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基于健康监测的大跨度斜拉桥基准有限元模型

彭雪林  
【摘要】: 对于大型重要桥梁来说,无论是对其进行复杂响应分析(如地震响应分析、抗风稳定性分析、车桥振动等方面的动力分析),还是进行长期监测和健康状态评估,一个准确和有效的“基准”(baseline)有限元模型都是不可缺少的前提。斜拉桥基准有限元模型首先应该是能够全面、正确反映结构真实性态的完整的计算模型,其次,它还应该是经现场试验验证了的有限元模型。 本文以主跨605m的结合梁斜拉桥——青洲闽江大桥为背景,首先根据设计图纸建立该桥完整的初始空间有限元模型,然后根据通车前现场静力试验和环境振动试验结果对初始有限元模型进行校正,通过参数的调整使模型静、动力计算结果与实测值吻合。此时的模型反映了桥梁在运营前,未有损伤情况下结构的真实静动力行为,可作为该桥长期健康监测、使用状态评估的基准有限元模型。 本文深入讨论大跨度结合梁斜拉桥"基准"有限元模型建立过程中的几个关键问题并得到一些有意义的结论: 1. 明确斜拉桥在索初应力和恒载作用下的初始平衡构型——处于初始平衡状态时的几何位置,给出了其计算方法。从这一平衡变形构型开始后续的分析比较合乎实际。 2. 讨论了斜拉桥几何非线性对初始平衡构型的影响。结果表明:大变形效应对恒载下构件的内力和桥面系变形影响很小,线性的静力分析足以满足要求。然而,由于拉索初拉力的存在,斜拉桥的静力分析自始至终都是几何非线性分析。 3. 考虑了恒载效应对模态分析的影响,即从初始平衡构型进行模态分析,是带有“初应力”的模态分析。结果表明恒载对频率的数值影响不大,但显然初始平衡对后续的动力响应分析(如地震、风振)会造成一定的影响。 4. 用质量块和板单元分别模拟混凝土桥面板,结果表明混凝土桥面板对桥竖向的刚度影响不大,但对桥水平横向的整体刚度有较大的影响,没有桥面板的斜拉桥简化模型,很难正确反映桥整体的空间行为。用弹簧单元模拟桥面板与钢梁的联结,结果表明该桥混凝土桥面板与钢梁的联结比较紧密,二者的联结可以视为固结。 5. 采用环境振动的方法来进行桥梁动力测试具有方便、快捷、廉价等许多优点,足以识别出频率密集分布在低频0-1Hz范围内的主要模态参数(频率、阻尼和振型)。 6. 有限元理论模型可以提供桥梁详细的物理力学特性与模态特性,而通过实桥静动力测试可以获得桥梁真实的特性。基于通车前静动载试验,是建立桥梁基准有限元模型的正确途径。


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