联合动静力信息的有限元模型修正方法研究

发布时间：2020-11-17 07:46

　　 有限元技术由于计算精度高,能适应各种复杂形状等优点,被广泛运用于桥梁结构分析当中。实际桥梁结构的有限元模型是基于有限元理论,对材料属性和边界条件等进行抽象和假设的基础上建立起来的,这样得出的分析结果是不严谨的。实际运用也验证了有限元模型输出的结构响应值与实测值存在差异。有限元模型修正通过优化模型,使结构的输出响应值与实测值不断逼近,使得最终建立的有限元模型能够真实反映桥梁结构的实际状态。模型修正方法的研究能够使初始分析模型更为精确,这有助于建立更加完善的桥梁健康监测系统,为桥梁结构的损伤识别和修缮加固工作提供帮助,也能够为设计者提供更为经济的设计思路等,具有相当大的工程应用价值。本文的主要工作包括:(1)对该课题的国内外研究历程进行了梳理,重点介绍了该课题的研究意义及难点,模型修正方法的基本原理、方法的分类及各自的适用范围和优缺点等。(2)对本文中运用在有限元模型修正中的两种方法-响应面法和子结构法进行了简单介绍,包括其基本原理和概念。重点对基于响应面法的有限元模型修正流程做了详细介绍,包括试验设计方法的分类和比较,待修正设计参数的选取及其显著性分析,响应面模型形式的选择、构建方法和精度验证方法,目标函数的构建,响应面模型优化算法的选择等。(3)对基于响应面法的模型修正技术的适用性开展了实例验证。基于一座人行弯桥,建立了有限元分析模型,选取结构特征值和显著参数,基于响应面法构建响应面模型并对初始有限元模型进行修正模拟,进而将该方法运用到该人行弯桥结构的损伤识别中。研究结果表明,响应面法在有限元模型修正和结构的损伤识别领域表现良好,具有很好的实用性。(4)对于大型复杂结构,基于响应面法和子结构的有限元模型修正技术同样适用。本文结合武汉三官汉江矮塔斜拉桥为背景,利用子结构法,对全桥进行了结构划分,使用初始设计参数建立了该桥有限元分析模型。通过均匀设计安排试验得到若干样本数据,拟合得出了响应面模型的数学表达式并进行精度检验。最后,使用该桥配备的桥梁健康监测系统采集的动、静力数据对目标函数进行迭代优化,从而获得显著设计参数的修正值。研究结果表明,将修正值代入到初始有限元模型中后,得到的结构响应值与实测值间的误差有较大的改进,验证了基于响应面法和子结构法的有限元模型修正技术在实际大型复杂工程结构中运用的可行性。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U441
【部分图文】：

进入 21 世纪，由于早期的建设水平和设计水平的不足，部分旧桥达不到段的规范要求，加上较长的服役时间，桥梁的通行安全需要重新进行评估。，由于开发者的投资着重于桥梁建筑在施工期间的投资成本和工期，而不是计使用年限内的总价值，导致设计人员将桥梁设计的重点集中在了施工成控制和结构的短期性能优化上，甚至将桥梁的视觉美观效果盲目的扩大化，梁结构的耐久性和使用年限被置于较低的优先级水平。再加上相当一部分梁设计方案并未考虑到在桥梁使用寿命内结构的维护修缮以及部件更换等列工作。因此很有必要对这些桥梁结构进行检测工作，判断出结构的损伤部损伤情况，进一步预测其剩余的使用寿命。在我国，由于各种主、客观原因，桥梁垮塌事件[1]时有发生。图 1-1 为陕水河大桥的坍塌现场，事故致使 316 国道旬阳至白河段交通中断。图 1-2 为江铁力大桥的坍塌现场，该桥其中一幅的中间 4 孔段（长 120 米左右）桥梁。通过查阅相关资料及新闻媒体的报道，收集了 2000 年以来我国坍塌的部梁，见表 1-1 所示。

进入 21 世纪，由于早期的建设水平和设计水平的不足，部分旧桥达不到段的规范要求，加上较长的服役时间，桥梁的通行安全需要重新进行评估。，由于开发者的投资着重于桥梁建筑在施工期间的投资成本和工期，而不是计使用年限内的总价值，导致设计人员将桥梁设计的重点集中在了施工成控制和结构的短期性能优化上，甚至将桥梁的视觉美观效果盲目的扩大化，梁结构的耐久性和使用年限被置于较低的优先级水平。再加上相当一部分梁设计方案并未考虑到在桥梁使用寿命内结构的维护修缮以及部件更换等列工作。因此很有必要对这些桥梁结构进行检测工作，判断出结构的损伤部损伤情况，进一步预测其剩余的使用寿命。在我国，由于各种主、客观原因，桥梁垮塌事件[1]时有发生。图 1-1 为陕水河大桥的坍塌现场，事故致使 316 国道旬阳至白河段交通中断。图 1-2 为江铁力大桥的坍塌现场，该桥其中一幅的中间 4 孔段（长 120 米左右）桥梁。通过查阅相关资料及新闻媒体的报道，收集了 2000 年以来我国坍塌的部梁，见表 1-1 所示。

图 1-3 武汉三官汉江公路大桥桥梁建设的进一步发展，矮塔斜拉桥在未来具有广泛塔斜拉桥的有限元模型修正进行研究对构建相配套的。此外，该研究还会推动以下几个方面的发展。过修正后的有限元模型进行分析计算，得到的动、静桥梁结构的实际特征。如桥梁的抗风问题和抗震问题桥梁结构的损伤识别领域[8]，尤其在能够确定损伤部用修正后的有限元模型可以实现损伤识别的目标。与以大量减少传感器的布设。另外，采用修正后的精确果才具有现实意义。过实桥的模型修正研究，减少了初始分析模型与实际实际，可以为同类型桥梁建模提供经验，优化设计。保养修缮工作提供理论依据。塔斜拉桥的有限元模型修正方法对于其他结构的模型值。
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本文编号：2887248