环境激励下大跨度连续刚构桥动力分析模型修正

为了快速准确地对黄河某特大桥进行损伤识别,采用了一种环境激励状况下,基于优化理论的有限元模型修正方法.首先通过振动测试,利用环境激励下的功率谱峰值法,获得模态参数.使用ANSYS建立桥梁的参数化有限元模型,选取灵敏度高的刚度参数,根据最优化理论进行迭代修正,最终得到了黄河某特大桥有限元修正模型.通过对有限元模型进行动力特性分析,结果表明:修正后模型的模态特征值与实测值吻合度更好,前20阶主要振型的频率误差基本在2%以下,精度较高;修正后,桥梁混凝土整体弹性模量确定在每平方毫米340 000～370 000N之间,箱梁刚度分布基本符合现场的表观损伤调查结果.在正常通车情况下即可检测桥梁,无需交通管制,相对传统的人工激励方式,不会对桥梁构成额外伤害;利用现有的有限元软件ANSYS,不用计算繁琐的质量、刚度矩阵即可进行损伤识别,适合于大跨度连续刚构桥损伤识别的应用.     

弯钢箱梁桥的动力分析及模态试验

针对大曲率弯钢箱梁桥的动力特性,通过大型有限元程序分别建立单梁模型、梁格模型及板单元模型,进行了数值仿真分析,同时利用力锤冲击法对室内模型进行了模态试验,并将试验结果与数值分析结果进行对比分析.结果表明,单梁法不适于计算横向模态,普通的梁格法可以较好地模拟弯箱桥竖向和扭转的动力性能,但不应考虑主梁静力计算时横向刚度的换算关系,同时论文提出了一种竖向梁格单元划分法,可以较好地计算弯箱梁结构横向的动力性质,证明梁格法模型可以用于计算该类桥梁的动力特性分析.     

部分斜拉桥力学性能分析

平顶山市湛河一桥主桥为双跨独塔单索面矮塔部分斜拉桥,为了分析该桥梁的力学性能,采用大型有限元通用软件ANSYS进行建模,主梁和塔采用空间梁单元(beam188)进行离散,拉索采用只承受拉力的空间杆单元(link10)模拟,建立了该桥梁的有限元计算模型,分别计算了桥梁的内力、自振频率和振型.计算结果表明,对于该矮塔部分斜拉桥,拉索对主梁的轴力和弯矩影响较大,主梁的刚度对桥梁整桥自振频率影响较大,该桥梁低阶振动主要表现为桥梁的整体竖向振动和横向振动.计算结果可为该桥的施工控制及使用阶段的健康检测和维护提供参考.     

津保铁路矮塔斜拉桥的动力特性

以津保铁路矮塔斜拉桥为例,应用大型有限元软件Midas／Civil对该桥建立全桥模型,采用子空间迭代法对其进行动力分析,得出该桥的自振频率和振型,并讨论了边界条件对其动力特性的影响．计算结果表明：设置辅助墩能明显提高结构的整体刚度,并对结构的自振频率和振型有较大影响．研究结果可为同类型矮塔斜拉桥的设计和施工提供参考．     

多塔斜拉桥交叉索的纵向约束刚度

为明确交叉索对于提高多塔斜拉桥刚度的效果,建立带跨中交叉索多塔斜拉桥的力学模型.选取一个主跨作为隔离体,并将部分交叉索等效为竖向弹簧,研究交叉索的作用机理,推导交叉索对桥塔纵向约束刚度的解析公式.研究表明,当桥塔发生纵桥向位移时,梁段重量在交叉索中重新分配,导致交叉索的索力发生改变,从而产生对桥塔的约束作用.交叉索对桥塔的约束作用取决于交叉索的长度,水平投影长度以及交叉索的轴向刚度.建立三塔四跨有限元模型对解析公式进行验证,有限元结果与公式理论值符合良好,公式可有效估算交叉索的纵向约束刚度.数值分析表明,采用交叉索与增大桥塔或主梁刚度均能有效增大结构刚度,在桥塔及主梁刚度较低时,交叉索对增大结构刚度的效果尤其明显.     

钢腹杆PC组合梁桥抗弯性能

为研究钢腹杆PC组合梁桥的抗弯性能,开展了钢腹杆PC组合梁模型试验,研究了钢腹杆PC组合梁混凝土顶底板应变与主梁变形等随荷载的变化规律,揭示了组合梁弯曲应变沿截面高度的分布规律,得到了组合梁的破坏模式;进行了钢腹杆PC组合梁有限元参数分析,探讨了主梁高跨比和偏载效应对钢腹杆组合梁抗弯性能的影响;提出了钢腹杆PC组合梁截面开裂弯矩、钢筋屈服弯矩和极限弯矩计算方法。研究结果表明：钢腹杆PC组合梁桥的破坏过程包括弹性阶段、开裂弹性阶段、弹塑性阶段和失效阶段。在弹性阶段和开裂弹性阶段,钢腹杆PC组合梁截面顶底板变形满足“平截面假定”。钢腹杆PC组合梁跨中截面的变形与应力随高跨比的增大而减小。对于自重较小的钢腹杆组合梁桥,偏载对组合梁变形与应力的影响较大,且变形与应力增大系数随高跨比的增大而增大。与有限元和试验结果相比,本文提出的钢腹杆PC组合梁开裂弯矩、钢筋屈服弯矩和极限弯矩的计算方法具有较高的精度。     

汽车后扭力梁结构的模态分析

为揭示某汽车后扭力梁在实际道路激励工况下容易出现振动疲劳的机制,需要对结构固有振动特性进行分析。为了得到后扭力梁结构更为准确的固有振动特性,对模态试验中的悬挂位置、激励位置和测点位置的布置方式进行重点分析,并结合结构的实际情况进行优化。采用优化后的最佳模态试验法识别后扭力梁结构在自由-自由工况下的模态参数,得到结构固有频率和振型特征。通过对比可知：后扭力梁结构前10阶自由模态频率吻合很好,误差控制在6%内。这表明采用优化后的模态试验方案能够更为准确地识别结构的模态频率,得到结构固有振动特性。     

开口断面斜拉桥主梁动力特性的有限元简化计算

以1座5X索面开口断面大跨径斜拉桥为例,探讨了采用3种主梁简化模型计算开口断面动力特性的差别。结果表明：对于纵飘、侧弯及竖弯各阶固有动力特性,采用单主梁模型、主梁壳单元模型、三主梁模型计算的结果基本一致,将3种模型的动力特性计算用于抗震分析时,结果相差不大;而采用单主梁模型会低估抗扭刚度,对桥梁结构扭转频率产生较大的误差;三主梁模型和主梁壳单元模型结果相近,桥梁抗风分析时不宜采用单主梁模型。     

预应力连续箱梁桥的动力有限元模型修正

以张家港河大桥为对象,建立主桥的初始有限元模型,基于频率指标和振型相关系数指标,定义了相比传统更合理的目标函数,利用实数编码加速遗传算法,基于环境激励模态试验的前7阶模态参数,对其初始有限元模型进行修正,并利用后3阶模态参数,对修正后有限元模型的预测能力进行评估。由修正结果和预测能力可知,采用上述指标定义的目标函数和实数编码加速遗传算法,对预应力混凝土连续梁桥的有限元模型进行修正,获得准确反映其实际动力行为的有限元模型。     

连续多跨矮塔斜拉桥力学性能分析

以开封黄河二桥主桥为研究对象,采用有限元程序Midas/civil对该桥进行了力学性能分析.计算结果表明:由于该桥塔高与跨径之比较大,斜拉索承担较多的竖向荷载,能有效降低主梁支点截面的高度和内力;主梁的内力与变形表现为多跨连续梁的受力特点,主梁基本全截面受压,轴力分布较为均匀,在桥塔根部支点处出现较大正弯矩,跨中出现负弯矩;主梁刚度较大,整体变形以向上为主,变形量较小;主塔只起到拉索转向块的作用,纵向受力较小,故各塔顶纵桥向位移较小,在中等跨径范围内,可采用多跨矮塔斜拉桥方案解决普通多跨斜拉桥的刚度问题;每根塔柱两侧拉索的拉力由内向外依次小幅增大,总体分布均匀,边跨索索力最大,活载作用引起的拉索应力增幅较小;桥梁结构在非对称活载作用下的受力更为不利;各构件控制截面应力及变形均在桥梁设计规范规定范围内,且具有足够的安全储备,桥梁结构受力合理.     

汽车荷载作用下曲线简支梁桥的动力响应

在建立6参数1/4汽车模型和每节点7个自由度的桥梁有限元模型的基础上,研究了汽车荷载作用下曲线简支梁桥的动力响应.通过数值模拟,分析了简支弯箱梁桥的动力特性,同时研究了不同的曲率半径、偏心距、弯扭刚度比、行驶速度等因素对动力放大系数的影响.结果表明：并非所有的前5阶桥梁自振频率随曲率半径的增加而增加;当参数改变时挠度和扭转角的动力放大系数的变化规律并不相同,相同条件下扭转角动力放大系数的变化较挠度动力放大系数的变化明显.     

钢拱塔斜拉桥的温度耦合效应和索力预测

钢拱塔斜拉桥的受力体系与传统斜拉桥有所不同,为研究环境温度变化对这种异形桥塔斜拉桥主要受力部件的影响,以某钢拱塔斜拉桥为工程背景,首先基于在线监测获取的环境和部件温度数据,分析斜拉索索力、拱塔倾角和主梁应变的温度时变效应;然后以斜拉索为研究对象,通过该桥的有限元模型升降温模拟,分析各部件温差引起的温度耦合效应对拉索索力的影响;最后以环境温度、主梁温度、桥塔温度为输入,索力为输出,利用长短期记忆神经网络对实测索力-温度数据进行映射,实现数据压缩和特征提取,建立温度-索力预测模型,再对网络模型输入新的温度监测数据,以预测索力。研究结果表明：主梁和钢拱塔温度变化具有周期性,且滞后于环境温度;主梁应变与环境温度的变化趋势基本一致但具有一定的滞后性,环境温度变化对拱塔倾角的影响很小且没有周期性规律;索力与环境温度呈线性负相关,且需要考虑斜拉桥各部件的温差所引起的温度耦合效应;长短期记忆神经网络对带有时序特性的数据训练效果好,建立的温度-索力关系模型准确度高,可用于该桥索力的实时预测。     

单斜塔混合梁斜拉桥计算分析与试验

为了解桥跨结构的实际承载能力,研究其在使用荷载下的静、动力性能,针对—（112＋48）m单斜塔双索面混合主梁斜拉桥进行结构受力分析,并进行成桥的静载与动载试验。采用专用程序建立全桥的有限元模型,分析设计荷载下的桥跨结构的荷载效应及其分布。根据桥跨结构的受力特性,针对主跨钢箱梁及边跨混凝土梁以及塔的最不利弯矩截面进行静载试验,测试对应梁体、塔的应力以及梁体、塔顶的位移,并进行斜拉索的索力测试。静载试验结果表明,桥跨结构实际受力状况与计算模式相符较好;静载下主跨钢箱梁,边跨混凝土梁及塔的实测应力相对较低;静载下几何位移基本小于计算值,说明实际桥跨结构具有良好的结构强度与刚度。同时采用脉动法进行自振特性测试,并进行行车、跳车激振试验,动力试验表明桥跨结构动力特性良好。     

斜拉桥Ⅱ形主梁剪力滞影响因素分析

通过三维有限元模型对Ⅱ形梁斜拉桥主梁剪力滞特性进行了参数分析,主要考虑了预应力、桥面横坡以及小纵梁的影响,并将有限元模型结果与实桥检测数据进行了对比,验证了其可靠性。结果表明：预应力对Ⅱ形截面斜拉桥主梁轴向应力的横向分布规律有明显影响,计算中不可忽略预应力束的影响;桥面横坡也是影响Ⅱ形截面主梁斜拉桥剪力滞效应的一个重要因素,尤其是对顶板中央处的纵向正应力影响较大;在桥面板沿纵向增设小纵梁是减小剪力滞效应的一种有效方法,对于高度较小的纵梁可以显著改善应力分布。     

基于有限元与小波变换的弹性地基梁损伤识别方法研究

采用转角模态的小波分析方法研究了带刚度下降损伤段的弹性地基梁损伤识别问题.利用有限元分析求解带刚度下降段的模态参数,建立了基于转角模态小波变换识别弹性地基梁损伤的方法.以两端简支弹性地基梁为例,分别给出了地基梁无损伤、梁单独损伤、梁和弹簧同时损伤且损伤位置不同的有限元模型,计算得到了结构的转角模态,并通过转角模态小波分析来识别弹性地基梁内刚度下降段的位置.从识别结果发现,存在随机噪声的情况下,运用了转角模态小波变换方法,仍能识别出地基梁的刚度变化截面.数值算例证实了该方法的有效性和稳健性,研究结果对实际工程中的结构损伤诊断提供参考.     

Structural finite element model updating using incomplete ambient vibration modal data

This paper presents an effective approach for updating finite element dynamic model from incomplete modal data identified from ambient vibration measurements. The proposed method is based on the relationship between the perturbation of structural parameters such as stiffness and mass changes and the modal data measurements of the tested structure such as measured mode shape readings. Structural updating parameters including both stiffness and mass parameters are employed to represent the differences in structural parameters between the finite element model and the associated tested structure. These updating parameters are then evaluated by an iterative solution procedure, giving optimised solutions in the least squares sense without requiring an optimisation technique. In order to reduce the influence of modal measurement uncertainty, the truncated singular value decomposition regularization method incorporating the quasi-optimality criterion is employed to produce reliable solutions for the structural updating parameters. Finally, the numerical investigations of a space frame structure and the practical applications to the Canton Tower benchmark problem demonstrate that the proposed method can correctly update the given finite element model using the incomplete modal data identified from the recorded ambient vibration measurements.     

悬索桥桁架加劲梁动力等效成等截面欧拉梁方法

针对悬索桥桁架加劲梁在数值计算、模型设计中简化问题,基于单独桁架加劲梁动力特性分析结果,以竖弯、侧弯、扭转基频相等为原则,推导并给出了不同边界条件（悬臂和两端固结）对应等截面欧拉梁等效质量惯性矩,等效抗弯刚度和等效抗扭刚度简化计算公式,然后将该计算式应用于某主跨576 m板桁结合梁悬索桥加劲梁等效分析. 结果表明:基于动力特性等效方法非常简单有效;所有基于欧拉梁的等效方法均存在无法考虑桁架梁抗剪性能的缺点,越长的桁架加劲梁越接近纯弯欧拉梁,悬臂边界的桁架梁比两端固结的桁架梁更接近欧拉梁,在等效悬索桥桁架加劲梁时应选用尽量长的精细化桁架梁段和悬臂式的约束边界条件.     

某下承式拱桥车振动力性能分析

为研究下承式拱桥在移动车辆荷载作用下的动力性能,对某下承式拱桥建立三维有限元模型,并通过环境振动试验对该桥进行模态参数识别,以此验证有限元模型的可靠性。在不同车速荷载作用下对该桥梁的动力响应进行了对比分析,并在此基础上采用狄克曼舒适度评价指标对桥梁进行车振舒适度评价。结果表明:冲击系数的大小不仅和结构基频有关,还与车辆的行驶速度有关,车速越大冲击系数越大;桥梁的横向舒适性较好,竖向舒适性较差。       

基于主梁轴力的部分地锚斜拉桥极限跨径及关键部位力学响应

为了解决部分地锚斜拉桥极限跨径不清晰的问题,以钢主梁极限抗拉、抗压强度相等即跨中地锚段主梁所受拉力和塔根处主梁所受压力相等为前提,基于斜拉桥索膜理论,求解部分地锚斜拉桥极限跨径,并得到极限锚跨比.推导了部分地锚斜拉桥极限跨径下的关键力学响应并与有限元解进行对比.研究结果表明:基于主梁轴力的部分地锚斜拉桥极限跨径约为普通自锚斜拉桥的1.4倍,其极限锚跨比约为0.293;近似计算公式推导的部分地锚斜拉桥关键力学响应与有限元结果基本吻合,误差产生的主要原因是实际桥梁结构中拉索布置体系通常为扇形而非辐射型.公式能满足概念设计阶段的要求,适用于快速分析部分地锚斜拉桥的受力特征与关键响应.     

基于柔度矩阵法的大跨斜拉桥主梁的损伤识别

根据柔度矩阵的概念,构造出了一个损伤指标.采用有限元方法,对1座设定主梁不同位置发生损伤的大跨度预应力混凝土斜拉桥进行动力特性分析,提出了利用局部最优原则并根据指标曲线峰值点来对损伤进行判定的方法.研究表明,损伤指标可对主梁结构中不同位置设定的损伤进行识别判断;损伤指标随着结构损伤程度的增大而增大,当结构损伤程度不超过40%时,两者之间呈现出线性比例关系,而当结构中产生了很严重的损伤时,损伤指标随着损伤程度的增大而以幂指数的形式剧烈增大.损伤指标的识别精度与测点数目及测试误差有关,当测点数目减少一半时,损伤指标仍可识别出结构中设定的损伤,对模态参数做多次平均处理,有助于减少测试误差,提高损伤指标的识别精度.