一種基于兩階段多尺度模型修正的結(jié)合梁斜拉橋傳感器布設(shè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土木工程領(lǐng)域中橋梁結(jié)構(gòu)分析、橋梁結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及大跨結(jié)合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測傳感器布設(shè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是集結(jié)構(gòu)監(jiān)測、系統(tǒng)辨識和結(jié)構(gòu)評估于一體的綜合監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先采用各種先進的測試儀器設(shè)備對外界各種激勵下的各種響應(yīng)進行監(jiān)測；然后對監(jiān)測到的各種信息進行處理，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型等先驗對結(jié)構(gòu)進行診斷，分析結(jié)構(gòu)的損傷狀況；最后對橋梁的健康狀況進行評價，并確定科學的大橋維修、養(yǎng)護策略。目前，關(guān)于橋梁監(jiān)測傳感器布點多是基于測試經(jīng)驗，對于結(jié)合梁斜拉橋這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，經(jīng)驗不能保證傳感器的布設(shè)質(zhì)量。一般來說，監(jiān)測傳感器布設(shè)在應(yīng)力集中點、結(jié)構(gòu)支撐點、對結(jié)構(gòu)荷載重新分配影響較大的構(gòu)件及動力響應(yīng)的敏感點等關(guān)鍵部位，而且傳感器的優(yōu)化設(shè)計、組合大都是基于橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性。
[0003]目前，傳感器布設(shè)計算方法眾多。如模態(tài)動能法、特征向量乘積法、模態(tài)分量加和法等，其中特征向量乘積法及模態(tài)分量加和法計算簡便，是常用的傳感器布設(shè)計算方法，且符合一般的結(jié)構(gòu)測試經(jīng)驗。對于靜力傳感器，是根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的有限元計算結(jié)果，一般布設(shè)在應(yīng)力較大或者應(yīng)力比較集中點、結(jié)構(gòu)支撐點，結(jié)構(gòu)響應(yīng)明顯處及結(jié)構(gòu)荷載重新分配影響較大的構(gòu)件上。然而，經(jīng)驗法布置傳感器并不能完全滿足相關(guān)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測要求。
[0004]另一方面，傳感器的優(yōu)化布設(shè)依賴于準確的結(jié)構(gòu)分析。在進行橋梁結(jié)構(gòu)整體分析時，一般都采用粗糙的有限元模型進行分析，不考慮模型的準確性，無法對全橋結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)做出精確的分析。整體結(jié)構(gòu)分析可以滿足結(jié)構(gòu)整體性狀態(tài)監(jiān)測傳感器布設(shè)的要求，難以滿足易損部位監(jiān)測傳感器布設(shè)的要求以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)安全評估的要求。
[0005]目前，國內(nèi)外的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在結(jié)合梁斜拉橋上應(yīng)用較少。隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，結(jié)合梁斜拉橋等規(guī)模越來越大，而在斜拉橋長期運營中普遍存在斜拉索內(nèi)力松弛、鋼主梁的疲勞損傷、材性腐蝕等病害現(xiàn)象。
[0006]本發(fā)明針對的結(jié)合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)組成為:主梁采用鋼結(jié)構(gòu)，橋面系采用混凝土結(jié)構(gòu)，主梁與橋面系通過抗剪連接件結(jié)合在一起共同受力的斜拉橋。結(jié)合梁斜拉橋一般采用鋼雙主梁，其斷面形式常用實腹開口工字形、箱形等，并在鋼主梁上用預(yù)制混凝土橋面板代替常用的正交異性鋼板面板。為了保證運營期間大橋各構(gòu)件正常工作，及時發(fā)現(xiàn)橋梁發(fā)生的變化和病害，采取有效的維護措施，有必要建立一套有效的健康監(jiān)測系統(tǒng)以評定其安全狀況。
[0007]因此，針對結(jié)合梁斜拉橋，研宄不同目標的結(jié)構(gòu)分析方法、不同尺度有限元模型之間的相互驗證與銜接、傳感器優(yōu)化布設(shè)方法，對于建立結(jié)合梁斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于兩階段多尺度模型修正的結(jié)合梁斜拉橋傳感器布設(shè)方法。
[0009]本發(fā)明采用的技術(shù)方案:一種基于兩階段多尺度模型修正的結(jié)合梁斜拉橋傳感器布設(shè)方法，包括如下步驟:
[0010]I)基于結(jié)合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)的施工設(shè)計圖、建設(shè)文集相關(guān)資料，采用有限元軟件建立了全橋結(jié)構(gòu)的精細有限元模型；
[0011]2)對步驟I)中建立的結(jié)合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)精細尺度有限元模型分別進行恒載和汽車荷載作用下的全橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，然后根據(jù)該響應(yīng)分析的結(jié)果確定全橋結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的易損部位，繼而建立易損部位為小尺度，其他部位為大尺度的結(jié)合梁斜拉橋多尺度有限元豐旲型；
[0012]3)對結(jié)合梁斜拉橋進行環(huán)境振動試驗，獲取橋梁結(jié)構(gòu)的實際動力特性，進而基于兩階段響應(yīng)面方法對步驟2)中建立的結(jié)合梁斜拉橋多尺度有限元模型進行修正；
[0013]4)對步驟3)中修正后的結(jié)合梁斜拉橋多尺度有限元模型進行恒載和汽車荷載作用下的全橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，然后根據(jù)該響應(yīng)分析的結(jié)果確定全橋結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的易損部位以及結(jié)構(gòu)整體分析層次上的監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測位置，繼而確定結(jié)合梁斜拉橋上的傳感器布設(shè)種類和傳感器布設(shè)位置。
[0014]作為優(yōu)選，所述步驟I)中采用了大型有限元分析軟件進行建模分析，所述的結(jié)合梁斜拉橋精細有限元模型，是采用實體45單元模擬索塔和橋面板；主梁及小縱梁采用塑性大應(yīng)變殼43單元進行模擬；斜拉索采用空間桿8單元進行模擬；成橋時橋面設(shè)施安裝及橋面鋪裝等二期恒載和壓重塊均采用質(zhì)量21單元進行模擬；邊界條件為:索塔底部采用完全固接，邊墩、輔助墩與梁交接處及索塔與梁交接處均以彈簧14單元連接；坐標系原點選在混凝土梁梁端，沿橋梁縱向為Z軸，以豎向為Y軸，橫向為X軸。
[0015]作為優(yōu)選，所述步驟2)中所述的全橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，恒載是由實體單元模型精細地建立主梁的一期自重及二期恒載，汽車荷載是根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中公路一一I級車道荷載布置，按照影響線最不利加載，采用“恒載+活載”的荷載主要組合對全橋結(jié)構(gòu)有限元模型先后進行了結(jié)構(gòu)的靜力分析與動力分析。
[0016]作為優(yōu)選，所述步驟2)中的多尺度有限元模型采用大型有限元分析軟件進行建模，其中易損部位小尺度模擬，橋面板采用實體45單元模擬，主梁及小縱梁采用塑性大應(yīng)變殼43單元模擬；橋面系及索塔采用三主梁模型大尺度模擬，選取鐵木辛柯188梁單元模擬；斜拉索采用空間桿8單元模擬；成橋時橋面設(shè)施安裝及橋面鋪裝等二期恒載和壓重塊均采用質(zhì)量21單元模擬；邊界條件為:索塔底部采用完全固接，邊墩、輔助墩與梁交接處及索塔與梁交接處均以彈簧14單元連接；通過初應(yīng)變方法施加索力，并通過實測索力和線性進行結(jié)構(gòu)初平衡；坐標系原點選在邊墩橋面板中下部，沿橋梁縱向為Z軸，以豎向為Y軸，橫向為X軸。
[0017]作為優(yōu)選，所述步驟3)中的環(huán)境振動試驗，到結(jié)合梁斜拉橋現(xiàn)場布置測點，通過采集儀器采集三向加速度數(shù)據(jù)，分別基于峰值法和隨機子空間方法進行系統(tǒng)參數(shù)識別，得到結(jié)合梁斜拉橋?qū)崪y的自振頻率和振型。
[0018]作為優(yōu)選，所述步驟3)中所述兩階段響應(yīng)面模型修正，即將響應(yīng)面方法分別應(yīng)用于多尺度建模修正和模型參數(shù)修正中，其步驟為:①將精細有限元建模計算得到的頻率值作為多尺度模型的目標值，并基于三階響應(yīng)面方法對多尺度建模過程中設(shè)定的截面實常數(shù)進行修正；②將環(huán)境振動試驗得到的實測頻率作為目標值，并基于三階響應(yīng)面方法對初步修正后模型的材料參數(shù)、支座參數(shù)進行修正。
[0019]作為優(yōu)選，所述步驟4)中確定結(jié)合梁斜拉橋上的傳感器布設(shè)種類和傳感器布設(shè)位置，是根據(jù)修正后的結(jié)合梁斜拉橋多尺度有限元模型靜力分析結(jié)果中內(nèi)力和位移最大值及動力分析結(jié)果中動位移最大值為傳感器布置位置。
[0020]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
[0021](a)由于結(jié)合梁斜拉橋的簡化模型分析，常規(guī)的傳感器布設(shè)方法很難對易損部位進行傳感器布置，本方法通過兩階段多尺度方法修正后的全橋模型進行二次分析，能夠更加有效把握全橋結(jié)構(gòu)的受力特性，進而判斷結(jié)構(gòu)的易損部位，以便能對傳感器的布設(shè)提供詳細的參考依據(jù)；
[0022](b)本發(fā)明的方法通過進行環(huán)境振動試驗獲取結(jié)構(gòu)的實際動力特性，并對多尺度有限元模型進行了兩階段響應(yīng)面的修正，使結(jié)構(gòu)的有限元模型與實際結(jié)構(gòu)更為接近，以便全橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析過程中能夠更加準確的得到結(jié)構(gòu)的易損部位，可以保證結(jié)合梁斜拉橋健康監(jiān)測傳感器系統(tǒng)的更加合理性、可靠性、有效性，更加有利于橋梁健康監(jiān)測的安全預(yù)警與安全預(yù)后的準確性。該方法還可以用于其他各種復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的結(jié)合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)方法流程圖。
【具體實施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0025]本發(fā)明基于兩階段多尺度模型修正的結(jié)合梁斜拉橋傳感器布設(shè)方法的流程圖如圖1所示。具體實施例為:大橋主橋采用雙塔雙索面半漂浮5跨連續(xù)結(jié)合梁斜拉橋。主梁采用工字型梁，鋼縱梁、鋼橫梁、小縱梁通過節(jié)點板及高強螺栓連接形成空間鋼架，鋼架上架設(shè)預(yù)制橋面板，現(xiàn)澆膨脹混凝土濕接縫，與鋼梁上的抗剪栓釘形成整體，組成結(jié)合梁體系。
[0026]首先，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計采用通用有限元軟件建立全橋結(jié)構(gòu)的整體精細有限元模型，實橋中采用大型有限元分析軟件模擬，采用實體45單元模擬索塔和橋面板；主梁及小縱梁采用塑性大應(yīng)變殼43單元進行模擬；斜拉