Dynamic test and finite element model updating of bridge structures based on ambient vibration

The dynamic characteristics of bridge structures are the basis of structural dynamic response and seismic analysis, and are also an important target of health condition monitoring. In this paper, a three-dimensional finite-element model is first established for a highway bridge over a railroad on No.312 National Highway. Based on design drawings, the dynamic characteristics of the bridge are studied using finite element analysis and ambient vibration measurements. Thus, a set of data is selected based on sensitivity analysis and optimization theory; the finite element model of the bridge is updated. The numerical and experimental results show that the updated method is more simple and effective, the updated finite element model can reflect the dynamic characteristics of the bridge better, and it can be used to predict the dynamic response under complex external forces. It is also helpful for further damage identification and health condition monitoring. __________ Translated from Chinese Journal of Huazhong University of Science and Technology (Urban Science Edition), 2006, 23(4): 57–60 [译自: 华 中科技大学学报(城市科学版)]     

基于径向基神经网络的桥梁有限元模型修正

基于某预应力混凝土大跨刚构-连续梁桥的ANSYS有限元模型,提出一种基于径向基神经网络的有限元模型修正方法。该方法以不同设计参数条件下有限元模型模态分析频率作为输入向量,以对应的桥面单元、中墩、边墩的弹性模量、密度等设计参数修正值作为输出向量,利用径向基神经网络来逼近两者之间的非线性映射关系。结合该桥梁结构健康监测系统中加速度传感器监测的桥梁结构动力反应的加速度数据,利用神经网络的泛化特性,直接计算出有限元模型设计参数的修正值。研究结果表明:修正后的有限元模型能更真实地反映结构的物理状态,较好地反映该桥梁结构的真实动力特性。     

基于环境激励的连续刚构桥模态参数识别及有限元模型修正

一个合理准确的有限元模型是大型桥梁健康监测系统中损伤识别及安全评估、预警的前提。以一座三跨预应力混凝土连续刚构桥为例,根据设计资料,利用ANSYS建立其初始三维有限元模型,利用其健康监测系统采集得到的加速度时程数据,采用随机子空间法对实际结构的模态频率进行识别,依据识别结果,在参数灵敏度分析的基础上,根据最优化理论对该桥的有限元模型进行修正。研究结果表明,经修正后的有限元模型能真实准确地反映该桥梁结构的真实动力特性,可以作为健康监测中损伤识别、安全评估等研究工作的基准模型。     

Reliability assessment of cable-stayed bridges based on structural health monitoring techniques

This paper presents the reliability analysis approach of long-span cable-stayed bridges based on structural health monitoring (SHM) technology. First, the framework of structural reliability analysis is recognised based on SHM. The modelling approach of vehicle loads and environmental actions and the extreme value of responses based on SHM are proposed, and then models of vehicle and environmental actions and the extreme value of inner force are statistically obtained using the monitored data of a cable-stayed bridge. For the components without FBG strain sensors, the effects and models (extreme values) of dead load, unit temperature load, and wind load of the bridge can be calculated by the updated finite element model and monitored load models. The bearing capacity of a deteriorated structure can be obtained by the updated finite element model or durability analysis. The reliability index of the bridge's critical components (stiffening girder in this study) can be estimated by using a reliability analysis method, e.g. first order reliability method (FORM) based on the models of extreme value of response and ultimate capacity of the structure. Finally, the proposed approach is validated by a practical long-span cable-stayed bridge with the SHM system. In the example, reliability indices of the bridge's stiffening girder at the stage after repair and replacement after 18 years of operation, and the damaged stage are evaluated.     

预应力连续箱梁桥的动力有限元模型修正

以张家港河大桥为对象,建立主桥的初始有限元模型,基于频率指标和振型相关系数指标,定义了相比传统更合理的目标函数,利用实数编码加速遗传算法,基于环境激励模态试验的前7阶模态参数,对其初始有限元模型进行修正,并利用后3阶模态参数,对修正后有限元模型的预测能力进行评估。由修正结果和预测能力可知,采用上述指标定义的目标函数和实数编码加速遗传算法,对预应力混凝土连续梁桥的有限元模型进行修正,获得准确反映其实际动力行为的有限元模型。     

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。     

地锚式悬索桥动载响应及优化研究

以加劲式混凝土悬索桥为研究对象，在建立的有限元模型的基础上，通过编制ANSYS参数化语言程序，模拟了桥梁在移动动载荷作用下的响应分析。动载响应分析完成后，借助于ANSYS自带的优化模块，使用改进的多目标函数非线性规划法，对桥梁进行了相关的体型优化研究。     

土-桩-结构相互作用对大跨悬索桥动力特性的影响研究

本文以国内第一大跨桥梁———润扬长江公路大桥南汊悬索桥为研究对象,基于大型有限元分析软件ANSYS建立了该桥的三维有限元模型,其中采用质量-弹簧体系模拟了土-桩-结构的相互作用。以此为基础对润扬悬索桥的自振特性进行了分析,重点研究了土-桩-结构相互作用因素对大跨悬索桥动力特性的影响,与现场动力测试结果的良好吻合表明了有限元分析结果的可靠性。研究结果为大桥的损伤预警和状态评估奠定了研究基础。     

城市高架桥动力特性研究

桥梁结构的动力特性就是结构振动的基本特性,是对桥梁结构进行地震反应分析的基础.因此,对高烈度地区城市高架桥动力特性进行试验和理论研究很有必要.本文以高架桥常见的结构形式桥面连续简支梁结构为例,建立三维有限元模型,进行了模态分析并与试验结果进行对比分析.其结论可为同类型桥梁结构进行设计和分析作为参考.     

Theoretical and experimental modal analysis of the Guangzhou New TV Tower

The Guangzhou New TV Tower (GNTVT) in Guangzhou, China, is a supertall tube-in-tube structure with a total height of 600 m. A complicated structural health monitoring (SHM) system consisting of over 800 sensors has been implemented to the GNTVT for both in-construction and in-service real-time monitoring. By making use of this SHM system, the ambient vibration measurement is carried out in a continuous and long-term manner. This paper presents the analytical and experimental modal analysis of the tower and the field ambient vibration measurement at different construction stages and under different excitation conditions, particularly addressing the following issues: (1) a reduced-order FE model for the GNTVT; (2) field vibration measurement and modal parameter identification of the tower under construction and two environmental excitations (typhoon and earthquake); and (3) comparison of results under different excitation events in the time-frequency domain and correlation between natural frequencies and air temperature using linear regression analysis. The experimental dynamic characteristics of the tower can be used to update the finite element of the tower, so that the updated finite element model of the tower can be obtained, which will serve as the baseline model for future health monitoring and damage detection. They can also be used to verify the effectiveness of vibration control devices installed on the tower.     

中国古建筑木结构健康监测Benchmark平台

结构健康监测方法已被引入中国古建筑木结构领域,用以实现古建木构的“预防性”保护,但上述过程仍处于起步阶段,亟需一个能够为不同健康监测方法的验证、比较和评估提供条件的平台。该文建立了包含实验室物理模型、有限元模型、平台试验和配套网站4个模块的中国古建筑木结构健康监测Benchmark平台。平台首先综合其他领域健康监测Benchmark平台优势和古建木构自身特征,以既有古建为原型进行简化得到实验室物理模型,并给出构件尺寸、用材材性、监测设备选取和损伤设计等信息。其次,使用有限元分析软件ABAQUS分别建立能够提取静力和动力信号的有限元模型,以作为实验室物理模型的补充。进而,对成型平台进行动态监测试验,通过试验结果和有限元结果对比证明本平台能够为不同的健康监测方法的分析、比较和评估提供条件,并缩小理论研究和实际应用之间的差距。同时,证明目前其他领域常用的模态分析流程同样适用于古建木构领域。最后,建立包含8个模块的网站,对上述信息进行公开,以方便后续研究人员调用。     

泰东河特大桥主桥自振特性分析

以江海高速公路泰东河特大桥主桥为研究对象,采用Midas有限元程序,建立了连续梁桥的空间力学计算模型,利用子空间迭代法计算了该桥梁结构的自振周期和振型,对桥梁的模态特性进行了分析与研究,计算结果可为该桥的设计、施工以及使用阶段的健康检测和维护提供技术参数和依据.     

大跨度三塔斜拉桥地震响应分析

结合某大跨三塔斜拉桥工程设计实例,采用有限元分析程序ANSYS建立动力计算模型。用子空间迭代法对桥梁的动力特性进行了计算,根据桥址场地地震动参数,用反应谱法和时程分析法进行地震反应对比分析。建议在大跨度斜拉桥抗震设计中,以反应谱分析结果作为抗震设计依据,以时程分析结果作为复核。     

下承式钢管混凝土系杆拱桥的冲击系数研究

以泰兴滨江大桥为例,根据下承式钢管混凝土系杆拱桥的结构特点,采用大型通用有限元软件ANSYS对该桥进行有限元离散。采用梁单元beam4模拟钢管混凝土拱肋（内部混凝土及外部钢管）、系杆及横梁等构件,用杆单元Iinks模拟吊杆,用壳单元she1163模拟桥面铺装层,用实体单元solid45模拟桥面系的预制空心板部分,建立了系杆拱桥的空间计算的有限元模型,进行模态分析,得到各阶自振频率及振型。建立四分之一车辆模型作用下的拱桥车桥耦合振动模型,并利用MATLAB语言编制程序,分析了移动车辆荷载作用下下承式钢管混凝土系杆拱桥的响应,系统地得到了该桥在不同车速,不同车道,不同阻尼,不同路况的振动响应等力学性能。本文所得出的主要结论和有关研究成果可为大跨度钢管混凝土系杆拱桥设计时的冲击系数取值,研究车辆对系杆拱桥的冲击性能和后期桥梁养护确定荷载效应分析提供参考。     

润扬大桥悬索桥索塔结构动力特性实测

润扬长江公路人桥是我国在建规模最大的索支承结构，索塔作为其中一个重要的结构组成部分，掌握其结构动力特性，可以完善理论分析模型，从而为全桥模型的建立和进一步建立润扬大桥结构安全健康监测系统提供最原始的指纹数据。本次测试是在严格符合各项操作规程的条件下，采用环境激励法完成的，在对测试数据进行统计分析后，获得了索塔结构动力特性，并在此基础上，修正了理论模型。然后，对模型进行了有限元模态分析，所得结果与测试结果比较，相当接近，误差极小，证实了理论模型的正确性和可靠性。并在实测结果和理论模型分析结果的基础上，建立了索塔的有限元杆系模型，通过对其进行模态分析，结果进一步论证了理论实体模型的精确性。     

大跨桥梁索塔有限元模型修正

首先采用不同的方法分别建立了大跨桥梁索塔的精细有限元模型和简化模型，运用环境振动实测结果对简化有限元模型进行了修正，并和精细模型计算结果相比较；研究结果表明：严格按照设计图纸建立的精细有限元模型计算得到的动力特性与索塔现场环境振动实测值之间的误差较小，而未经修正的简化模型误差较大，由此说明：大跨桥梁在有限元建模时应尽可能详细地反映结构的几何与材料特性，在此前提下，对于设计资料全面的桥梁结构，建立有限元模型时就只需要修正那些无法用数学和物理方法模拟的不确定因素。对于缺乏实测信息的在建桥梁工程，则可以应用精细有限元模型的计算结果暂时代替实测结果对简化的有限元模型进行修正。     

大跨径斜拉桥动力特性分析

首先针对大跨径斜拉桥的结构特点,从主梁、主塔、斜拉索和边界条件等方面阐述了斜拉桥有限元动力分析的建模方法;然后以苏通大桥为例,用ANSYS有限元分析软件,对其成桥状态下的结构自振特性进行了分析.计算结果表明,该桥具有较好的抗震性能,但需要通过节段模型风洞试验检验其颤振稳定性.     

基于健康监测的连续刚构桥有限元模型确认(Ⅱ)——不确定性分析与模型精度评价

在下白石连续刚构桥基于响应面法的模型修正基础上,首先介绍模型确认过程试验/计算相关性分析的若干确认准则,分析模型与试验不确定性的来源;然后假定随机变量服从正态分布,采用蒙特卡罗有限元分析方法进行不确定性分析和量化,并评价模型的预测精度,实现连续刚构桥的有限元模型确认。结果表明:确认后的下白石大桥有限元模型能够很好地反映下白石大桥的真实状况,可供桥梁健康监测、损伤诊断和安全评估参考。     

基于BP-LSTM混合模型的钢-混组合桥面系空间温度场及温度效应实时评估及预测

考虑到传统健康监测系统与有限元方法的不足,为实现钢-混组合桥面系温度及温度效应的实时评估及预测,提出基于多层前馈——长短期记忆(BP-LSTM)混合模型的实时评估及预测方法。研究过程中,以某桥为工程背景,采用其健康监测系统数据,并利用有限元法热力耦合分析扩充数据,构建包含“结构特征、时间特征、环境特征——温度、温度效应”映射的样本库,并通过实测数据验证有限元计算的准确性;设计BP-LSTM混合模型结构,对LSTM网络以考虑时间权重的均方误差(MSE)损失函数加以改进,读入样本库数据进行训练、验证、测试,从而获得输出精度较高的混合模型;最后,分别给出利用BP-LSTM混合模型进行温度及温度效应实时评估与预测的方法。结果表明:基于气象数据的结构温度场有限元计算结果与实测基本一致,“结构特征、时间特征、环境特征——温度、温度效应”映射具有高度非线性,单独BP网络或LSTM网络效果不佳,而BP-LSTM混合模型精度较高;根据本文提出的实时评估及预测方法,混合模型输出值与目标值的决定系数最低为0.930,最高为0.993,精度较高,可用于钢-混组合桥面系空间温度场及温度效应实时评估及预测。     

Calibrating a high-fidelity finite element model of a highway bridge using a multi-variable sensitivity-based optimisation approach

This article presents the implementation of a calibration procedure for a finite element (FE) model of a state highway bridge using sensory data measured on the bridge. The objective is to modify the high-fidelity FE model of the bridge so that its dynamic behaviour matches, as closely as possible, that of the bridge under analysis. The bridge under investigation is a steel–concrete composite bridge that is instrumented with a wireless monitoring system to collect its vibration response under ambient vibrations. A detailed three-dimensional FE model of the bridge was developed to represent the bridge as realistically as possible. The detailed modelling can minimise the amount of uncertainty in the model and the number of parameters that require updating. A multi-variable sensitivity-based objective function is used to minimise the error between the experimentally measured and the FE-computed modal characteristics. An iterative optimisation approach has been undertaken to find the optimum structural parameters of the FE model that minimise the selected objective function. It is shown that developing a high-fidelity FE model may help simplify the model calibration process for a large structure, which is contrary to conventional thinking on the subject.