大型斜拉、悬索桥受损索识别新理论的研究及实践

论文摘要

基于结构健康监测技术来识别索结构(特别是大型索结构,例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统中的受损索是一种极具潜力的方法。目前结构健康监测技术主要通过对索力的监测,根据索力的变化来识别索支撑结构(指以索为承载支撑部件的结构)的索系统(指所有支撑索)中的受损索及其损伤程度。然而就单一索而言,其索力变化同其健康状况(损伤程度)有明确的、单调变化的关系,但是,当这根索是索结构(特别是大型索结构,例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统中的一根时,由于每一根特定索的索力变化不仅仅受它自身健康状况的影响,还受索系统中其它索的健康状况的影响。因此观察每一根特定索的索力的变化时,即使在该索相同健康状况(相同损伤程度或无损伤)条件下,也会监测到其索力变化忽正忽负、忽大忽小的现象,这对受损索的识别是非常不利的。目前还没有一种公开的、有效的健康监测系统和方法解决了此问题。为了能对索支撑结构(特别是大型索结构,例如大型斜拉、悬索桥)的索系统的健康状态有可靠的监测和判断,就必须有一个能够合理有效建立起索支撑结构的索系统中每一根索的索力变化同索系统中所有索的健康状况间的关系的方法。基于该方法建立的健康监测系统给出的健康评估才会更可信。这也是本文研究的核心。本文针对索支撑结构(特别是大型索结构,例如大型斜拉、悬索桥)中索系统的健康监测问题,首次创造性地提出并研究了一种能够合理有效地监测索结构(特别是大型索结构,例如大型斜拉、悬索桥)的索系统中每一根索的健康状况的系统和方法。并以建峰桥(一座索支撑桥)为具体研究案例,首次提出了索系统中所有承载索的索力变化同所有承载索的健康状况间线性关系的假说,研究了基于健康监测技术的建峰桥受损索的识别问题,并在此基础上提出并研究了适用于一般索支撑结构的索系统的健康监测技术。该研究成果已申请了国家发明专利。本文主要研究工作和创新性成果可以概述如下:①对大型结构的力学分析而言,由于结构的复杂性,建立可直接求解的方程通常是不可能的,一般都采用数值方法分析,例如用有限元法进行索结构的力学分析。当研究索结构的所有索的索力变化同所有索的健康状态间的定量关系时,也存在类似问题,也可采用有限元法进行分析,然后在有限元分析的基础上寻找有关规律。本文以建峰桥这一索支撑桥为研究对象,根据该桥的设计图、竣工图和实测数据(包括桥型数据、索力数据),利用有限元法建立该桥的有限元基准模型;然后在此有限元基准模型的基础上进行模拟,在只有1根索、2根索、3根索、5根索、6根索、7根索、13根索、24根索、26根索、32根索、39根索、48根索、52根索、56根索和104根索(即所有索)受损的条件下,具体模拟计算了所有索的索力变化;并对不同条件下的索力变化进行了研究分析,以获得规律性的认识。首次明确指出仅仅依靠增加模拟案例的数量,根据对模拟案例的总结归纳来识别受损索是非常困难的,其结论往往是不可靠的。②针对建峰桥的索系统(指所有承载索)健康监测问题,首次创造性地提出了一个关于索力变化的线性关系假说,给出了用向量和矩阵表达的线性关系公式。定义了线性关系公式中各个向量和矩阵,特别是创造性地定义了单位损伤索力变化矩阵,给出了建立各向量和矩阵的步骤和方法。然后在建峰桥有限元基准模型已做的拉索损伤模拟的结果的基础上,给出了考核线性关系的方法。定义和使用了误差向量,对提出的线性关系假说进行了验证研究。③本文研究表明,在所有索的损伤程度都不大于30%,受损索的数量不太大等前提条件下,线性关系假说在工程应用上是可以接受的。或者说该线性关系只是一种近似的线性关系,因此不能简单根据此线性关系来直接求解得到索损伤向量,否则得到的索损伤向量中的元素甚至会出现较大的负值,也就是负损伤,这明显是不合理的。为了获得索损伤向量的可接受的解,即带有合理误差,但可以比较准确的从索系统中确定受损索的位置及其损伤程度,本文创造性地提出使用多目标优化算法来求解上面提到的线性关系假说公式,提出了具体的求解过程(也就是识别受损索的过程)。并针对所有模拟案例进行了验证研究,研究表明,在一定条件下,基于线性关系的多目标优化算法受损索识别技术是能够满足工程应用要求的。④建峰桥是索结构的一个具体案例,本文提出的针对建峰桥的索系统的健康监测方法,其基础在于索系统当前索力向量F同初始索力向量Fo、单位损伤索力变化矩阵ΔF、单位损伤标量Du和当前损伤向量d间的近似线性关系,而这样一种线性关系成立的前提是材料处于线弹性阶段、结构变形不太大。本文在建峰桥具体案例研究的基础上研究了适用于一般索结构的索系统的健康监测技术,并给出了具体的解决思路和方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 面向桥梁的结构健康监测技术的研究现状
• 1.2.2 斜拉桥、悬索桥拉索健康监测技术的研究现状
• 1.3 本文研究的目的和研究内容
• 1.3.1 本文研究的目的
• 1.3.2 本文研究的主要内容
• 2 基于有限元法的所有承载索的索力变化计算及分析
• 2.1 引言
• 2.2 建峰桥的有限元基准模型
• 2.2.1 建峰桥简介
• 2.2.2 有限元建模
• 2.2.3 建峰桥基准有限元模型的确立
• 2.3 基于建峰桥有限元基准模型的、索损伤条件下的模拟分析
• 2.3.1 索损伤条件下的有限元模拟方法
• 2.3.2 仅有一根索受损条件下的模拟结果与分析
• 2.3.3 两根索损伤条件下的模拟结果与分析
• 2.3.4 仅有三根或五根索损伤条件下的模拟结果与分析
• 2.3.5 多于五根索损伤条件下的模拟结果与分析
• 2.4 本章讨论
• 2.5 本章小结
• 3 关于建峰桥承载索的索力变化的线性关系的假说
• 3.1 引言
• 3.2 关于建峰桥承载索的索力变化的线性关系的假说
• 3.3 对线性关系假说的考核
• 3.3.1 仅有一根索受损时的线性关系考核
• 3.3.2 仅有2 根受损索时的线性关系考核
• 3.3.3 仅有3 根受损索或5 根受损索时的线性关系考核
• 3.3.4 受损索数量大于5 时的线性关系考核
• 3.4 线性关系假说考核验证分析与结果
• 3.5 本章小结
• 4 基于多目标优化算法的建峰桥受损索识别
• 4.1 引言
• 4.2 基于线性关系及多目标优化算法的受损索的识别方法研究
• 4.2.1 存在的问题
• 4.2.2 基于线性关系及多目标优化算法的受损索的识别方法
• 4.2.3 识别建峰桥受损索的具体步骤
• 4.3 建峰桥受损索的识别
• 4.3.1 仅有一根受损索时的受损索识别
• 4.3.2 仅有两根受损索时的受损索识别
• 4.3.3 仅有3 根受损索或5 根受损索时的受损索识别
• 4.3.4 受损索数量大于5 时的受损索识别结果
• 4.4 受损索识别分析与结果
• 4.5 本章小结
• 5 用于索结构中索系统的健康监测方法
• 5.1 引言
• 5.2 背景技术
• 5.3 技术方案
• 5.4 具体实施方式
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 主要创新点
• 6.3 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读博士学位期间发表和录用的论文
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果