    4.3.2 传感器布设  84-85
    4.3.3 光纤光栅温度传感器集成  85-86
  4.4 温度数据分析  86-100
    4.4.1 温度数据分析流程  86-87
    4.4.2 日温度分析  87-89
    4.4.3 月温度分布规律  89-94
    4.4.4 季节温度分布情况  94-97
    4.4.5 温差分布统计分析  97-100
  4.5 本章小结  100-101
第5章 温度效应对桥梁结构动力特性的影响分析  101-132
  5.1 引言  101
  5.2 温度对桥梁结构的影响分析  101-104
    5.2.1 温度对桥梁结构材料的影响  101-103
    5.2.2 温度对结构动力特性的影响  103-104
  5.3 考虑温度效应的预应力混凝土梁有限元分析  104-111
    5.3.1 预应力混凝土梁温度效应有限元建模分析  104-105
    5.3.2 温度对梁动力特性的影响分析  105-110
    5.3.3 温度效应对预应力混凝土梁振型的影响  110-111
  5.4 大跨刚构-连续梁桥温度效应分析  111-117
    5.4.1 我国桥梁温度梯度规范  111-112
    5.4.2 刚构-连续梁桥温差荷载效应分析  112-117
  5.5 日照辐射对桥梁结构静动力特性的影响分析  117-130
    5.5.1 结构与环境热交换及热传导基本理论  117-119
    5.5.2 温度场边界条件计算  119-122
    5.5.3 刚构-连续梁桥环境气候参数  122-123
    5.5.4 刚构-连续梁桥有限元模型日照辐射分析  123-130
  5.6 本章小结  130-132
第6章 大跨刚构-连续梁桥应变分析  132-151
  6.1 引言  132
  6.2 光纤光栅应变传感器  132-138
    6.2.1 应变传感器原理  133-134
    6.2.2 绝对温度补偿技术  134-135
    6.2.3 光纤光栅应变传感器  135-138
  6.3 东营桥光纤光栅应变传感网络  138-142
    6.3.1 应变传感器选型  138-139
    6.3.2 应变测点布置  139-141
    6.3.3 光纤光栅传感网络集成  141-142
  6.4 应变监测数据处理与分析  142-150
    6.4.1 数据预处理  142-143
    6.4.2 温度补偿  143-145
    6.4.3 数据时程分析  145-147
    6.4.4 应变与温度相关性分析  147-150
  6.5 本章小结  150-151
第7章 车辆荷载统计与移动车辆荷载识别  151-169
  7.1 引言  151
  7.2 车辆荷载概率分布模型  151-158
    7.2.1 车辆荷载概率分布  152-157
    7.2.2 车辆荷载极值分布  157-158
  7.3 基于荷载形函数的移动车辆荷载识别方法  158-167
    7.3.1 移动荷载下结构动态响应的计算  159-160
    7.3.2 基于荷载形函数的移动荷载识别方法  160-162
    7.3.3 桥梁模型的建立  162-163
    7.3.4 构造移动荷载和计算桥梁响应  163-165
    7.3.5 形函数响应矩阵  165-166
    7.3.6 移动荷载识别及噪声鲁棒性分析  166-167
  7.4 本章小结  167-169
结论、创新点及展望  169-172
参考文献  172-189
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  189-192
致谢  192-194
个人简历  194

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 桥涵工程 > 结构原理、结构力学
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