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桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁结构承载能力快速检测评定方法探讨唐光武(18008377852)招商局重庆交通科研设计院2014年12月兰州桥梁工程结构动力学国家重点实验室重庆交通科研设计院桥梁与结构工程分院简介国家山区公路工程技术研究中心桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁结构抗震技术交通行业重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室主要设备实验室建成了世界领先水平的轨道移动式大型地震模拟试验台阵系统。是国内唯一可开展长大桥梁三轴向多点激震等空间效应研究的全桥模型实验系统。承担了港珠澳跨海大桥、厦漳跨海大桥等10余座桥梁的抗震试验,并承担了路基、边坡、核电站、特高压输电设备、民用建筑、输气管线、高铁等工程的地震台试验。桥梁工程结构动力学国家重点实验室自主研制的大型工程索缆静载和疲劳试验系统,疲劳试验能力为15000kN(静载+动载),静载试验能力为30000kN,具有拉弯疲劳试验功能,其加载吨位和试验功能均处于国际领先水平。完成了国内30余座大跨度桥梁拉索疲劳试验项目。主要设备桥梁工程结构动力学国家重点实验室主要设备大型桥梁支座试验系统最大试验能力达到30000kN,具有载荷控制和位移控制两种方式。可进行桥梁支座基本力学性能试验研究及抗震性能试验研究。桥梁工程结构动力学国家重点实验室主要设备主要为桥梁检测人员在检测过程中提供作业平台,装备有桥梁检测仪器,用于流动检测和(或)维修作业的专用汽车。它可以随时移动位置,能安全、快速、高效地让检测人员进入作业位置进行流动检测或维修作业。工作时不影响交通而且可以在不收回臂架的情况下慢速行驶。桥梁检测车桥梁工程结构动力学国家重点实验室主要设备多通道结构试验机5台3000kN作动器共有22个结构大吨位试验作动器。与反力墙、反力地板、反力架配套使用。用于大型结构的静力、动力和疲劳试验研究。桥梁工程结构动力学国家重点实验室主要设备实验室购置了3台人工气候模拟设备,可对桥梁材料或构件进行温度、盐雾、喷淋、日照、CO2、冻融、碳化等试验。人工气候老化箱桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究背景理论基础研究内容结论桥梁工程结构动力学国家重点实验室我国公路建设规模庞大,目前公路总里程已达到387万公里,公路桥梁已达到70万座。到2020年,我国将新建110万公里的公路网,4.5万多公里的高速公路和20余万座桥梁,已是仅次于美国的世界第二桥梁大国。我国桥梁建设迅猛发展的同时,在桥梁养护、维修、监测和管理等方面在一定程度上出现了相对滞后状况,重大垮塌事故也时有发生。綦江彩虹桥垮塌铁力市呼兰河大桥坍塌研究背景-在役桥梁检测评定桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究背景-在役桥梁检测评定桥梁快速检测评定方面:桥梁工程师一直面临着如何在不中断交通或少中断交通情况下,对交通繁忙的桥梁进行检测评定,如何对量大、面广的中小跨径桥梁进行大面积快速评定的难题,这方面的研究还处于起步阶段,还未有实质性的进展。静、动载试验方面:桥梁结构评定主要通过检查、检算、检测,静力试验在桥梁结构承载能力的检测评定中已得到非常广泛的应用,被认为是最可靠的方法之一,但存在测试时间长、费力和成本较高等缺点。桥梁结构动力试验方法与评定方法主要是通过动力测试得到桥梁的频率、振型、阻尼、冲击系数等动力参数,以评定桥梁的动力性能,但不能直接评价桥梁的承载能力,对于桥梁的承载能力评定只能起到辅助和补充的作用。索支撑体系桥梁索力测试方面:我国建有大量的斜拉桥、悬索桥、吊杆拱桥等索支撑体系桥梁,在役桥梁索力检测是非常重要的检测内容,目前短索索力的动力法测试还有待进一步研究。桥梁工程结构动力学国家重点实验室模型可分为解析模型和有限元模型。结构建模的手段主要有两种:理论建模和实验建模。其中前者因对结构物理特性、几何特性、连接状态和约束条件等的简化以及这些简化过程中包含了诸多不确定因素而使得分析结果与实际测试结果出现偏差,在不少情况下这种偏差会超出工程许可范围。精确的解析模型或有限元模型作为桥梁损伤识别、健康监测、结构控制、结构评估和诊断等方面的强有力的工具而受到广泛的重视。理论基础-基本思路输入系统模型输出模型参数桥梁工程结构动力学国家重点实验室理论基础-基本思路输入初始参数建立有限元模型动力、静力目标数据采集试验方案修正目标函数灵敏分析优化算法数据处理修改计算模型收敛与否是否响应预测输入系统模型输出模型参数模型修正过程实际结构现场测试响应有限元模型或解析模型理论分析响应或特征参数模型修正精确承载评定或索力识别对比分析桥梁工程结构动力学国家重点实验室理论基础-基本思路用于模型修正的目标参数选择1、静力参数2、动力参数桥梁工程结构动力学国家重点实验室一、实测准静态广义影响线在桥梁检测评定中的应用研究桥梁工程结构动力学国家重点实验室基本原理:主要是采用测试值与有限元计算值之间的影响线残差和频率残差及其相关函数作为修正目标函数,进行有限元模型修正。1m1i2eiaieiZZZZ(x)F2m1i2eiaieiωωωω(x)F(x)F(x),FF(x)ωZ影响线目标残差动力目标残差动静多目标残差理论基础-基本思路本研究选择动、静多目标参数用于模型修正桥梁工程结构动力学国家重点实验室理论基础-多目标优化处理22m1i2eiaieiωm1i2eiaieiZωωωβZZZβF(x)1ββωZk,1,2,igggn,1,2,ixxxs.t.xFminUiiLiUiiLi加权平均处理多目标优化变为单目标约束优化问题桥梁工程结构动力学国家重点实验室理论基础-基本思路待修正结构参数选择1、整体参数(几何或材料)2、局部参数(几何或材料,需识别位置)3、边界条件桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究内容-数值算例I2345678910119112913914915DAMDAMDAML=6.0mh=0.2mb=0.25m数值模型损伤单元几何参数假设E1,E2和E3分别减少了20%,50%和30%桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究内容-仅用影响线残差修正三个单元弹性模量的损伤值和修正值弹性模量E1E2E3实际值(10e8Pa)256.00160.00224.00修正值(10e8Pa)255.39161.41223.59误差(%)-0.240.88-0.18桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究内容-动、静测试误差对多目标修正的影响实际值与误差值(假设有10%测试误差)实际值误差值误差(%)位移影响线-8.38e-3-9.22e-310.00基频8.279.0910.00修正方法E1(10e8Pa)误差(%)E2(10e8Pa)误差(%)E3(10e8Pa)误差(%)实际值256.00—160.00—224.00—影响线法211.6617.32191.7919.87195.57-12.69基频法179.39-29.92225.4040.88295.0731.7多目标法(权系数1:1)211.81-17.26175.219.51235.014.92三种方法修正结果及误差桥梁工程结构动力学国家重点实验室数值模型几何参数研究内容-数值算例II1,2,3i,C1)-(Tkiii桥梁工程结构动力学国家重点实验室边界条件的损伤值和修正值T1T2T3实际值1000.001000.001000.00初始修正值500.00500.00500.00修正值1002.751000.241007.98误差0.28%0.02%0.79%研究内容-数值算例II桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究内容-准静态广义影响线的定义准静态广义影响线的的定义:通过慢速跑车,测得的结构某一量值随车辆位置变化的函数曲线。1)加载载荷不是单位荷载,而是具有四个或多个集中力的汽车荷载,作用点连续移动,方向和大小保持不变;2)广义位移如位移、应变和曲率等和广义内力如轴力、弯矩和扭矩等;3)动力效应不很明显,几乎趋近于静态响应;4)结构响应是对应于连续慢速的动态加载过程,相当于多工况加载问题,可以掌握更多的结构信息。影响线的定义:在竖向单位移动荷载作用下,结构某一量值随竖向单位荷载(P=1)位置移动而变化的函数曲线。桥梁工程结构动力学国家重点实验室加载车道标准车道标准车道加载车道F=1F=1M研究内容-准静态广义影响线的定义1、加载车辆一般为双轴或者三轴重车,纵向两列轮胎。2、对桥梁而言,一般通过左、中、右三次跑车进行测试。桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究内容-影响线快速测试系统基本原理:该系统的硬件系统主要由脉冲信号激励装置、脉冲信号发射装置和脉冲信号接收装置组成;软件系统记录脉冲信号和控制截面待测量Z,然后利用脉冲信号计算其对应的车辆位移,并绘制影响线。影响线快速测试系统脉冲激励装置平面图实测应变影响线桥梁工程结构动力学国家重点实验室面向测试对象的桥梁结构有限元分析与模型修正软件系统界面研究内容-模型修正软件系统组成桥梁工程结构动力学国家重点实验室基本原理:采用挠度(应变)等变形影响线及其对位置的一、二阶导数识别结构的损伤位置。基于影响线的损伤敏感性指标体系050100150200250300350400450500-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20E'=0.2EE'=0.4EE'=0.6EE'=0.8EE'=EResponseProfileLinesLoadPosition050100150200250300350400450500-0.15-0.10-0.050.000.050.10E'=0.2EE'=0.4EE'=0.6EE'=0.8EE'=EResponseProfileLinesLoadPosition(mm)0.00000.00050.00100.00150.00200.00251234501002003004005000.00000.00050.00100.00150.00200.0025E'=EE'=0.8EE'=0.6EE'=0.4EE'=0.2ELocationsensitivityindexLoadPosition一阶导数影响线二阶导数12.7○1YL=508.012.7○22○1○3○4○5○6○7○8○9○10○11○12○13○14○15○16○17○18○19○20X25.4损伤研究内容-损伤敏感性指标损伤程度桥梁工程结构动力学国家重点实验室基于影响线的损伤敏感性指标体系–多损伤识别研究内容-损伤敏感性指标1200M(A)perfectmodel(B)damagedmodel120042060120M180(C)damagedmodel120042060120M60(D)damagedmodel120042060120M60完好模型和损伤模型损伤位置损伤位置桥梁工程结构动力学国家重点实验室基于影响线的损伤敏感性指标体系一阶导数影响线二阶导数010203040-25-20-15-10-505应变(ue)位置(m)B4#-cd2忠县乌杨大桥全景010203040-2024位置灵敏度位置(m)B4#-cd2研究内容-损伤敏感性指标010203040-10123位置灵敏度位置(m)B4#-cd2横隔梁桥梁工程结构动力学国家重点实验室基于准静态广义影响线的桥梁承载能力快速评定方法简单调查、定期检测能否直接评定常规检算能否评定否模型修正能否评定直接对比能否评定否荷载试验能否评定是是否影响线测试否是是是合格与否合格不合格加固、改建等措施专题研究评定是评定结束否直接对比评定法:直接对比测试影响线和计算影响线来评定桥梁结构的承载能力。模型修正评定法:用实测的准静态广义影响线数据来修正有限元模型,用修正后的有限元模型来预测结构的响应情况并对桥梁结构进行评定。研究意义:上述评定法可以为桥梁结构检测评定提供更多的信息,丰富和完善常规桥梁结构评定方法,为不中断交通或少中断交通以及超重车过桥评定提供了快速评定的手段。改进部分研究内容-应用研究直接检
本文标题:桥梁结构承载能力快速检测.
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