基于实测数据的高墩大跨混凝土梁桥高精度有限元模拟方法

高墩大跨混凝土梁桥在我国沟壑峡谷地区应用较为广泛。针对这种桥梁混凝土结构施工难度较大且施工周期较长的特点,提出了一种适用于该桥型成桥阶段的力学性能分析的高精度有限元建模方法。该方法首先建立初始有限元模型,然后根据混凝土桥梁的实际施工情况以及荷载试验实测数据对该有限元模型中的结构参数进行修正,获取桥梁在运营阶段荷载作用下的准确的力学响应模型。以一座四跨混凝土连续刚构箱梁桥为依托工程建立了有限元模型,并根据其实际施工误差和结构特点确定了4个结构参数作为待修正参数,采用响应面法根据桥梁实桥加载数据对其结构参数进行了修正。结果表明,采用修正后的结构参数建立的有限元模型与实桥加载数据吻合良好,有限元模型计算精度得到了显著提高,可真实反映桥梁实际结构的受力状态。该方法可为桥梁结构运营期间的健康监测、状态评估、损伤检测提供可靠的分析手段。     

基于响应面法的钢管混凝土组合桁梁桥多尺度有限元模型修正

为建立适用于钢管混凝土桥梁的高效、高精度有限元分析模型，提出一种基于响应面法的全桥多尺度有限元模型修正方法。首先以一座钢管混凝土组合桁梁桥为工程背景建立包含全桥、组合桁梁桥面板以及钢管混凝土桁架杆件3个尺度的ABAQUS全桥多尺度有限元模型。在考虑钢管混凝土结构的特点和施工误差的基础上选取桥面板混凝土弹模、厚度，桁架弦杆内混凝土弹模，钢材弹模以及加载车辆荷载5个影响因素作为待修正参数；根据实桥试验条件选择中跨跨中挠度、下弦空管弦杆应力、墩顶钢管混凝土弦杆应力、墩顶受压腹杆应力以及桥面板顺桥向应力5个目标函数。其次采用中心复合设计方法生成了待修正参数的样本集，并将每组参数样本代入有限元模型进行计算。进而采用响应面法建立待修正结构参数和目标函数的2次多项式函数关系，结合参数显著性分析得到响应面方程。最后结合实桥试验结果对多尺度有限元模型3个尺度上的结构参数进行同步修正。结果表明：修正后的参数变化情况与依托工程的实际施工情况相符；采用修正后的参数建立的多尺度有限元模型计算值与实桥试验结果吻合良好；修正后的有限元模型具有较高的精度，可真实反映实际工程中桥梁结构的受力状态。该修正方法可为桥梁结构运营期间的健康监测、状态评估、损伤检测提供可靠的分析手段。     

基于加权Kendall相关系数和序贯代理模型的有限元模型修正

为了提高桥梁结构有限元模型修正的效率和效果，提出基于加权Kendall相关系数和序贯代理模型的有限元模型修正方法。首先，建立基于目标响应误差和待修正设计参数灵敏度的加权Kendall相关系数指标，并采用凝聚层次聚类算法，合理确定待修正设计参数的数量和位置，保证待修正设计参数对目标响应具有合适的解耦能力；其次，为解决传统一次性代理模型法在构造代理模型过程中产生的欠采样或者过采样的问题，采用基于FLOLA-Voronoi通用序贯设计策略的序贯代理模型法，提高构造代理模型过程中试验设计样本的利用率和模型修正效率；最后，根据一座斜拉桥的静动力荷载试验数据进行有限元模型修正。结果表明：基于FLOLA-Voronoi算法的序贯代理模型能够合理地确定构造代理模型所需的样本数量和位置，使得在相同样本数量的情况下，序贯代理模型比一次性代理模型具有稍好的精度指标；采用加权Kendall相关系数指标的聚类方法可以得到具有合适解耦能力的待修正设计参数，使得修正前大误差目标响应的误差显著下降，小误差目标响应的误差基本都处于合理范围内，有效地降低了目标响应的整体误差；同时，有限元理论静动力响应与实测静动力响应的平均误差分别由5.56%、8.43%降低至1.87%、3.41%，并且相较于常规方法，修正精度更好，所提方法可以用于桥梁结构有限元模型修正，可得到准确的桥梁结构数值模型。     

基于响应面方法的桥梁静动力有限元模型修正

提出了一种基于响应面方法的桥梁静动力有限元模型修正技术,并成功地应用到了常德市白马湖公园虹桥的有限元模型修正当中.利用结构静载位移和振动频率等现场实测静动力响应,构造联合静动力的结构有限元模型修正的目标函数,在相关指标灵敏度分析的基础上筛选待修正参数,并利用响应面方法拟合桥梁静动力响应的代理模型.最后利用响应面替代模型(Meta-model)对该桥进行有限元模型修正,使得桥梁响应的实测值与计算值达到较好的吻合程度,经过修正后的有限元模型能够反映该斜拉桥的静动力特性,可以作为该桥的基准有限元模型.     

桥梁结构有限元模型的仿射-区间不确定修正

为获得桥梁结构的基准状态，考虑测试和结构参数的不确定性，将区间分析、仿射算法引入响应面有限元模型修正方法中，建立了一种新的桥梁结构有限元不确定模型修正方法。在讨论结构特点及力学行为的基础上，选择了待修正结构参数和结构响应后，采用均匀试验设计方法获得试验样本，同时结合多样本的有限元分析，采用F检验法得到结构响应的显著性参数。基于有限元模型修正的响应面方法，构建结构的响应面替代模型后，引入区间分析算法的自然拓展，将响应面模型拓展为区间响应面函数，同时采用仿射算法解决区间分析的区间扩张问题，构建桥梁结构有限元模型的仿射-区间不确定修正方法，并采用遗传算法进行区间优化求解。另外，针对区间响应面有限元模型修正的具体需求，提出了区间响应面函数的两步验证方法。用斜拉桥振动台模型桥梁在不同工况下的测试模态参数和斜拉索索力，对其进行有限元模型的不确定修正，实现了实测响应与有限元计算响应间误差的最小化。区间响应面函数的两步验证证实了参数修正范围和结构响应的有效性和正确性，修正后结构纵向、横向、竖向的一阶，二阶频率以及索力的实测响应均在计算响应范围内。验证结果表明：所提有限元不确定模型修正方法，能有效实现桥梁结构有限元模型的修正。     

板桁结合连续梁桥计算模型优化分析

运营中的公铁两用桥梁由于受到交通振动荷载的影响,极易产生疲劳失稳,故有效的桥梁健康状态力学评估模型的确定至关重要。以结构固有频率和动力响应作为目标函数,利用ANSYS有限元软件优化设计模块,通过最优效率算法反复迭代,确定实际结构与模型动力特性差异最小时对应参数。结果表明:修正后的板桁结合连续梁桥有限元计算模型,可用于桥梁健康状态力学评估检算,该模型可有效模拟结构扰度响应量,其最大误差仅为8%。研究成果可为依托工程和类似工程提供参考和借鉴。     

基于模型修正梁格法的车桥耦合振动分析系统

首先以一座钢桁架连续梁桥为工程实例,建立尽可能考虑结构特点的初始有限元模型,并结合现场试验采集的静、动力实测数据,建立考虑变形、频率及振型等静、动力信息的多目标函数,通过有限元模型修正获得能够反映结构真实状态的基准有限元模型;其次介绍了梁格法桥梁车桥耦合振动分析模块以及静载试验整车加载模块编制思路,并嵌入自行研发的桥梁结构动力分析软件BDANS;最后将修正后的有限元模型输入至自行研发的梁格法车桥静动力分析模块,并将静动力荷载工况下的实测响应、BDANS计算值与通用软件ANSYS计算值三者进行了相互校核和对比。结果表明:BDANS静力分析模块的计算结果与ANSYS静力计算结果完全吻合,BDANS动力分析模块在不同行车工况下的动力计算响应趋势与实测响应趋势保持一致,从而验证了该分析模块的可靠性。     

矮塔斜拉桥荷载试验方案分析

对制定矮塔斜拉桥的荷载试验方案进行了分析,以大广高速公路黄龙带特大桥为依托,建立有限元模型,分析矮塔斜拉桥的结构受力特性,确定荷载工况与试验截面,计算试验荷载大小与位置,对加载工况进行合并,依据理论计算制定合理的静动载试验方案。可为同类型的桥梁荷载试验提供参考。     

基于健康监测的大跨径桥梁车辆荷载效应分析

健康监测系统记录了大跨径桥梁在各类荷载作用下的响应特性,可以用于桥梁运营荷载的评定及结构性能评估。本文依托某斜拉桥健康监测位移数据,首先基于动力测试结果对桥梁有限元模型进行了修正,获得了规范车辆荷载作用下的位移响应,这是桥梁性能评估的基础参考;其次分别采用移动平均法和平滑窗口法分析了车辆荷载作用下的位移响应分量;最后,基于车辆荷载效应通过构建极值模型外推了不同评估周期内位移响应极值。研究表明该桥梁在超过10年评估周期就会出现外推位移极值超过规范计算水平,存在一定的风险,届时需要加强过桥车辆管理及桥梁状态监测。     

既有钢管混凝土拱桥的有限元模型修正

有限元模型修正技术最早应用于航空和机械领域,用于自动修正结构模型使数值模型和试验模型相匹配。在过去的十年里,有限元模型修正技术已经被引进到土木工程领域。在既有桥梁的工作状态和使用安全评估中,需要建立能够精确模拟结构目前工作状态的有限元模型。该文以一座既有的钢管混凝土拱桥为例,在参数灵敏度分析的基础上,以结构设计参数为修改参数,构造联合频率和挠度的目标函数,借助ANSYS的优化设计功能对该桥的有限元模型进行修正。修正后模型计算结果和实际测试结果更加接近,其中跨中挠度的最大相对误差只有6%,频率的最大相对误差为9%。修正结果表明:这种联合静动力的模型修正方法物理概念清楚,能充分利用静动力测试数据,经过修正后的有限元模型能够反映该桥的实际工作状态。     

基于灵敏度分析的双塔斜拉桥有限元模型修正优化

为了获得精确度更高的桥梁有限元模型，基于静动载试验结构响应数据及参数灵敏度，采用基于灵敏度分析理论和序列二次规划法对苏通长江大桥有限元模型进行修正优化，对比分析研究模型静力位移修正优化、动力频率修正优化和联合静动力修正优化的结果。结果表明：联合静动力优化后的模型结构自振频率更加接近结构实际自振频率、参数变化更合理且结构材料参数更符合成桥阶段的变化。     

基于结构有限元模型修正的混凝土桥梁技术状态评估

通过对桥梁结构动静荷载试验中有关自振频率评定标准及荷载校验系数等技术问题的讨论,分析了其不合理部分,强调了桥梁结构检算中混凝土材料真实弹性模量的重要性,进而给出了4种混凝土弹性模量的识别方法;在此基础上,利用修正后的结构有限元模型,保证了结构动、静力分析结果的可靠性,为混凝土桥梁技术状态和承载能力的合理评定提供了科学依据,保证了桥梁运营的安全性和耐久性.     

PC矮塔斜拉桥运营阶段参数敏感性分析

以洪溪特大桥工程为依托,结合设计资料通过数值模拟软件建立有限元模型,选取拉索索力、预应力、桥面铺装层厚度以及混凝土徐变系数为控制对象,对PC矮塔斜拉桥运营阶段主梁的应力和位移进行敏感性分析,得出主梁应力和位移随各参数的变化规律,为该桥梁运营养护管理提供借鉴和参考。     

一种基于元模型的桥梁静动力有限元模型修正方法

针对大型桥梁静动力有限元模型修正问题,提出一种基于元模型的修正方法。首先,对桥梁结构进行子结构划分,并利用人工神经网络算法建立修正参数与结构静、动力特性的关系模型(元模型);其次,分别以桥梁静动力测试结果作为有限元模型修正的优化目标,将桥梁静动力有限元模型修正问题转化为多目标优化问题,从而克服了采用单目标优化时,结构静力特性与动力特性目标之间的权值难以选择的问题;再次,通过元模型建立及多目标优化的方法进行结构有限元模型的修正。最后,利用一座钢管混凝土拱桥的静动力试验实测结果,对所提模型修正方法的适用性进行验证。结果表明:该方法具有较好的精度和适用性,可作为大型桥梁结构静动力有限元模型修正的一种实用方法。     

混凝土斜拉桥动力有限元建模与模型修正

为建立准确可靠的混凝土斜拉桥动力基准有限元模型,对1座大比例(1∶15)Ⅱ形截面主梁混凝土斜拉桥试验模型进行了模态测试,分别采用单主梁模式、三主梁模式、梁壳模式和实体模式建立了斜拉桥的初始动力有限元模型;以实测数据为依据,采用基于灵敏度的模型修正技术分别对以上初始有限元模型进行了修正,将修正前后的动力特性计算值与实测数据进行对比,讨论了不同模式建模方法的计算精度和模型修正效果,以及有限元建模的误差来源和模型修正的相关问题.结果表明:初始有限元模型计算误差主要是由建模误差和参数误差引起的;梁单元模型在建模方面有局限性,应根据不同的结构特点和分析目标建立相应的有限元模型;模型修正应与试验相结合,对引起有限元模型计算误差的各种因素进行全面的考虑,正确处理,才能得到符合实际的基准有限元模型.     

基于子结构的大型桥梁有限元模型修正方法

实际桥梁结构的整体有限元模型修正时自由度和单元数量较多,待修正参数多,有限元模型修正精度和效率低。为了提高有限元模型修正的效率,提出基于子结构的有限元模型修正方法。子结构方法是化整体分析为局部分析的方法,与直接修正大型桥梁有限元模型相比,子结构方法只需要计算每个子结构少量低阶模态,得到整体结构的特征解及特征解灵敏度,形成模型修正的目标方程和灵敏度矩阵,进而缩短模型修正时间。将基于子结构的模型修正方法用于怒江特大桥主桥(上承式钢桁拱桥)有限元模型修正,结果表明:修正后桥梁的前10阶频率与桥梁的模拟实测频率值相吻合,且模型修正时间仅为传统整体方法的56%。     

预应力混凝土简支转连续T梁结构核算

预应力混凝土简支转连续T梁桥因其结合了简支梁与连续梁的优点,是目前普遍应用的结构形式。随着运营时间的增长和交通流量的增大,越来越多的在役桥梁的承载力逐渐下降,使得桥梁的正常运营存在安全隐患。依托某预应力混凝土简支转连续T梁桥的现场检测和荷载试验,并采用Midas/Civil 2012有限元软件建立成桥状态的有限元模型,对桥梁的实际技术状况和承载力进行评定,对加强桥梁质量控制具有重要意义。     

桥梁健康监测系统在线结构分析及状态评估方法

为实时在线评估桥梁结构实测荷载与响应状态的相关性,提出桥梁健康监测系统的在线结构分析及状态评估方法。编制有限元分析程序内核,在程序内核中内嵌桥梁结构有限元模型,通过授权的数据库接口,读取健康监测系统中的实时荷载数据,对荷载数据进行统计分析,然后计算结构的理论响应值,并与健康监测系统中的结构实测响应值进行对比,对结构行为进行评估。某桥主桥为主跨460m的五跨连续双塔双索面半飘浮体系斜拉桥,应用该方法对该桥进行在线分析和状态评估,评估结果显示,根据实测荷载分析得到的结构响应和实测结构响应吻合较好,结构荷载和响应具有线性相关性,结构运营正常。     

连续刚构桥动力特性参数识别与有限元模型修正

以东营黄河公路大桥——大跨预应力混凝土连续刚构桥为对象,首先利用ANSYS建立了全桥的三维有限元模型并进行了理论模态分析;并应用频率分解方法(FDD)和特征系统实现算法(ERA)分析了该桥所安装的健康监测系统采集的加速度响应数据,进行了桥梁动力特性参数识别;最后,在所建立的初始有限元模型和识别的实际桥梁动力特性参数的基础上,采用模型修正的方法,得到了该桥修正的有限元模型。研究结果表明,通过该桥监测系统采集的加速度数据可以较好地识别其模态参数,所识别的模态参数可作为结构动力特性修正的依据;修正后的有限元模型能更真实地反映结构的动力特性,模型修正的结果较好地反映了实际桥梁的物理特性。该模型可以作为该桥梁长期健康监测与状态评估的基准模型。     

基于动载试验的变截面桥梁静载试验结果预测方法研究

为了解决既有桥梁荷载试验成本高、对交通影响大以及容易对桥梁结构造成损伤等诸多问题,提出基于廉价安全的动载试验数据,利用响应面方法对既有桥梁的实际刚度进行智能分析预测,从而达到高精度预测既有桥梁静载试验结果的目的。为实现上述目标,选取典型连续变截面刚构桥作为研究对象,尝试将桥梁主梁变截面参数化,对桥梁关键设计参数进行敏感性分析,并且建立Kriging响应面模型,实现对有限元模型的高精度修正。研究结果表明:基于Kriging模型的有限元模型修正方法能够利用桥梁动载测试结果对初始设计参数进行修正,并进一步预测静载试验结果;该方法成本低廉,对交通影响小且安全性高,这将节省大量的桥梁静载试验费用,同时能够对桥梁的静力行为进行全方面有效的分析和预测。研究结果可为既有桥梁工程的管养维护决策提供新的思路。