空间桁架结构的静力模型修正方法

近十几年来,国内外建设了大量的空间桁架结构,为了保障结构在长期运营过程中的安全性,需要对结构模型进行安全评估和修正。文中提出了基于静力位移的空间桁架结构的静力修正方法,用静力凝聚方法对静力平衡方程进行变换消去平面外自由度。将杆件单元的刚度的修正量用修正因子表示,并利用摄动理论求解各单元修正因子。最后,将修正因子代回原静力方程求解结构的节点位移,通过对比理论计算位移与修正后位移以验证该文修正方法的正确性。     

节点刚度对装配式钢结构看台动力性能影响分析

根据某赛事场馆改造中采用的装配式钢结构看台的特点,建立了三维有限元模型,并讨论了装配式钢结构看台节点的合理取值范围,分析了节点刚度对结构静力响应的影响;随后,研究了节点刚度对结构动力特性的影响,并通过数值拟合了结构动力特性随节点刚度和横向支架榀数的变化规律;最后,分析了起立、步行和跳跃荷载下的结构响应在不同节点刚度时的变化,提出了看台座椅面层变形和舒适度分析的简化计算方法。结果表明:节点刚度对装配式钢结构看台静力和动力响应影响较小,但对结构自振频率的影响最大可达30%。所提出的简化设计方法中位移调整系数为1.0,加速度调整系数为1.2,该方法具有一定的可靠性和实用性。     

结构有限元模型修正综述

结构有限元分析模型计算的结构响应与实测响应之间不可避免地存在一定偏差。利用结构现场实测的响应信息修正其结构有限元分析模型,使得修正后结构有限元模型计算的响应值与试验值趋于一致,此过程即为结构有限元模型修正。本文对结构动力模型修正和静力模型修正的一般理论及其进展进行了综述,讨论了有限元模型修正中的若干重要技术问题。     

杆系结构位移及应力灵敏度分析的解析法研究

结构优化设计中的灵敏度分析是指约束函数对优化设计变量的导数,它是最优准则法等许多结构优化算法能够高效迭代收敛计算的基础。本文首先阐述了有限差分法及基于虚功原理的简化法在约束函数灵敏度分析上的不足,然后从有限单元法求解的逆过程出发,根据线弹性分析中的空间梁单元刚度矩阵元素的组成特点,提出了基于通用有限元软件计算结果的空间梁单元杆端结点内力、结点位移及杆端应力等灵敏度分析的解析表达式,最后通过两个算例对本文提出的算法进行了验证。结果表明:利用本文所提出的相关灵敏度计算的解析表达,只需进行一次线弹性结构分析,并将有限元分析结果当作已知量,即可方便且准确地得到线性结构系统的位移及应力灵敏度。另外,本文利用大型通用有限元软件SAP2000基于MATLAB系统的应用程序接口(API)开发环境,实现了两款软件的数据交互及无缝链接进行灵敏度分析的高效平台,本文提出的方法适用于大型复杂结构的灵敏度分析并可为其他工程结构优化提供参考。     

基于响应面的桥梁有限元模型修正

采用试验设计和回归分析方法,以显式的响应面模型逼近特征量与设计参数间复杂的隐式函数关系,得到简化的结构模型(Meta-model),给出有限元模型修正过程。针对复杂的土木工程结构,讨论样本选择、修正参数选取以及如何从众多因素中较合理地建立结构的响应面模型。用数值模拟算例和六跨连续梁桥环境振动试验结果,实现基于响应面模型的土木工程结构有限元模型修正,并与传统的基于灵敏度方法直接对结构有限元模型修正结果进行比较。结果表明,基于响应面方法的有限元模型修正和验证,能显著提高修正的效率,修正过程计算简洁、迭代收敛快,避开每次迭代都需要进行有限元计算,易于工程实际应用。     

基于刚度修正法的杆系结构非线性破坏分析

大跨度空间杆系结构非线性稳定性直接影响着结构承载能力。空间杆系结构非线性稳定问题包括材料非线性和几何非线性两方面,利用力转换矩阵和位移转换矩阵建立了考虑双重非线性的杆系结构刚度修正法,并推导了双线性破坏准则下杆系结构刚度修正法的理论计算公式。利用MATLAB软件编程开发了基于刚度修正法的杆系结构数值计算软件,通过铰接桁架和六角星型穹顶两个算例讨论了杆系结构刚度修正法对结构非线性稳定承载力计算的影响,并同有限元软件ANSYS分析结果进行了比较。结果表明:刚度修正法通过引入力转换矩阵和位移转换矩阵充分体现了材料双重非线性影响,考虑了弹塑性阶段材料应力强化作用,能更准确地计算结构非线性稳定极限承载力。     

基于能量变分剪切效应空间梁单元刚度矩阵及荷载列阵推导

为了系统研究空间梁单元考虑剪切变形影响时的刚度矩阵及荷载列阵,将能量变分原理应用于空间梁的单元分析。建立了考虑剪切效应的空间梁单元位移函数,利用最小势能原理导出了这种空间梁单元的刚度矩阵和荷载列阵的表达式,显式积分得到单元刚度矩阵,同时计算了平面内部分非节点荷载作用下的等效节点荷载,修正了相关文献中的部分错误。计算结果表明:该方法所得到的单元刚度矩阵与相关文献中其他方法的计算结果完全一致,为编制空间巨型结构的有限元程序奠定基础,对推算其他类型单元刚度矩阵及其荷载列阵也具有理论意义和应用价值。     

地基不均匀沉降时超静定框架应力场的还原及应用

针对发生地基不均匀沉降的超静定框架结构应力场的还原问题,给出了基于结构力学矩阵位移法还原超静定框架结构体系应力场的计算原理。基于包含上部钢框架、独立基础和多维弹性地基支承的整体超静定结构体系的静力平衡条件和变形协调条件,建立了超静定结构的有限元计算模型。以实际监测工程为算例,采用MIDAS/Gen有限元软件计算还原了包含上部钢框架、基础和基底弹簧支座的整体超静定结构第二平衡状态下的应力场; 由实测的钢框柱柱脚位移值反算出基底弹簧支座各方向的弹性刚度,得出整体超静定结构第二平衡状态下的刚度矩阵及位移矩阵,从而求得监测初期和终期上部超静定钢框架结构各构件的内力计算值。最后,对比钢框架各构件内力的理论计算增量值与监测增量值。结果表明:构件各项内力理论计算增量值与监测增量值的相对误差均不超过40%,且构件各项内力理论值与监测值的增量变化方向一致,验证了基于矩阵位移法的超静定框架结构应力场还原方法的合理性和可行性。     

双参数地基横向受荷桩的传递矩阵法解

为研究地基土体剪切刚度沿深度变化对横向受荷桩工作性状的影响,基于Newmark法和Pasternak双参数地基模型,假设土体剪切刚度为幂函数分布,由单元的挠曲微分方程求得了各结点的横向抗力。忽略了土体压缩变形和剪切变形的耦合作用后,对各结点的横向抗力做了简化,进而导出了单元的场传递矩阵及桩的总体传递矩阵;根据桩底边界条件,求得了桩的初始状态向量,确定了各结点的状态向量。算例分析表明:土体的剪切作用对减小顶位移和桩身最大弯矩有一定的贡献,且对中长桩的影响较长桩明显;土体剪切刚度沿深度变化对桩顶位移影响很小,地面处土体剪切刚度对其影响较大,双参数地基模型能够更好的模拟桩土的实际工况。     

结构多尺度有限元模型修正试验研究

本文以实验室的大跨桥梁结构钢箱梁纵向加劲桁架缩尺试样为研究平台,具体讨论了多尺度模型修正和验证的实施过程。首先分析了影响此结构多尺度模型精度的一些因素,然后采用基于灵敏度的方法对多尺度模型进行修正,并通过实测数据从动力特性和静力响应等多方面对所建的结构多尺度有限元模型进行了验证。结果表明:基于子结构方法建立的结构多尺度模型是有效的。     

Structural parameter identification and damage detection for a steel structure using a two-stage finite element model updating method

A two-stage eigensensitivity-based finite element (FE) model updating procedure is developed for structural parameter identification and damage detection for the IASC-ASCE structural health monitoring benchmark steel structure on the basis of ambient vibration measurements. In the first stage, both the weighted least squares and Bayesian estimation methods are adopted for the identification of the connection stiffness of beam-column joints and Young’s modulus of the structure; then the damage detection is conducted via the FE model updating procedure for detecting damaged braces with different damage patterns of the structure. Comparisons between the FE model updated results and the experimental data show that the eigensensitivity-based FE model updating procedure is an effective tool for structural parameter identification and damage detection for steel frame structures.     

Finite element model updating on small-scale bridge model using the hybrid genetic algorithm

Finite element (FE) model-based dynamic analysis has been widely used to predict the dynamic characteristics of civil structures. FE model updating method based on the hybrid genetic algorithm, by combining genetic algorithm and the modified Nelder–Mead's simplex method, is presented to improve bridge structures' FE model. An objective function is formulated as a linear combination of fitness functions on natural frequencies, mode shapes and static deflections using measurements and analytical results to update both stiffness and mass simultaneously. A commercial FE analysis tool, which can utilise previously developed element library and solution algorithms, is adopted for applications on diversified and complex structures. The validity of the proposed method is verified by using a simply supported bridge model with three I-shaped girders. FE models such as grid, beam-shell and shell model are considered to modify initial FE models on the experimental structure. Experimental results suggest that the proposed method can be applied efficiently to various FE models and is feasible and effective when this method is applied to identify FE modelling errors.     

保持承载刚度的张拉整体结构预应力降低方法

几何刚度对张拉整体结构承载刚度的贡献通常与弹性刚度的贡献量级相当,但仅依靠高预应力保证结构承载刚度效果一般.而通过调整结构形状提高弹性刚度并替换部分几何刚度的贡献,可以在保持张拉整体结构承载刚度不变的前提下降低预应力.为此,将杆件原长变化作为基本变量,分析了该变量与单元内力、节点位移以及弹性和几何刚度矩阵的增量关系.建...     

初始扭转欧拉梁有限元力学模型研究

基于传统欧拉直梁力学模型,对初始扭转欧拉梁有限元模型进行系统的分析与研究。采用2节点12个自由度模型,单元轴向位移插值函数采用2节点拉格朗日插值函数,梁截面横向弯曲位移u,v仍采用三次式位移模式。绕梁轴扭转角位移函数φz同轴向位移函数一样采用2节点拉格朗日插值函数。首先基于作者先前文献中初始扭转梁的弯曲正应变关系,导出初始扭转欧拉梁单元刚度矩阵。最后,通过矩形截面初始扭转悬臂梁算例,并与ANSYS三维实体有限元分析结果进行对比分析,表明建立的初始扭转欧拉梁单元刚度矩阵具有良好的精度。     

桥梁损伤识别的实用模型修正方法研究

对面向损伤识别的桥梁结构模型修正实用方法进行了研究。提出了基于振动特性测量的三步模型修正策略和综合利用通用有限元程序ANSYS的优化功能进行模型修正的方法。为了缩减待修正的参数,根据计算目标函数对每个单元参数的敏感性,进行子结构划分,通过对子结构参数的修正进行结构损伤的大致定位,然后对确定为损伤的子结构的每个单元进行参数修正,进行结构的损伤定量识别和状态评估。修正算法的优化方法采用ANSYS一阶优化方法和随机搜索方法,敏感性分析和模型修正完全基于ANSYS软件进行,较适合于实际工程的应用。为了说明方法的可行性,以某一实际三跨预应力钢筋混凝土连续箱梁桥为仿真算例,以结构模型的单元刚度衰减来模拟损伤,进行损伤识别,达到了较好的效果。     

Local finite element model updating with forced vibration measurements

Finite element (FE) model updating based on the method of selective sensitivity analysis is applied to a girder bridge. The response patterns are chosen in accordance with the selective sensitivity criteria and result in a set of four independent local girder bridge response patterns. The excitation of these patterns is conducted with a four-shaker system. This effectively reduces the degrees of freedom of the corresponding FE model from 486 to 7. Excitations and responses are measured at three nodes of each selective sensitive pattern. Local finite element model updating is conducted by minimising the influence of the rest of the structure and by maximising the relative sensitivities with the inclusion of the fourth shaker. This excitation is shown to be model independent; therefore, updating is separated from the measurement process. An independent verification shows the ability of the proposed method to identify submodel parameters. The sensitivities of the accelerometers used were very small, which impacted the data quality. Updating results are discussed considering these limits.     

Advanced Markov Chain Monte Carlo Approach for Finite Element Calibration under Uncertainty

Uncertainty involved in the experiment data prohibits the wide applications of the finite element (FE) model updating technique into engineering practices. In this article, the Markov Chain Monte Carlo approach with a Delayed Rejection Adaptive Metropolis algorithm is investigated to perform the Bayesian framework for FE updating under uncertainty. A major advantage of this algorithm is that it adopts global and local adaptive strategies, which makes the FE model updating be robust to uncertainty. Another merit of the studied method is that it not only quantitatively predicts structural responses, but also calculates their statistical parameters such as the confidence interval. Impact test data of a grid structure are investigated to demonstrate the effectiveness of the presented FE model updating technique, in which the uncertainty parameters include the vertical and longitudinal spring stiffness that simulate the boundary
conditions, the end‐fixity factor for modeling semi‐rigid connections, and the elastic modulus for simulating the uncertainty associated with material property.     

悬索桥主塔结构的有限元模拟方法研究：2.模型修正与验证

本文在文献[1]建立的润扬悬索桥主塔的初始有限元模型基础上,采用基于灵敏度分析的模型参数修正方法,结合主塔动力特性的测试结果对主塔的初始有限元模型进行了动力修正。通过三种修正方案的比较,可以看出考虑梁柱节点刚域的影响以及修正参数的上、下限值约束的修正方案最可行。修正后的润扬悬索桥主塔模型能全面、正确地反映主塔结构的动力特性,可作为主塔结构健康监测与安全评估的基准有限元模型。     

在役T构桥梁的有限元模型修正

有限元模型修正是建立精确的基准有限元模型的基础。以在役T构桥梁——324国道乌龙江大桥为工程背景,利用ANSYS软件建立了全桥结构的三维有限元模型,进行了结构静、动力数值模拟分析,并与实测结果进行了比较;结果表明,未修正的有限元模型计算结果与实测结果存在较大误差。通过参数灵敏度分析,确定了对桥梁结构静、动力特性影响均较大的参数;采用零阶和一阶算法,基于自振频率与静力挠度组合的目标函数,对乌龙江大桥有限元模型进行了修正。修正后的有限元模型能较真实地反映结构的实际状态,可作为该桥梁长期健康监测与状态评估的基准有限元模型。     

结构动力模型的改进直接修正方法及工程应用

直接模型修正方法是一类经典的解析动力模型修正技术,该方法具有计算高效和精确匹配目标模态参数等优点,但仅考虑与频率和振型相关的约束,导致修正模型预测的模态参与因子与实际识别值存在差异。针对该模态参数匹配不完备问题,提出了一种改进的直接模型修正方法。改进方法考虑模态参与因子在质量矩阵中的修正,采用约束最小化技术,推导了质量矩阵的最优解,并结合已有的刚度矩阵修正技术实现结构模型修正。以一栋实际消能减震建筑结构为应用对象,利用结构地震监测数据估计的模态参数,采用改进方法修正结构初始有限元模型,验证了改进修正方法的准确性。