【摘 要】
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大跨度桥梁结构健康监测为在役桥梁安全、平稳地运行提供了有效的保障。作为桥梁健康监测领域的研究热点,实用的有限元模型修正技术和损伤识别方法对维护桥梁结构安全有重要工程意义。本文以汀九桥为工程背景,从大跨度桥梁结构精确有限元模型修正和斜拉索损伤识别两个角度出发,构建了利用精确有限元模型评估真实桥梁斜拉索状态的研究方法,为大跨度桥梁结构的有限元模型修正和损伤识别提供了指导。大跨度桥梁结构的模态特征对模型
【基金项目】
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国家自然科学基金项目:“基于多尺度涡流合成法的结构风致响应大涡模拟研究”(51978221);
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大跨度桥梁结构健康监测为在役桥梁安全、平稳地运行提供了有效的保障。作为桥梁健康监测领域的研究热点,实用的有限元模型修正技术和损伤识别方法对维护桥梁结构安全有重要工程意义。本文以汀九桥为工程背景,从大跨度桥梁结构精确有限元模型修正和斜拉索损伤识别两个角度出发,构建了利用精确有限元模型评估真实桥梁斜拉索状态的研究方法,为大跨度桥梁结构的有限元模型修正和损伤识别提供了指导。大跨度桥梁结构的模态特征对模型参数的敏感度较高,导致有限元模型的修正工作更加复杂。本文从贝叶斯理论出发,详细推导了考虑现场实验误差和建模误差的模型不确定参数的后验概率密度函数,通过分层马尔可夫蒙特卡罗(MCMC)算法获取修正参数的样本特征并量化参数的不确定性。为实现自动化和高效化的有限元模型修正,开发了基于Python和ABAQUS交互的并行有限元模型修正技术,并通过简支梁数值算例演示和验证。利用提出的基于软件交互的并行修正技术对汀九桥初始有限元模型展开修正,分析了不同参数模型类和目标函数对修正结果精度的影响。研究结果表明,桥梁不同构件的弹性模量对控制桥梁结构高阶竖向弯曲模态的自振频率有显著作用,纵梁的截面面积对控制桥梁结构低阶扭转、横向弯曲耦合模态的自振频率效果显著。对于大跨桥梁结构的模型修正,需要同时考虑材料弹性模量和构件截面特性的不确定性。在相同参数模型类基础上,目标函数中仅考虑自振频率误差时,修正后模型的自振频率误差能进一步降低,但振型误差会相应增大;融合振型约束方程的目标函数可以有效保障振型精度而不会造成自振频率误差的显著变化,对获得更精确的有限元模型有指导意义。通过车辆荷载实验,对满足动力特性的修正后汀九桥模型开展了静力特性验证,有限元分析和实验数据的一致性保障了模型静力响应的可靠性。基于桥梁损伤状态和健康状态下影响线的变化,提出了两个斜拉索损伤定位指标Ω和Ω*,通过设置多种损伤工况评估它们的损伤识别性能。研究结果显示,Ω指标能较为清晰地反映损伤斜拉索的数量和大致位置,经局部归一化的Ω*指标能进一步定位损伤斜拉索的确切位置。基于上述结论,提出了大跨度桥梁斜拉索损伤定位的实用方法。
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