面向健康监测的斜拉桥试验模型设计及其损伤分析

论文摘要

斜拉桥在公路、城市桥梁中已越来越广泛的被采用,然而斜拉桥的各种损伤如拉索腐蚀或断裂、主梁损伤、基础变位等导致的桥梁破坏事故也日益凸显,严重影响了桥梁的正常运营。研究这些损伤对斜拉桥各种响应的影响规律,指导传感器的合理布置,以便及时准确地监测到这些损伤,具有理论价值和工程指导意义。本文以杭州市某三跨PC斜拉桥为背景,针对PC斜拉桥的特点,提出了进行斜拉桥试验研究的模型设计总体思路,推导了静动力模型相似关系。通过有限元数值模型的分析预测值与原型桥成桥现场静动力测试结果的比较分析表明,对于斜拉桥这种组合体系结构,当存在两种弹性模量相似比时,采用“刚度相似法”处理相似关系是合理的。根据模型试验的目的,对理想模型进行了适当简化,设计了一座能够体现斜拉桥实际工程特点的、面向健康监测的实际模型桥,并提出了未来制作过程中关键、细部构造的处理方法。以模型斜拉桥为分析对象,通过数值分析方法研究了不同位置、不同程度拉索损伤、不同位置主梁损伤及基础变位对斜拉桥各种静力响应的影响规律,得到这些响应的损伤敏感部位。最后,针对模型斜拉桥提出了斜拉桥拉索损伤、基础变位的监测策略,确定了基础变位的监测模型,并基于敏感性分析建立了适用于模型斜拉桥损伤监测的传感器系统布置方案,为类似斜拉桥结构的损伤监测提供理论指导。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图清单
• 列表清单
• 主要符号清单
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 健康监测系统的发展和应用
• 1.2.1 健康监测系统概述
• 1.2.2 健康监测系统的发展与应用
• 1.3 模型试验研究
• 1.3.1 模型试验概述
• 1.3.2 模型试验研究现状
• 1.4 斜拉桥损伤分析
• 1.5 本文主要研究意义及内容
• 本章参考文献
• 2 斜拉桥理想试验模型设计
• 2.1 引言
• 2.2 相似关系理论
• 2.2.1 静力模型相似关系
• 2.2.2 动力模型相似关系
• 2.2.3 模型的配重设计
• 2.3 斜拉桥模型总体设计
• 2.3.1 模型总体设计思路
• 2.3.2 理想模型设计背景
• 2.3.3 文晖大桥理想模型设计
• 2.3.4 理想模型有限元数值模型的建立
• 2.3.5 理想模型静动力分析
• 2.4 本章小结
• 本章参考文献
• 3 面向健康监测的斜拉桥实际试验模型设计
• 3.1 引言
• 3.2 实际模型总体布置
• 3.2.1 从理想模型到实际模型的简化
• 3.2.2 模型材料、截面形式及尺寸
• 3.2.3 试验模型配重设计
• 3.3 试验模型有限元数值分析
• 3.3.1 有限元模型的建立
• 3.3.2 合理成桥状态分析
• 3.3.3 成桥静力状态的分析
• 3.3.4 活载作用下的静力响应
• 3.3.5 斜拉桥模型的动力特性分析
• 3.4 模型制作流程及细部构造处理
• 3.4.1 试验模型的加工制作流程及要求
• 3.4.2 关键细部构造的处理
• 3.5 本章小结
• 本章参考文献
• 4 斜拉桥构件局部损伤对全桥受力的影响分析
• 4.1 引言
• 4.2 拉索损伤及影响分析
• 4.2.1 拉索损伤现状与原因分析
• 4.2.2 拉索系统索力重分布的摄动理论
• 4.2.3 拉索损伤分析
• 4.3 主梁损伤及影响分析
• 4.3.1 主梁病害及成因分析
• 4.3.2 损伤工况及模拟方法
• 4.3.3 主梁应变的损伤敏感性分析
• 4.3.4 主梁线形的损伤敏感性分析
• 4.4 本章小结
• 本章参考文献
• 5 基础变位对斜拉桥整体静力性能的影响研究
• 5.1 引言
• 5.2 基础沉降的影响研究
• 5.2.1 基础沉降的原因分析
• 5.2.2 桥梁规范关于基础沉降的规定
• 5.2.3 基础沉降的影响研究
• 5.3 桥塔倾斜的影响研究
• 5.3.1 桥梁规范关于桥塔倾斜的说明
• 5.3.2 倾斜工况的确定及有限元模拟
• 5.3.3 桥塔倾斜的影响分析
• 5.4 本章小结
• 本章参考文献
• 6 模型斜拉桥损伤监测策略研究
• 6.1 引言
• 6.2 拉索损伤的静力监测策略
• 6.3 基础变位的监测策略
• 6.3.1 监控指标的确定
• 6.3.2 基础变位的监测策略
• 6.4 基于敏感性分析的模型斜拉桥监测测点布置方案
• 6.4.1 典型斜拉桥健康监测测点布置方案
• 6.4.2 基于敏感性分析的监测测点布置方案
• 6.5 本章小结
• 本章参考文献
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果