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大跨桥梁安全监测的技术方法分析

时间:2010-11-20 10:45来源:中国路桥网 作者:监测人 点击:
目前,桥梁的监测越来越受到重视,许多研究人员都在致力于桥梁的监测研究,桥梁的安全监测正日益成为土木工程学科中的一个非常活跃的研究方向
  

1.精确的有限元建模是大型桥梁凤震响应预测的重要前提;也是结构安全监测,损伤检测以及实现最优振动控制的基础。但是,尽管有限无法得到了高度的发展,实际复杂结构的有限元模型仍然是有误差的。有限元建模为结构飞行提供完整的理论模态参数集,但这些参数常常与结构模态实验得到的参数不一致。因此,必须对结构理论模型进行调整或修正,使得修正后的模态参数与实验相一致,这一过程即有限元模型修正。

模型修正法在桥梁监测中主要用于把实验结构的振动反应记录与原先的模型计算结果进行综合比较,利用直接或间接测知的模态参数,加速度时程记录,频响函数等,通过条件优化约束,不断地修正模型中的刚度和质量信息,从而得到结构变化的信息,实现结构的损伤判别与定位。其主要方法有:

(1)矩阵型法,是发展最早,最成熟,修正计算模型的整个矩阵的一类方法,它具有精度高、执行容易的特点,主要缺点是所修正的模型的物理意义不明确,丧失了原有限元模型的带状特点,这方面的代表应属Berman/Baruch的最优法。

(2)子矩阵修正法,通过对待修正的字矩阵或单元矩阵定义修正系数,通过对宇矩阵修正系数的调整来修正结构刚度,该方法的最大优点是修正后的刚度矩阵仍保持者原矩阵的对称,稀疏性。

(3)灵敏度法修正结构参数通过修正结构的设计参数弹性模量E截面面积A等来对有限元模型进行修正。

上述的前两种方法通过求解一个矩阵方程或带约束的最小化问题来修正刚度和质量矩阵,并假定刚度与质量的变化相互独立。因此,这类方法不适用于结构刚度矩阵和质量矩阵变化相关的有限元模型修正。而大跨度桥梁的质量变化通常会弓愧结构刚度的变化,属于典型的非线性问题。只有第三种方法利用观测量对结构参数的敏感性来修正结构参数。基于敏感性分析的参数修正可以从敏感分析的中间结果看出各参数对结构振动的影响程度;并且,可直接解释结构物理量的修改,无须通过利用总纲阵的比较来反映修改情况。然而但待修正参数较多时,该方法常会得出违背物理意义的参数修正。

2.指纹分析方法,寻找与结构动力特性有关的动力指纹,通过这些指纹的变化来判断结构的真实状况。

在线监测中,频率是最易获得的模态参数,而且精度很高,因此通过监测频率的变化来识别结构破损是否发生是最为简单的。此外,振型也可用于结构破损的发现,尽管振型的测试精度低于频率,但振型包含更多的破损信息。利用振型判断结构的破损是否发生的途径很多;MAC,COMAC,CMS,DI和柔度矩阵法。

但大量的模型和实际结构实验表明结构损伤导致的固有频率变化很小,而振型形式变化明显[11,12],一般损伤使结构自振频率的变化都在5%以内[11,12],而Askegaard等在对桥梁的长期观测后发现,在一年期间里桥梁即使没有任何明显的变化,其振动频率的变化也可达10%[63],因此一般认为自振频率不能直接用来作为桥梁监测的指纹,而振型虽然对局部刚度比较敏感,但精确测量比较困难,MAC,COMAC,CMS等依赖于振型的动力指纹都遇到同样的问题。对桥缺损状态的评价缺乏统一有效的指标,有人以模糊理论,结构可靠度理论等为理论框架建立了各种桥梁使用性能评估专家系统,但必须首先建立各种规范和专家数据库。

四、结论与展望

(l)由于大跨桥梁受环境因素影响较大,安全系数低,必须对其进行连续实时监测。

(2)由于GPS定位精度高,速度快,同其他几种位移监测仪器相比具有明显的优点,可用它对大跨度桥梁做连续实时监测,同时应进一步提高其精度,从而扩展其应用范围。目前GPS已在虎门大桥安装成功,实现了对大桥连续实时监测。

(3)在系统识别方面,比较了时域和频域法的优劣,今后应进行结合时频的系统识别研究。

(4)在模型修正方面,应在基于敏感性分析的基础上,研究适合于大跨桥梁的模型修正方法。

(5)由于对桥梁缺损状态的评价缺乏统一有效的指标,应结合实验测试和有限元建模研究适合于大跨桥梁的指纹指标。


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