基于吊索局部振动与神经网络技术的悬索桥损伤定位

基于由吊索局部振动测试构建的吊索张力指标,应用神经网络技术对悬索桥结构损伤位置和程度识别进行了探讨。首先应用经校正的三维有限元模型,对该方法进行了较为详细的数值模拟分析。模拟了多种可能的损伤工况。采用BP网络,以不同损伤程度下基于吊索频率计算的张力指标作为网络的训练与测试输入,由网络的输出向量来指示损伤位置及程度。然后,利用面向健康诊断专门设计制作的悬索桥试验模型,针对个别损伤工况进行了损伤识别的模型试验研究。数值模拟和试验研究均获得较好的损伤识别效果。该方法的突出优点是只用到少量吊索的局部模态的基频,就能获得较好的识别结果。而对少量吊索的局部模态的基频测量要比其它面向损伤检测的测量容易得多。因此,该方法具有重要的实用价值。     

基于模型试验的悬索桥结构损伤识别研究

通过整桥模型试验, 探讨了悬索桥结构损伤识别方法. 首先面向损伤识别研究设计制作了长10m的悬索桥试验模型, 并通过模型误差分析建立了相应的高精度有限元模型. 基于悬索桥结构健康监测和试验检测的主要常用参数以及这些参数对结构损伤的灵敏性和相关性研究, 确定损伤识别策略. 采用有限元模型模拟可能的损伤工况, 从而生成BP网络的训练样本数据. 再将试验模型作为“实际结构”通过损伤模拟试验生成网络测试数据. 就试验模拟的损伤情况而言, 对损伤位置的识别准确率达到了86%, 相应的损伤程度识别精度也达到可接受程度. 显示了该方法较好的应用前景, 对基于监测系统的悬索桥健康状态识别与评价具有参考意义.     

RPC中空受压构件截面设计及受力性能研究

根据活性粉末混凝土(RPC)材料特性及构件受压稳定理论,以截面最薄处抗剪强度为控制指标设计了中空受压构件截面。据此制作了4个中空截面受压构件,对其轴压承载力进行了理论计算并进行了轴压破坏试验。采用数字影像相关技术(DIC)获得了构件全场应变云图进而得到构件荷载-变形关系曲线。基于Weibull构建了RPC的本构模型,并在ABAQUS中构建与之对应的混凝土损伤塑性本构模型。采用RPC损伤塑性本构模型对所设计中空截面构件进行了数值模拟,分析结果与理论计算及试验结果符合较好,构件破坏时RPC强度能够得到充分发挥,由此验证了构件截面设计的合理性。研究工作为RPC在框架结构中应用提供参考。     

面向健康诊断的混凝土斜拉桥模型设计与分析

以广东惠州合生大桥为原型,基于相似理论面向健康诊断设计制作了1∶15的大比例混凝土斜拉桥模型,分析了模型设计中的问题及解决办法。建立了原型桥和模型桥的初始有限元模型(FEM),以实测数据对其进行修正,得到了符合实际的基准有限元模型,采用基准有限元模型对模型桥和原型桥的静动力特性及损伤状态下的损伤特性进行了计算和相似性分析。结果表明,模型设计中进行了各种简化和处理后,模型桥与原型桥的静动力性能及损伤状态下的损伤特性仍具有良好的相似性,采用该模型桥进行损伤识别试验研究能够较好地反映实际,为混凝土斜拉桥模型设计提供参考。     

网壳结构损伤识别的数值模拟及试验研究

网壳结构工程事故频繁发生,对其进行损伤识别及健康监测已迫在眉睫。针对网壳结构特点,推导了剩余模态力理论和最小秩摄动理论的基本公式,研究二者在大型网壳结构损伤识别应用中的有效性。依据相似理论,设计制作单层短程线网壳结构模型,对其进行模态试验研究,获取了损伤识别所必需的实测结构模态参数。利用Guyan静态缩聚技术进行有限元模型缩聚,采用最小秩摄动理论进行有限元模型修正,对比研究了基于数值模拟数据和试验实测数据的损伤位置判定及程度评估的整个过程。结果表明,基于剩余模态力和最小秩摄动理论的两阶段损伤识别算法不仅可以识别结构单损伤位置和多损伤位置,还可以定量评估损伤程度,对网壳结构的健康诊断是可行的。     

预应力连接预制节段桥墩拟静力试验数值仿真分析

预应力连接预制节段桥墩已在美国低震区桥梁中得到较多应用,但在我国的工程应用甚少。由于预制节段桥墩的震害资料缺乏,震害经验不足,且其抗震机理不明确、设计方法不完善,在强震区较少应用。该文基于预应力连接预制节段墩柱缩尺模型的拟静力往复试验测试,采用有限元分析软件ABAQUS建立其精细化数值模型,进行了单向、斜向往复荷载作用下墩柱拟静力试验数值仿真,将桥墩的损伤特征、滞回行为、墩内竖向预应力和预制节段间接缝开口量与试验测试结果进行了对比分析。结果表明：该文建立的预制节段桥墩数值模型可较好地再现拟静力试验结果,试验和模拟结果均表明斜向加载的预制节段墩柱较单向加载的构件损伤更为严重,构件屈服更早,残余位移较大,墩柱最大偏移率达4%时其残余偏移率已超过1%。常规设计中桥墩按纵桥向或横桥向单向抗震设计偏于不保守,特别是考虑震后功能可恢复或可修复时建议考虑多向地震作用影响。     

水中桥塔波浪作用动力模型试验相似方法与模型设计方法

针对跨海桥梁桥塔结构波浪作用动力模型试验研究方法,通过分析水中结构动力模型试验相似原理,提出了桥塔结构动力模型试验的相似方法与模型设计方法。基于此,设计制作了一大型跨海斜拉桥桥塔结构的动力模型,并利用该试验模型进行了结构动力特性试验和波浪作用动力响应试验。动力特性试验结果表明:试验测得的结构主要自振频率与原型结构设计自振频率相接近,试验模型结构能较好地模拟原型结构自振特性。波浪作用下模型结构的基底受力和运动响应与原型结构相应的数值计算结果大致吻合。试验结果验证了提出的模型试验相似方法与模型设计方法的可行性,对跨海桥梁结构的水弹性模型试验研究具有应用和借鉴意义。     

ABAQUS中混凝土本构模型用于模拟结构静力行为的比较研究

对大型通用有限元程序ABAQUS中的混凝土弥散开裂模型和塑性损伤模型进行了详细的介绍,包括单轴应力-应变关系、裂缝模型、屈服准则、流动法则和滞回规则等。然后对混凝土本构模型中影响结构构件静力行为的关键因素进行了详细的对比分析,并结合采用不同混凝土模型对钢筋混凝土构件和钢-混凝土组合结构构件的受力行为的模拟结果,指出了分析实际结构构件时不同混凝土材料本构模型的适用情况,可供研究设计参考。     

基于实测数据的弦支穹顶计算模型修正

 为了使有限元计算模型给出的分析结果与相应的实测结果有良好的相关性,确保计算结果能切实有效地预测结构实测结果,并指导实际结构建造的顺利进行,对一弦支穹顶结构的试验模型实测结果与有限元模型计算结果进行对比分析,发现了理论模型与实际结构之间的差异,识别出导致差异的主要原因,并提出了基于测试结果对计算模型进行修正的算法与理论．通过对一实际试验模型进行的修正计算表明,修正算法能够基于实测数据便捷地对模型进行修正．最后对修正计算模型和原始模型的计算结果与实际模型结构的测试结果进行了对比分析,结果表明,修正后的计算模型较原始模型计算结果与实际模型的实测结果更加吻合,修正模型能够更加准确地描述实际结构．     

基于材料损伤的钢筋混凝土构件损伤模型

基于地震作用下钢筋混凝土结构的损伤机理, 以钢材和混凝土材料损伤模型为基础, 推导出损伤状态下钢筋混凝土构件刚度和材料自由能退化表达式, 提出一种以刚度退化和自由能退化线性组合的钢筋混凝土构件损伤模型. 对钢筋混凝土柱的拟静力试验进行模拟分析, 结果表明该模型可以较好的描述钢筋混凝土柱的损伤演化过程, 且能够定量确定其在单向荷载作用下与之正交方向的损伤程度;对钢筋混凝土桥墩的振动台试验数据和钢筋混凝土刚构桥的数值算例进行了模拟分析, 结果表明基于材料损伤的钢筋混凝土构件损伤模型可以描述钢筋混凝土桥墩抗震能力的退化过程以及预测结构的失效模式, 可用于地震作用下桥梁结构的损伤分析.     

一种高阶模态涡振试验新气弹模型的模型参数优化设计

多点弹性支撑连续梁气弹模型是一种研究大跨桥梁主梁高阶竖弯模态涡激振动的新型气弹模型。为了使该模型的频率、模态质量和振型与原桥梁缩尺后的动力特征更好地匹配,提出了基于动力系统矩阵方程的模型参数优化方法。以模型的频率、模态质量和振型为优化目标,利用结构的振动方程,建立优化目标函数,采用最小二乘法获得芯梁刚度、弹簧刚度和附加质量的最优设计。通过数值分析对该方法进行了验证分析。以两座不同形式的悬索桥为例进行了该方法的可行性分析。研究结果表明:采用该方法设计的气弹模型能很好地与原结构相匹配。     

既有钢筋混凝土桥梁构件抗力模糊随机时变概率模型研究

构件的抗力概率模型是进行桥梁结构时变可靠性研究的基础之一。既有钢筋混凝土桥梁材料的老化与损伤情况复杂使其抗力同时具有随机性、模糊性和时变性是一个模糊随机过程。在分析影响既有钢筋混凝土桥梁构件抗力不确定性因素的基础上,考虑桥梁在服役过程中的耐久性损伤对构件抗力的影响,在常规方法只能考虑抗力随机时变性基础上,进一步考虑模糊性,结合实测数据和现有资料建立了既有钢筋混凝土桥梁中混凝土强度、钢筋截面积和钢筋强度模糊随机时变模型,进而研究了在不修复情况下桥梁构件抗力模糊时变概率模型,分析了抗力平均值和标准差随时间和阈值变化的规律,并以受弯构件为例给出了具体分析过程和结果。     

基于节段模型测振试验的大跨度桥梁抖振响应预测

传统大跨度桥梁抖振响应计算是基于颤抖振理论,并借助节段模型测压或测力试验进行,目前鲜有通过节段模型测振试验实现桥梁抖振响应预测的报道。基于抖振分析理论推导了考虑三维效应的两波数抖振力,并根据综合传递函数的概念提出了基于节段模型测振试验的大跨度桥梁抖振响应预测方法。以某流线型箱梁悬索桥为例,通过节段模型及全桥气弹模型试验研究了该预测方法的精度及可行性。结果表明:结构展宽比对综合传递函数识别精度存在影响,展宽比越大,识别精度越高。即使在湍流积分尺度并未远大于结构宽度的前提下,增大模型展宽比可有效减弱三维效应的影响。基于节段模型测振试验识别综合传递函数的方法可用于大跨度桥梁抖振响应的预测,该方法预测结果偏于保守。     

超高车辆撞击钢桥上部结构模型试验研究

针对当前城市交通中凸显的车桥碰撞问题,设计了超高罐车撞击钢箱梁桥和钢板梁桥的缩尺模型试验,并采用动力非线性有限元对撞击试验进行了数值模拟。试验结果表明不同桥型在超高车辆的撞击下,其破坏模式有着明显的差别,钢箱梁桥以整体变形为主,钢板梁桥以局部冲切变形为主。文中建立的有限元模型和试验结果吻合良好     

基于实际工作状态的多跨悬索桥中间塔静力试验模型设计

与传统两塔悬索桥相比,多塔连跨悬索桥中间塔的约束条件、工作环境及荷载作用等均有较大差别,其对全桥安全性和使用性有显著影响。基于泰州大桥的实际工作状态（中间塔的纵向最不利工况）,采用静力相似理论设计中间塔缩尺模型。通过对原桥中间塔和试验模型的数值仿真分析,从内力、位移及应变等方面比较分析原桥和试验模型的相似关系,结果表明,以几何尺寸和材料弹性模量为基本相似量所设计的试验模型,能满足中间塔主要静力性能的试验要求。     

不同风向角下斜拉桥拉索模型测压试验研究

研究风雨共同作用时拉索的气动力特性对建立拉索风雨激振理论模型是非常重要的。设计、制作了用于测压试验的拉索模型,以及可方便调节风向角的试验装置,并在风洞中进行了拉索模型的同步测压试验。试验得到了典型倾角的拉索模型在不同风向角时的平均和脉动风压系数和气动力系数。这些结果为建立精细的理论模型提供了基础。     

Buffeting-induced fatigue damage assessment of a long suspension bridge

As modern suspension bridges become longer and longer, buffeting-induced fatigue damage problem for the bridges located in strong wind regions may have to be taken into consideration. Furthermore, there is a trend to install wind and structural health monitoring systems (WASHMS) to long suspension bridges for performance assessment. A systematic framework for assessing long-term buffeting-induced fatigue damage to a long suspension bridge is thus presented in this paper by integrating a few important wind/structural components with continuum damage mechanics (CDM)-based fatigue damage assessment method. By taking the Tsing Ma Bridge in Hong Kong as an example, a joint probability density function of wind speed and direction is first established based on wind data recorded by the WASHMS installed in the bridge. A structural health monitoring-oriented finite element model of the bridge and a numerical procedure for buffeting-induced stress analysis of the bridge are then used to identify stress characteristics at hot spots of critical steel members under different wind speeds and directions. The accumulative fatigue damage to the critical steel members at hot spots during the bridge design life is finally evaluated using a CDM-based fatigue damage evolution model. The proposed framework is found to be feasible and practical.     

基于经验线性涡激力的桥梁涡激振动TMD控制

涡激振动是大跨度桥梁在低风速下容易发生的一种风致振动,是大跨度桥梁抗风设计中的重要环节。为了有效抑制桥梁的涡激振动,研究了TMD对桥梁涡激振动的控制。建立了桥梁与TMD组成的振动系统的运动方程,在复频率里对运动方程进行求解,推导了振动系统的频率响应函数,给出了TMD参数优化设计的方法。以一大跨度悬索桥为实例,对该悬索桥进行了1∶20的大节段模型涡激振动风洞试验,获取了桥梁的涡激振动气动参数,分析了TMD对桥梁涡激振动的控制。TMD参数优化结果表明:质量比越大,控制率越高,但工程中应综合经济性等因素考虑合适的质量比;TMD质量比一定时,TMD与桥梁的频率比趋近于1附近,相位差趋近于π/2附近,控制率较高;当桥梁主梁高度对TMD行程有限制时,涡振控制效果将受到影响,利用TMD进行桥梁涡激振动控制需结合TMD的行程来综合考虑参数的优化取值;就本桥而言,当按质量比为1%设计TMD最优参数时,在整个涡振区风速范围内,桥梁的涡激振动都得到了有效的抑制。