CN104866676A - 一种基于两阶段多尺度模型修正的结合梁斜拉桥传感器布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于两阶段多尺度模型修正的结合梁斜拉桥传感器布设方法，通过建立全桥结构的精细有限元模型，确定整体结构的易损部位，继而建立易损部位为小尺度，其他部位为大尺度的多尺度有限元模型，然后再通过环境振动试验获取实桥的动力特性，并采取两阶段响应面方法对结合梁斜拉桥多尺度有限元模型进行修正，得到更加接近实桥结构的有限元模型，进而再确定整体结构的易损部位以及结构整体响应分析层次上的监测内容和监测位置，最终确定结合梁斜拉桥上的传感器布设种类和传感器布设位置。本发明确保结合梁斜拉桥健康监测传感器系统的更加合理性、可靠性、有效性，更加有利于桥梁健康监测的安全预警与安全预后的准确性。

Description

一种基于两阶段多尺度模型修正的结合梁斜拉桥传感器布设方法

技术领域

本发明属于土木工程领域中桥梁结构分析、桥梁结构检测系统设计领域，特别涉及大跨结合梁斜拉桥结构的健康监测传感器布设方法。

背景技术

桥梁结构健康监测系统是集结构监测、系统辨识和结构评估于一体的综合监测系统，该系统首先采用各种先进的测试仪器设备对外界各种激励下的各种响应进行监测；然后对监测到的各种信息进行处理，结合桥梁结构有限元模型等先验对结构进行诊断，分析结构的损伤状况；最后对桥梁的健康状况进行评价，并确定科学的大桥维修、养护策略。目前，关于桥梁监测传感器布点多是基于测试经验，对于结合梁斜拉桥这样的复杂结构，经验不能保证传感器的布设质量。一般来说，监测传感器布设在应力集中点、结构支撑点、对结构荷载重新分配影响较大的构件及动力响应的敏感点等关键部位，而且传感器的优化设计、组合大都是基于桥梁结构的动力特性。

目前，传感器布设计算方法众多。如模态动能法、特征向量乘积法、模态分量加和法等，其中特征向量乘积法及模态分量加和法计算简便，是常用的传感器布设计算方法，且符合一般的结构测试经验。对于静力传感器，是根据桥梁结构的有限元计算结果，一般布设在应力较大或者应力比较集中点、结构支撑点，结构响应明显处及结构荷载重新分配影响较大的构件上。然而，经验法布置传感器并不能完全满足相关结构的监测要求。

另一方面，传感器的优化布设依赖于准确的结构分析。在进行桥梁结构整体分析时，一般都采用粗糙的有限元模型进行分析，不考虑模型的准确性，无法对全桥结构的受力状态做出精确的分析。整体结构分析可以满足结构整体性状态监测传感器布设的要求，难以满足易损部位监测传感器布设的要求以及复杂结构安全评估的要求。

目前，国内外的桥梁健康监测系统在结合梁斜拉桥上应用较少。随着我国基础建设的快速发展，结合梁斜拉桥等规模越来越大，而在斜拉桥长期运营中普遍存在斜拉索内力松弛、钢主梁的疲劳损伤、材性腐蚀等病害现象。

本发明针对的结合梁斜拉桥结构组成为：主梁采用钢结构，桥面系采用混凝土结构，主梁与桥面系通过抗剪连接件结合在一起共同受力的斜拉桥。结合梁斜拉桥一般采用钢双主梁，其断面形式常用实腹开口工字形、箱形等，并在钢主梁上用预制混凝土桥面板代替常用的正交异性钢板面板。为了保证运营期间大桥各构件正常工作，及时发现桥梁发生的变化和病害，采取有效的维护措施，有必要建立一套有效的健康监测系统以评定其安全状况。

因此，针对结合梁斜拉桥，研究不同目标的结构分析方法、不同尺度有限元模型之间的相互验证与衔接、传感器优化布设方法，对于建立结合梁斜拉桥健康监测系统具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于两阶段多尺度模型修正的结合梁斜拉桥传感器布设方法。

本发明采用的技术方案：一种基于两阶段多尺度模型修正的结合梁斜拉桥传感器布设方法，包括如下步骤：

1)基于结合梁斜拉桥结构的施工设计图、建设文集相关资料，采用有限元软件建立了全桥结构的精细有限元模型；

2)对步骤1)中建立的结合梁斜拉桥结构精细尺度有限元模型分别进行恒载和汽车荷载作用下的全桥结构响应分析，然后根据该响应分析的结果确定全桥结构受力构件的易损部位，继而建立易损部位为小尺度，其他部位为大尺度的结合梁斜拉桥多尺度有限元模型；

3)对结合梁斜拉桥进行环境振动试验，获取桥梁结构的实际动力特性，进而基于两阶段响应面方法对步骤2)中建立的结合梁斜拉桥多尺度有限元模型进行修正；

4)对步骤3)中修正后的结合梁斜拉桥多尺度有限元模型进行恒载和汽车荷载作用下的全桥结构响应分析，然后根据该响应分析的结果确定全桥结构受力构件的易损部位以及结构整体分析层次上的监测内容和监测位置，继而确定结合梁斜拉桥上的传感器布设种类和传感器布设位置。

作为优选，所述步骤1)中采用了大型有限元分析软件进行建模分析，所述的结合梁斜拉桥精细有限元模型，是采用实体45单元模拟索塔和桥面板；主梁及小纵梁采用塑性大应变壳43单元进行模拟；斜拉索采用空间杆8单元进行模拟；成桥时桥面设施安装及桥面铺装等二期恒载和压重块均采用质量21单元进行模拟；边界条件为：索塔底部采用完全固接，边墩、辅助墩与梁交接处及索塔与梁交接处均以弹簧14单元连接；坐标系原点选在混凝土梁梁端，沿桥梁纵向为Z轴，以竖向为Y轴，横向为X轴。

作为优选，所述步骤2)中所述的全桥结构响应分析，恒载是由实体单元模型精细地建立主梁的一期自重及二期恒载，汽车荷载是根据《公路桥涵设计通用规范》中公路——Ⅰ级车道荷载布置，按照影响线最不利加载，采用“恒载+活载”的荷载主要组合对全桥结构有限元模型先后进行了结构的静力分析与动力分析。

作为优选，所述步骤2)中的多尺度有限元模型采用大型有限元分析软件进行建模，其中易损部位小尺度模拟，桥面板采用实体45单元模拟，主梁及小纵梁采用塑性大应变壳43单元模拟；桥面系及索塔采用三主梁模型大尺度模拟，选取铁木辛柯188梁单元模拟；斜拉索采用空间杆8单元模拟；成桥时桥面设施安装及桥面铺装等二期恒载和压重块均采用质量21单元模拟；边界条件为：索塔底部采用完全固接，边墩、辅助墩与梁交接处及索塔与梁交接处均以弹簧14单元连接；通过初应变方法施加索力，并通过实测索力和线性进行结构初平衡；坐标系原点选在边墩桥面板中下部，沿桥梁纵向为Z轴，以竖向为Y轴，横向为X轴。

作为优选，所述步骤3)中的环境振动试验，到结合梁斜拉桥现场布置测点，通过采集仪器采集三向加速度数据，分别基于峰值法和随机子空间方法进行系统参数识别，得到结合梁斜拉桥实测的自振频率和振型。

作为优选，所述步骤3)中所述两阶段响应面模型修正，即将响应面方法分别应用于多尺度建模修正和模型参数修正中，其步骤为：①将精细有限元建模计算得到的频率值作为多尺度模型的目标值，并基于三阶响应面方法对多尺度建模过程中设定的截面实常数进行修正；②将环境振动试验得到的实测频率作为目标值，并基于三阶响应面方法对初步修正后模型的材料参数、支座参数进行修正。

作为优选，所述步骤4)中确定结合梁斜拉桥上的传感器布设种类和传感器布设位置，是根据修正后的结合梁斜拉桥多尺度有限元模型静力分析结果中内力和位移最大值及动力分析结果中动位移最大值为传感器布置位置。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(a)由于结合梁斜拉桥的简化模型分析，常规的传感器布设方法很难对易损部位进行传感器布置，本方法通过两阶段多尺度方法修正后的全桥模型进行二次分析，能够更加有效把握全桥结构的受力特性，进而判断结构的易损部位，以便能对传感器的布设提供详细的参考依据；

(b)本发明的方法通过进行环境振动试验获取结构的实际动力特性，并对多尺度有限元模型进行了两阶段响应面的修正，使结构的有限元模型与实际结构更为接近，以便全桥结构响应分析过程中能够更加准确的得到结构的易损部位，可以保证结合梁斜拉桥健康监测传感器系统的更加合理性、可靠性、有效性，更加有利于桥梁健康监测的安全预警与安全预后的准确性。该方法还可以用于其他各种复杂的桥梁结构。

附图说明

图1为本发明的结合梁斜拉桥结构的传感器布设方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明基于两阶段多尺度模型修正的结合梁斜拉桥传感器布设方法的流程图如图1所示。具体实施例为：大桥主桥采用双塔双索面半漂浮5跨连续结合梁斜拉桥。主梁采用工字型梁，钢纵梁、钢横梁、小纵梁通过节点板及高强螺栓连接形成空间钢架，钢架上架设预制桥面板，现浇膨胀混凝土湿接缝，与钢梁上的抗剪栓钉形成整体，组成结合梁体系。

首先，根据结构设计采用通用有限元软件建立全桥结构的整体精细有限元模型，实桥中采用大型有限元分析软件模拟，采用实体45单元模拟索塔和桥面板；主梁及小纵梁采用塑性大应变壳43单元进行模拟；斜拉索采用空间杆8单元进行模拟；成桥时桥面设施安装及桥面铺装等二期恒载和压重块均采用质量21单元进行模拟；边界条件为：索塔底部采用完全固接，边墩、辅助墩与梁交接处及索塔与梁交接处均以弹簧14单元连接。坐标系原点选在混凝土梁梁端，沿桥梁纵向为Z轴，以竖向为Y轴，横向为X轴。全桥共划分为87459个节点，46228个单元。

其次，对全桥结构的精细元模型进行响应分析，恒载是由实体单元模型精细地建立主梁的一期自重及二期恒载，汽车荷载是根据《公路桥涵设计通用规范》中公路——Ⅰ级车道荷载布置，按照影响线最不利加载，采用“恒载+活载”的荷载主要组合对全桥结构有限元模型先后进行了结构的静力分析与动力分析。

接下来，根据精细有限元模型的响应分析结果，多尺度有限元模型同样采用大型有限元分析软件进行建模，其中易损部位小尺度模拟，桥面板采用实体45单元模拟，主梁及小纵梁采用塑性大应变壳43单元模拟；桥面系及索塔采用三主梁模型大尺度模拟，选取铁木辛柯梁188单元模拟；斜拉索采用空间杆8单元模拟；成桥时桥面设施安装及桥面铺装等二期恒载和压重块均采用质量21单元模拟；边界条件为：索塔底部采用完全固接，边墩、辅助墩与梁交接处及索塔与梁交接处均以弹簧14单元连接；通过初应变方法施加索力，并通过实测索力和线性进行结构初平衡。坐标系原点选在边墩桥面板中下部，沿桥梁纵向为Z轴，以竖向为Y轴，横向为X轴。

然后，为了得到实桥结构的动力特性如自振频率、固有振型等，对实桥进行了环境振动试验，采用三向加速度传感器在实桥的左幅(右幅)桥面测定56个测点，桥面的振动采样频率取为200赫兹，采样时间取为10分钟。对测试所得数据，采用自行开发的土木工程结构模态软件对试验数据进行处理，分别基于峰值法和随机子空间方法进行系统参数识别，得到结合梁斜拉桥实测的自振频率和振型。

再次，根据环境振动试验所得结合梁斜拉桥实测的数据，对全桥结构的多尺度有限元模型进行两阶段响应面模型修正，即将响应面方法分别应用于多尺度建模修正和模型参数修正中，其步骤为：①将精细有限元建模计算得到的频率值作为多尺度模型的目标值，并基于三阶响应面方法对多尺度建模过程中设定的截面实常数进行修正；②将环境振动试验得到的实测频率作为目标值，并基于三阶响应面方法对初步修正后模型的材料参数、支座参数进行修正。

最后，根据修正后的模型进行响应分析，判断出结构的易损部位，再根据实桥存在的问题和病害，确定结合梁斜拉桥上的传感器布设种类和传感器布设位置。传感器布设分类：①结构性能测点包括：应变测点70个，加速度测点11×3个(三向)，索力测点32个，动位移测点6个，支座位移测点4个，全球定位系统测点4个(不含参考点)；②环境测点包括：温度测点10个，风向风速测点3个；③外部荷载测点包括：动态称重系统测点2个，视频监控2个。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种基于两阶段多尺度模型修正的结合梁斜拉桥传感器布设方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）基于结合梁斜拉桥结构的施工设计图、建设文集相关资料，采用有限元软件建立了全桥结构的精细有限元模型；

2）对步骤1）中建立的结合梁斜拉桥结构精细尺度有限元模型分别进行恒载和汽车荷载作用下的全桥结构响应分析，然后根据该响应分析的结果确定全桥结构受力构件的易损部位，继而建立易损部位为小尺度，其他部位为大尺度的结合梁斜拉桥多尺度有限元模型；

3）对结合梁斜拉桥进行环境振动试验，获取桥梁结构的实际动力特性，进而基于两阶段响应面方法对步骤2）中建立的结合梁斜拉桥多尺度有限元模型进行修正；

4）对步骤3）中修正后的结合梁斜拉桥多尺度有限元模型进行恒载和汽车荷载作用下的全桥结构响应分析，然后根据该响应分析的结果确定全桥结构受力构件的易损部位以及结构整体分析层次上的监测内容和监测位置，继而确定结合梁斜拉桥上的传感器布设种类和传感器布设位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于两阶段多尺度模型修正的结合梁斜拉桥传感器布设方法，其特征在于：所述步骤1）中采用了有限元分析软件进行建模分析，所述的结合梁斜拉桥精细有限元模型，是采用实体45单元模拟索塔和桥面板；主梁及小纵梁采用塑性大应变壳43单元进行模拟；斜拉索采用空间杆8单元进行模拟；成桥时桥面设施安装及桥面铺装等二期恒载和压重块均采用质量21单元进行模拟；边界条件为：索塔底部采用完全固接，边墩、辅助墩与梁交接处及索塔与梁交接处均以弹簧14单元连接；坐标系原点选在混凝土梁梁端，沿桥梁纵向为Z轴，以竖向为Y轴，横向为X轴。

3.根据权利要求1所述的一种基于两阶段多尺度模型修正的结合梁斜拉桥传感器布设方法，其特征在于：所述步骤2）中所述的全桥结构响应分析，恒载是由实体单元模型精细地建立主梁的一期自重及二期恒载，汽车荷载是根据《公路桥涵设计通用规范》中公路——Ⅰ级车道荷载布置，按照影响线最不利加载，采用“恒载+活载”的荷载主要组合对全桥结构有限元模型先后进行了结构的静力分析与动力分析。

4.根据权利要求1所述的一种基于两阶段多尺度模型修正的结合梁斜拉桥传感器布设方法，其特征在于：所述步骤2）中的多尺度有限元模型采用大型有限元分析软件进行建模，其中易损部位小尺度模拟，桥面板采用实体45单元模拟，主梁及小纵梁采用塑性大应变壳43单元模拟；桥面系及索塔采用三主梁模型大尺度模拟，选取铁木辛柯梁188单元模拟；斜拉索采用空间杆9单元模拟；成桥时桥面设施安装及桥面铺装等二期恒载和压重块均采用质量21单元模拟；边界条件为：索塔底部采用完全固接，边墩、辅助墩与梁交接处及索塔与梁交接处均以弹簧14单元连接；通过初应变方法施加索力，并通过实测索力和线性进行结构初平衡；坐标系原点选在边墩桥面板中下部，沿桥梁纵向为Z轴，以竖向为Y轴，横向为X轴。

5.根据权利要求1所述的一种基于两阶段多尺度模型修正的结合梁斜拉桥传感器布设方法，其特征在于：所述步骤3）中的环境振动试验，到结合梁斜拉桥现场布置测点，通过采集仪器采集三向加速度数据，分别基于峰值法和随机子空间方法进行系统参数识别，得到结合梁斜拉桥实测的自振频率和振型。

6.根据权利要求1所述的一种基于两阶段多尺度模型修正的结合梁斜拉桥传感器布设方法，其特征在于：所述步骤3）中所述两阶段响应面模型修正，即将响应面方法分别应用于多尺度建模修正和模型参数修正中，其步骤为：①将精细有限元建模计算得到的频率值作为多尺度模型的目标值，并基于三阶响应面方法对多尺度建模过程中设定的截面实常数进行修正；②将环境振动试验得到的实测频率作为目标值，并基于三阶响应面方法对初步修正后模型的材料参数、支座参数进行修正。

7.根据权利要求1所述的一种基于两阶段多尺度模型修正的结合梁斜拉桥传感器布设方法，其特征在于：所述步骤4）中确定结合梁斜拉桥上的传感器布设种类和传感器布设位置，是根据修正后的结合梁斜拉桥多尺度有限元模型静力分析结果中内力和位移最大值及动力分析结果中动位移最大值为传感器布置位置。