大跨悬索桥状态评估实用方法研究与应用

论文题目: 大跨悬索桥状态评估实用方法研究与应用

论文类型: 博士论文

论文专业: 防灾减灾工程及防护工程

作者: 郭彤

导师: 李爱群

关键词: 状态评估,模型修正,模型更新,结构可靠度,蒙特卡罗法,响应面法,模糊层次分析

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着人们对大跨桥梁安全性、耐久性与正常使用功能的日渐关注,桥梁结构状态评估的研究与应用成为土木工程领域非常活跃的一个研究方向。模态分析技术、振动测试技术、数字信号处理以及损伤定位、识别技术的迅速发展和现场测试条件的明显改善也为桥梁状态评估提供了必要的支撑。为了最终实现大跨桥梁在线状态下的状态评估,本文以润扬长江公路大桥南汊悬索桥为研究背景,围绕着大跨悬索桥状态评估中的关键技术和存在的主要问题进行了研究和探索。本文系统总结了近年来在结构状态评估领域的比较成熟的方法和新的研究思路,从悬索桥有限元模型修正和非线性行为的模拟入手,着重进行了基于数值模拟算法的可靠度评估方法研究,同时为了更加全面地反映桥梁的性能状况,本文采用基于模糊层次分析的综合状态评估方法,初步建立起大跨悬索桥状态评估体系。本文的研究工作主要体现在以下几个方面:1、以状态评估为目标的大跨悬索桥模型修正针对状态评估研究的具体需要,提出了基于优化原理的大跨悬索桥有限元模型修正方法,并分别采用零阶优化算法和一阶优化算法对悬索桥有限元模型进行了修正。修正结果表明,零阶优化算法收敛速度较快,当设计变量数目较少时(少于20个),采用含有二次交叉项的方程式来拟合状态变量,其精度基本可以满足悬索桥模型修正的要求;一阶算法收敛速度较慢,有时会陷入局部最优点,但是它有着较高的精度。建议在设计变量较多时(多于20个)采用一阶优化算法。2、悬索桥损伤状态下几何非线性行为模拟为了精确地模拟缆索体系在成桥状态和损伤状态下的非线性特征,在优化修正后的模型基础上,采用自适应牛顿-拉普森迭代算法,对缆索几何位置和内力进行了精确计算。这种模型更新的方法为状态评估方法的实现,特别是损伤状态下的状态评估研究提供了较为可靠和便于更新的有限元模型。3、数值模拟方法的理论研究通过对蒙特卡罗法和响应面法进行深入分析,比较了两者在本质、实现方法和误差构成方面的特点,在此基础上,提出了采用两者的联合算法作为润扬大桥可靠度评估的基本分析工具。联合算法的应用,将大跨桥梁可靠度分析这样一个具有复杂物理意义的问题转化为一系列失效方程式的求解问题,提高了求解的效率,而求解效率的提高同时也保证了分析的精度。4、数值模拟联合算法在润扬大桥悬索桥可靠度评估中的实现将联合算法应用于润扬大桥悬索桥可靠度评估,通过灵敏度分析和变量相关性分析进行了输入变量的优选,通过可靠度计算,分析了悬索桥在正常运营状态下和损伤情况下、一般车辆荷载状态和密集车辆荷载状态下的各个失效模式的可靠度指标,并基于此进行了可靠度评估和等级划分。5、基于模糊层次分析的综合状态评估方法研究为了更加全面地反映大桥在运营周期内的综合性能,在可靠度评估的基础上,结合大桥运营过程中监测系统和周期性检测结果,本文对模糊层次分析法进行了研究和探讨。为了更加有效地反映评估对象的模糊性,本研究将传统的层次分析法拓展到模糊领域,引入三角模糊数的概念,并对模糊评判矩阵的排序方法进行了研究,在此基础上,提出了基于模糊集贴进度的模式识别评估方法,建立起润扬大桥悬索桥多层次多目标综合评估模型。6、根据可靠度评估以及模糊层次分析法的具体实现要求,编制了润扬大桥状态评估软件并对程序实现过程中的若干关键问题进行了研究。结合健康监测系统中的数据采集系统,初步实现了大桥的在线状态评估。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 本课题的研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 桥梁结构状态评估理论及方法的发展

1.2.2 桥梁结构的状态评估方法概述

1.2.3 桥梁健康监测、评估系统的研究与应用现状

1.3 存在的主要问题

1.4 本文的主要工作

第二章 以状态评估为目标的悬索桥模型修正与更新

2.1 状态评估对于有限元模型的需求

2.2 大跨悬索桥分析理论

2.2.1 悬索桥的受力特征

2.2.2 几何形状和内力的传统计算理论――膜理论

2.3 基于优化算法的成桥状态模型修正

2.3.1 优化设计原理

2.3.2 零阶优化算法

2.3.3 一阶优化算法

2.3.4 润扬大桥悬索桥模型修正

2.4 基于自适应的牛顿－拉普森算法的缆索找形与模型更新

2.4.1 问题的背景

2.4.2 单线性杆单元

2.4.3 牛顿－拉普森迭代方法

2.4.4 迭代收敛准则

2.4.5 自适应的牛顿－拉普森方法

2.4.6 算例

2.5 本章小结

第三章 数值模拟联合算法研究

3.1 结构可靠度

3.2 数值模拟技术

3.2.1 蒙特卡罗法

3.2.2 中心复合响应面法

3.2.3 数值模拟算法的统计结果输出

3.3 蒙特卡罗与响应面的联合算法

3.3.1 蒙特卡罗法的误差分析

3.3.2 响应面法的误差分析

3.3.3 联合算法的计算过程

3.4 本章小结

第四章 数值模拟联合算法在润扬大桥悬索桥可靠度评估中的应用

4.1 可靠度评估的基本流程

4.2 悬索桥随机变量的选取和定义

4.2.1 变量的定义

4.2.2 基于概率灵敏度分析的变量选择

4.3 基于联合算法的响应面拟合

4.4 基于响应面方程的蒙特卡罗可靠度计算

4.4.1 基于可靠度指标的评估等级划分

4.4.2 正常运营状态下的可靠度计算

4.4.3 损伤状态下的可靠度计算

4.5 本章小结

第五章 模糊层次分析法研究

5.1 层次分析法

5.1.1 层次分析法的基本原理

5.1.2 λ_m与W 的近似计算

5.1.3 一致性指标CI

5.2 模糊层次分析法

5.2.1 三角模糊数互补判断矩阵

5.2.2 因素权重的计算

5.3 综合评估中的相关处理技术

5.3.1 变权分析技术

5.3.2 评估指标的无量纲化处理与底层指标的确定

5.3.3 灰色关联度理论与非均匀变化系数

5.4 基于模式识别的模糊多级多目标综合评估

5.4.1 模糊模式识别

5.4.2 多层次多目标的综合评估

5.5 本章小结

第六章 基于模糊层次分析的润扬大桥悬索桥综合状态评估

6.1 综合评估的基本流程

6.2 评估层次的划分

6.3 评估权重的确定

6.3.1 专家问卷设计

6.3.2 各层评估权重的确定

6.4 部分底层指标的评估标准

6.5 悬索桥综合评估示例

6.6 本章小结

第七章 润扬大桥状态评估的软件实现研究

7.1 润扬大桥健康监测系统概述

7.2 桥梁状态评估系统

7.2.1 评估系统界面

7.2.2 可靠度评估

7.2.3 监控信息查询与评估

7.2.4 综合状态评估

7.3 本章小结

第八章 研究总结与展望

8.1 研究总结

8.2 研究展望

参考文献

作者简历

作者在攻读博士学位期间发表的论文

致谢

发布时间: 2007-06-11

参考文献

• [1].非平稳激励下大跨桥梁随机响应方法研究与应用[D]. 苏延文.西南交通大学2016

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