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梁式桥梁有限元模型建立与修正及在状态评估中的应用研究

林贤坤  
【摘要】:基于不中断交通运行模态分析的模态挠度法,结合了动载试验和静载试验两者优点,避免了动载试验可靠理论与方法的缺乏和静载试验实验成本过高等缺点。本文以两个预应力混凝土连续箱梁桥,通扬运河大桥和张家港大桥为研究对象,探讨了基于不中断交通运行模态分析的模态挠度法应用于桥梁状态评估的可行性、有效性和可靠性。本文研究的主要内容如下: 利用软件MSC.Patran,建立了通扬运河大桥和张家港大桥的精细有限元模型,探讨了建立基本准确反映两大桥实际动力行为与静力行为有限元模型的方法与过程,以及桥面铺装、主桥墩高度、护栏和单元划分等对两大桥有限元模型动态特性的影响。 概括出有限元模型修正的数学模型,将其转化为单目标或多目标优化问题,使实数编码遗传算法能应用于有限元模型修正问题。利用模态频率和振型,构造了评价修正后有限元模型的指标:频率指标、振型相关系数指标、模态柔度矩阵指标和挠度指标,并由此定义了不同的目标函数。以通扬运河大桥和张家港大桥的有限元模型为对象,基于不同的目标函数,探讨了实数编码遗传算法应用于有限元模型修正的可行性和优越性,获得基本准确反映两大桥的实际动力与静力行为的有限元模型,利用其可对两大桥的各阶试验模态振型较精确地质量归一化。 推广了基于附加质量的质量归一化法,对其精度、质量块施加位置和重量大小对质量归一化因子的影响进行了仿真研究;提出了基于有限元模型的质量归一化法,给出其计算质量归一化因子的方法和具体步骤;提出了基于静载试验的质量归一化法,对其应用的可行性和有效性,及静载试验的测试结果对质量归一化因子的影响进行了仿真研究。 对基于不中断交通运行模态分析的模态挠度法应用于桥梁状态评估的一些关键问题:模态挠度代替静挠度的准确性和可靠性,模态参数的个数和不同类型的振型对应的模态参数、车辆附加质量对模态挠度的影响,进行了仿真研究。理论上说明了基于不中断交通运行模态分析的模态挠度法,应用于桥梁状态评估的可行性、有效性和可靠性。以通扬运河大桥和张家港大桥为对象,借助其修正后有限元模型对其试验模态振型质量归一化,利用其试验模态参数计算模态挠度,与其静挠度实测值比较,探讨了基于不中断交通运行模态分析的模态挠度法,在实际工程问题中,应用于桥梁状态评估的可行性、有效性和可靠性。同时,探讨了试验模态振型的随机误差对模态挠度误差的影响。


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