系杆拱桥主梁模态参数温度影响机理研究

发布时间：2020-07-29 15:03

【摘要】：运营状态下桥梁结构健康监测是通过对桥梁的结构行为进行模态跟踪,应用回归分析和统计模式识别的方法,来确定结构本身的动力特性,并以此为依据对结构的整体健康状况及结构变化给予相应的评价。然而,在自然环境激励下,根据系统响应模态参数识别得到的桥梁结构模态频率不仅与其结构自身刚度、质量等参数有关,还会因温度、交通荷载以及风等的环境影响而发生改变。其中,温度作为最主要的影响因素,其变化引起的模态参数波动能掩盖结构的轻微损伤,造成对结构动力特性的曲解,进而导致对结构损伤识别、损伤定位、损伤程度的误判。所以,探究温度对桥梁结构模态频率的影响机理,能够为以预测、消除温度影响,并区分温度变化与结构本身变化所引起的结构模态参数变异为目的的相关研究提供借鉴,具有重要的研究意义。本文以系杆拱桥结构作为研究对象,将其等效成将连接梁与拱的钢索作为弹性支撑的多跨弹性支撑梁,从而方便建立微分振动方程进行模态频率的求解,并分别以模态频率随温度变化的三个敏感条件:结构材料特性,两端边界条件和温度分布方式作为变量,从理论上明确桥梁模态频率的温度影响方式及变化规律。为了探究结构材料特性变化的模态频率温度影响机理,通过建立多跨弹性支撑梁的模态频率方程,对模态频率表达式中温度敏感变量进行变分运算求解,得出弹性模量是温度改变结构材料特性影响模态频率的主要原因;为了探究梁端多余边界条件的温度影响机理,将温度作用下的等效轴力作用于多跨弹性支撑梁结构模型,建立包含两端轴向力的模态频率方程,从而确定轴向力与模态频率的关系。采用上述方式理论上得出的这两种温度敏感条件对模态频率的影响方式,都在三跨连续梁数值模型的模态频率温度影响数值分析中得到验证。为了探究温度分布方式的模态频率温度影响机理,应考虑钢索作为等效弹性支撑的刚度可变性。不同的温度分布,包括主梁温度梯度和钢拱温度,都会通过使结构产生变形而改变钢索的力学性能,造成结构模态频率的波动。经过理论推导确定温度变形与钢索等效弹性支撑的刚度变化的关系,并在对简易的梁拱组合数值模型的模态频率温度影响分析中进行了验证,得出影响梁拱组合结构模态频率变化的温度分布方式的主导是主梁温度梯度。通过模态试验结果对深圳大沙河桥有限元模型进行修正,并对其进行模态频率温度影响的数值研究,以此来验证前文所提出的温度影响理论的正确性。在数值分析中,影响大沙河桥的温度敏感条件有两个,即弹性模量与截面温度梯度。根据结果分析确定了截面温度梯度所造成的模态频率变化要远大于弹性模量改变所引起的影响。通过对大沙河桥结构开展模态频率温度影响试验研究,探究每一天的主梁结构模态频率波动规律,进而验证主梁模态频率与截面温度梯度的相关关系因掩盖了弹性模量引起的负相关趋势,而与前文得到的正相关结论相一致,更通过变形监测与钢索频率识别明确主梁截面温度梯度对模态频率的影响方式。此外,在对长期的模态频率变化现象的研究中,发现长期平均温度变化能通过改变结构材料的弹性模量使结构模态频率发生整体偏移。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U448.22
【图文】：

三跨连续,振型,数值分析,模态振型

三跨连续梁前3阶振型从表2-1的模态频率和图2-4中的模态振型的数值分析结果可以看出，当

弹性模量,变化率,频率,模态频率

性模量随温度的变化值进行估计，见表2-2。表2-2 钢材不同温度下的弹性模量） 0 10 20 30 40 ）112. 074 10112. 067 10112. 060 10112. 052 10112. 045 10用ANSYS有限元软件的数值模拟中，以不同温度下的结构材进行模型材料参数的修正，将得到的模态频率分析结果进行度工况作为参考得到前3阶频率变化率，如图2-5、2-6、2-论上分析，结构材料的弹性模量值是随着温度的升高而降低过改变结构材料的弹性模量而与结构模态频率呈线性负相关-6，图2-7中的3阶模态频率的变化率可以看出，不同支撑刚撑梁的模态频率，都因弹性模量改变而与温度呈线性负相关支撑刚度及频率阶次有关。该结果是与前文推导的频率变化式（2-40）是一致的。

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图 2-6 .2 阶频率随弹性模量变化率图 2-7 .3 阶频率随弹性模量变化率，当 S 0和6S 10时，图中的各阶频率变化率在不同温度工线性一致并重合，且与支撑刚度及频率阶数均无关。这也满为在公式（2-40）中 0E ，其频率变化率仅与E 有关，也

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