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大跨悬索桥状态评估实用方法研究与应用

郭彤  
【摘要】: 随着人们对大跨桥梁安全性、耐久性与正常使用功能的日渐关注,桥梁结构状态评估的研究与应用成为土木工程领域非常活跃的一个研究方向。模态分析技术、振动测试技术、数字信号处理以及损伤定位、识别技术的迅速发展和现场测试条件的明显改善也为桥梁状态评估提供了必要的支撑。为了最终实现大跨桥梁在线状态下的状态评估,本文以润扬长江公路大桥南汊悬索桥为研究背景,围绕着大跨悬索桥状态评估中的关键技术和存在的主要问题进行了研究和探索。 本文系统总结了近年来在结构状态评估领域的比较成熟的方法和新的研究思路,从悬索桥有限元模型修正和非线性行为的模拟入手,着重进行了基于数值模拟算法的可靠度评估方法研究,同时为了更加全面地反映桥梁的性能状况,本文采用基于模糊层次分析的综合状态评估方法,初步建立起大跨悬索桥状态评估体系。本文的研究工作主要体现在以下几个方面: 1、以状态评估为目标的大跨悬索桥模型修正 针对状态评估研究的具体需要,提出了基于优化原理的大跨悬索桥有限元模型修正方法,并分别采用零阶优化算法和一阶优化算法对悬索桥有限元模型进行了修正。修正结果表明,零阶优化算法收敛速度较快,当设计变量数目较少时(少于20个),采用含有二次交叉项的方程式来拟合状态变量,其精度基本可以满足悬索桥模型修正的要求;一阶算法收敛速度较慢,有时会陷入局部最优点,但是它有着较高的精度。建议在设计变量较多时(多于20个)采用一阶优化算法。 2、悬索桥损伤状态下几何非线性行为模拟 为了精确地模拟缆索体系在成桥状态和损伤状态下的非线性特征,在优化修正后的模型基础上,采用自适应牛顿-拉普森迭代算法,对缆索几何位置和内力进行了精确计算。这种模型更新的方法为状态评估方法的实现,特别是损伤状态下的状态评估研究提供了较为可靠和便于更新的有限元模型。 3、数值模拟方法的理论研究 通过对蒙特卡罗法和响应面法进行深入分析,比较了两者在本质、实现方法和误差构成方面的特点,在此基础上,提出了采用两者的联合算法作为润扬大桥可靠度评估的基本分析工具。联合算法的应用,将大跨桥梁可靠度分析这样一个具有复杂物理意义的问题转化为一系列失效方程式的求解问题,提高了求解的效率,而求解效率的提高同时也保证了分析的精度。 4、数值模拟联合算法在润扬大桥悬索桥可靠度评估中的实现 将联合算法应用于润扬大桥悬索桥可靠度评估,通过灵敏度分析和变量相关性分析进行了输入变量的优选,通过可靠度计算,分析了悬索桥在正常运营状态下和损伤情况下、一般车辆荷载状态和密集车辆荷载状态下的各个失效模式的可靠度指标,并基于此进行了可靠度评估和等级划分。 5、基于模糊层次分析的综合状态评估方法研究 为了更加全面地反映大桥在运营周期内的综合性能,在可靠度评估的基础上,结合大桥运营过程中监测系统和周期性检测结果,本文对模糊层次分析法进行了研究和探讨。为了更加有效地反映评估对象的模糊性,本研究将传统的层次分析法拓展到模糊领域,引入三角模糊数的概念,并对模糊评判矩阵的排序方法进行了研究,在此基础上,提出了基于模糊集贴进度的模式识别评估方法,建立起润扬大桥悬索桥多层次多目标综合评估模型。 6、根据可靠度评估以及模糊层次分析法的具体实现要求,编制了润扬大桥状态评估软件并对程序实现过程中的若干关键问题进行了研究。结合健康监测系统中的数据采集系统,初步实现了大桥的在线状态评估。


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