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基于动静载试验的桥梁结构模型修正方法应用研究

何涛  
【摘要】:模型修正技术是通过动静载试验的实测数据,对基于设计图纸建构的初始有限元模型进行修正,使得修正后的模型在试验条件下的响应与试验实测数据相吻合,从而达到对结构的安全可靠性做出真实评价的一种方法。模型修正技术的工程研究进展对于桥梁结构的运营安全性能的评估,结构在各种受力工况下的响应预报,以及结构的健康监测和损伤识别都有着重要的工程意义和实用价值。 本文针对桥梁结构模型修正方法的工程应用开展研究。选取1榀40m跨径的预应力混凝土T梁和1榀30m跨径的预应力混凝土箱梁进行现场动静载试验。获得在标准使用荷载下2榀梁分级加载作用下的多点挠度和跨中应变的实测值以及动力激振下的前5阶竖向自振频率实测值,为探讨结构模型修正方法的工程应用提供可靠的试验依据。 在此基础上,开展了关于以下两种模型修正方法的结构建模分析与试验验证,具有实际工程意义。 1)有限元模型的直接修正方法: 基于设计图纸建立有限元模型,综合运用动态加权系数和灵敏度分析的方法,联合动静载试验数据对预应力混凝土梁进行模型修正。该方法采用了动态加权系数来构造目标函数,克服了以往采用单目标函数修正有限元模型的不足,以及迭代计算过程中加权系数不会因各单目标函数量级的变化而自动调整的缺点,也避免了修正计算在残差较大的部分收敛,或者是在局部极小值收敛的弊端,更易找到全局最优解。修正后的有限元模型按照静载试验加载工况进行加载,模拟分析了静载试验加载工况下2榀预应力混凝土梁有限元模型的应变、挠度计算结果,与现场静载试验测试结果相比较,表明有限元模型的直接修正方法可以应用于对预应力混凝土梁的结构性能评估中。 2)基于响应面模型的修正方法: 在有限元模型修正的基础上,利用正交试验设计方法产生27组预应力混凝土梁在动静载试验条件下的样本值,通过方差分析(F检验法)计算了各参数对试验响应的显著性水平,分析结果与基于有限元模型的灵敏度分析结果相一致,说明基于统计学的方差分析方法能够识别显著性水平较高的参数。而后用二次多项式拟合了各响应的响应面模型,相关系数的计算表明,拟合的各响应面模型精度很高,都达到了0.99以上,说明响应面模型可以用来替代有限元模型进行模型修正计算。经响应面方法修正计算后的有限元模型计算值与试验实测值的误差在8%以内,满足工程精度的要求。通过对响应面模型修正方法的研究表明:响应面模型修正方法对比有限元模型修正方法具有计算速度快,计算次数少,容易收敛等优点,有更为显著的工程应用价值。 最后,以30m预应力混凝土箱梁为例,设定了两种损伤工况,以ANSYS有限元软件建构实体模型,并计算两种损伤工况下的动静力响应,而后利用基于响应面模型修正方法对给定的损伤工况进行识别。结果表明:响应面模型能够对不同损伤工况下的损伤程度进行识别,而且精度较高,可以应用于对桥梁结构损伤的识别,该方法经过完善后具有一定的参考价值。


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