双向多车道随机车流作用下大跨钢桁梁悬索桥空间动力行为研究.pdf

分类号：u 4 4 1 0 7 1 0 2 0 0 9 2 2 1 0 2 0 滚步犬海 硕士学位论文 双向多车道随机车流作用下大跨钢桁梁悬索桥 空间动力行为研究 导师姓名职称 申请学位级别 论文提交日期 学位授予单位 ( 国家自然科学基金编号：5 0 8 0 8 0 1 8 ) 汪炳 韩万水副教授 答辩委员会主席 杨炳成教授 学位论文评阅人杨炳成教授魏广胜教高 s p a t i a ld y n a m i c b e h a v i o ro fl o n g 。- s p a ns t e e lt r u s s g i r d e r s u s p e n s i o nb r i d g eu n d e r 仰0 - w a y mu l t i 1 a n es t o c h a s t i ct r a f f i cf l o w ad i s s e r t a t i o ns u b m i r e df o r t h ed e g r e eo f m a s t e r c a n d i d a t e ：w a n gb i n g s u p e r v i s o r ：p r o f h a n w a n s h u i c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 一 ：d 一 24 一 删8 一 4 一 洲9 一 洲 一 y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：2 ，易：两 沙j 1 年6 月9 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 沙j 7 年多月歹日 i1 年6 月l 0 日 匀 叮 两 扛 -d，易 1 奶 名 孔 撕 名 作 币 刘 师 摘要 悬索桥以其受力明确，结构柔美，跨越能力大，是大跨及超大跨桥梁的强有力竞争 者。自塔科马桥风毁以后，板式加劲梁退出悬索桥历史舞台，使得钢桁梁悬索桥的结构 形式不断向前发展。本文以湖北四渡河大桥为工程背景，围绕大跨度钢桁梁悬索桥的空 间动力行为进行计算分析，在现有研究的基础上，开展了一些有意义的研究。 l 、综述国内外悬索桥的研究发展情况，对悬索桥的计算分析理论和动力特性研究 现状进行概述，为悬索桥进行静动力分析提供理论基础。 2 、介绍了四渡河大桥的成桥静动载试验，采用大型通用软件a n s y s 计算有限元 模型在各静力工况下的响应以及其自振特性，并将理论计算分析结果与实测结果进行对 比，验证了有限元模型的正确性，为基于静动力模型修正确定桥梁的基准有限元模型奠 定良好的基础。 3 、阐述了基于a n s y s 优化算法的有限元模型修正，提出基于频率的目标函数， 并将其他静动力信息作为约束条件的修正方法，实现了对悬索桥的模型修正。在此基础 上，编制了桥梁静动载检测分析软件b d a n s ，将修正后的a n s y s 四渡河大桥模型作 为输入文件，导入到b d a n s 中，结合静动载试验的实测数据，验证了b d a n s 的准确 性。同时b d a n s 基于o p e n g l 技术开发了可视化和动画显示功能，实现了车桥系统在 计算过程中的动态可视化。 4 、选择不同的伸缩缝刚度值研究了梁端纵桥向伸缩缝刚度对大跨钢桁梁悬索桥静 动力特性的影响；对比了不同中央扣形式下大跨度悬索桥的自振特性和行车状态下的动 力特性，得出中央扣可以提高悬索桥整体刚度，限制梁端纵向位移以及避免竖吊杆损伤 等有益结论；对桥梁健康监测所得的交通量数据进行调查分析统计，提取两个典型时段 的随机车流，讨论了不同随机车流作用下悬索桥的动力响应，得出密集运营状态下桥梁 动力响应大于一般运营状态下的响应值：且在密集营运状态下桥梁的振幅较大等有益结 论。 关键词：钢桁梁；静动载试验；优化算法；模型修正；可视化；中央扣；随机车流 a b s t r a c t s u s p e n s i o nb r i d g ei sas t r o n gc o m p e t i t o ri nl o n g - s p a nb r i d g e sa n ds u p e rl o n g - s p a n b r i d g e s , b e c a u s eo fi t se x p l i c i tf o r c e ，b e a u t i f u ls _ 仇l c t u r em o d ea n dg r e a ts p a n n i n gc a p a c i t y a f t e rt a c om ad a m a g e db yw i n d ，t h es t i f f e n i n gg i r d e rp l a t eb r i d g ee x i t e dt h es t a g eo fh i s t o r y ， w h i c hm a k e st h es t r u c t u r eo fs t e e lt r u s sb r i d g ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r ，s i d u r i v e rb r i d g ei nh u b e ii st a k e na st h eb a c k g r o u n d ，c i r c l i n gr o u n dt h ea n a l y s i so fd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fl o n g - s p a ns u s p e n s i o nb r i d g e o nt h eb a s i so fe x i s t i n gr e s e a r c h ，t h ep a p e r c a r r i e so u ts o m em e a n i n g f u lr e s e a r c h f i r s t l y ，s u m m a r i z e t h ei n t e r n a t i o n a l d e v e l o p m e n t o fs u s p e n s i o n b r i d g e s a n d t h e n ，g e n e r a l i z ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i st h e o r ya n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs u s p e n s i o n b r i d g e st op r o v i d eas t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i sf o rt h es u s p e n s i o nb r i d g e s s e c o n d l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es t a t i ca n dd y n a m i cl o a dt e s t so fs i d ur i v e rb r i d g e i t u s e sl a r g eg e n e r a l p u r p o s es o f t w a r ea n s y sf i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rc a l c u l a t i o no fs t a t i c c o n d i t i o n si nt h er e s p o n s ea n di t sv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e nc o m p a r e st h e o r e t i c a l a n a l y s i sr e s u l t sw i mt h em e a s u r e dr e s u l t st ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i tl a y sag o o df o u n d a t i o nf o rs t a t i ca n dd y n a m i cm o d e lu p d a t i n gb a s e do n ab r i d g eb e n c h m a r k f i l l i t ee l e m e n tm o d e l t h i r d l y ，e l a b o r a t e do p t i m i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do na n s y sf i n i t ee l e m e n tm o d e l u p d a t i n g b a s e do nt h ef r e q u e n c ys e to fo b j e c t i v ef u n c t i o n , a n do t h e rs t a t i ca n dd y n a m i c i n f o r m a t i o na sac o n s t r a i n tc o r r e c t i o nm e t h o da n di m p l e m e n t a t i o no fm o d e lu p d a t i n go fa s u s p e n s i o nb r i d g e o nt h i sb a s i s ，t h ep r e p a r a t i o no fs t a t i ca n dd y n a m i cl o a dt e s t i n go fb r i d g e a n a l y s i ss o f t w a r eb d a n s ，t h er e v i s e dm o d e la sab r i d g et oc r o s st h er i v e rf o u ra n s y si n p u t f i l ei n t ob d a n s ，t h ec o m b i n a t i o no fs t a t i ca n dd y n a m i ct e s t so ft h em e a s u r e dd a t at ov e r i f y t h ea c c u r a c yo ft h eb d a n s a tt h es a m et i m eb a s e do no p e n g lt e c h n o l o g yd e v e l o p e d b d a n sv i s u a l i z a t i o na n da n i m a t i o nc a p a b i l i t i e s ，t oa c h i e v et h eb r i d g e s y s t e mi nt h e c a l c u l a t i o no ft h ed y n a m i cv i s u a l i z a t i o n f o u r t h l y ，c h o o s i n gd i f f e r e n tv a l u e so ft h ee x p a n s i o nj o i n ts t i f f i l e s sb e a ml o n g i t u d i n a l s t i f f n e s so ft h ej o i n t ss p a ns t e e lt r u s sb r i d g es t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ；c o m p a r i s o no f d i f f e r e n tf o r m so ft h ec e n t r a lb u c k l eu n d e rt h es u s p e n s i o nb r i d g ea n dd r i v i n gt h ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed y n a m i cs t a t ef e a t u r e sc a ni m p r o v et h e c e n t r a lb u c k l eo b t a i n e d t h e o v e r a l l ls t i f m e s so fs u s p e n s i o nb r i d g e s ，l i m i t i n gt h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n to f b e a me n da n dt o a v o i di n j u r yv e r t i c a lb o o mu s e f u lc o n c l u s i o n s ；o nb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gd a t ao b t a i n e d 舶mt h ei n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so ft r a f f i cs t a t i s t i c s ，e x t r a c t i o nt i m eo ft w ot y p i c a lr a n d o m 仃a m c e f r e c t so fd i f f e r e n ts u s p e n s i o nb r i d g e su n d e rr a n d o mt r a f f i cf l o wd y n a m i cr e s p o n s e ， o b t a i n e du n d e ri n t e n s i v eo p e r a t i o n st h a nd y n a m i cr e s p o n s eo fb r i d g er e s p o n s eu n d e rn o r m a l o p e r a t i n gs t a t ev a l u e s ；a n db r i d g e si nt h es t a t eo fi n t e n s i v eo p e r a t i o n ss u c h 弱t h ea m p l i t u d e o ft h el a r g e rb e n e f i c i a lc o n c l u s i o n k e yw o r d s ：s t e e lt r u s sg i r d e r ，s t a t i ca n dd y n a m i cl o a dt e s t ，o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，m o d e l u p d a t i n g ，v i s u a l i z a t i o n ，c e n t r a lb u c k l e ，r a n d o m t r a f f i cf l o w 1 1 1 j q 目录 第一章绪论1 1 1 悬索桥的发展1 1 1 1 悬索桥的起源。l 1 1 2 国外悬索桥的发展。l 1 1 3 国内悬索桥的发展4 1 2 悬索桥的研究概况4 1 2 1 悬索桥计算分析理论4 1 2 2 悬索桥动力特性研究现状5 1 3 随机车流的研究概况6 1 4 本课题的研究背景及意义8 1 5 本文的主要工作9 第二章悬索桥静动载试验1 0 2 1 工程概述1 0 2 2 初始有限元模型建立1 1 2 2 1 建模方法及单元选择。1 1 2 2 2 材料参数及边界条件。1 2 2 3 成桥静动载试验1 2 2 3 1 成桥荷载试验的目的及原则1 2 2 3 2 静载试验。13 2 3 3 动载试验1 5 2 3 4 试验结果及分析1 6 2 4 本章小结2 6 第三章基于模型修正的悬索桥静动载检测分析软件编制及验证2 7 3 1 基于a n s y s 优化算法的有限元模型修正2 7 3 1 1 有限元模型修正的意义2 7 3 1 2 有限元模型修正的过程2 7 3 1 3 优化原理的数学模型2 8 3 2 悬索桥有限元模型修正3 0 3 2 1 待修正参数选择3 0 3 2 2 参数灵敏度分析3 0 3 2 3 设置变量及构建目标函数3 2 3 2 4 优化迭代计算过程3 3 3 2 5 模型修正结果3 5 3 3 悬索桥静动载检测分析软件3 7 i v 3 3 i b d a n s ( b r i d g ed y n a m i ca n a l y s i ss y s t e m ) 软件简介3 7 3 3 2 桥梁分析模型3 8 3 3 3 加载车列信息4 0 3 4 悬索桥静动载检测分析软件的验证4 1 3 4 1 静力加载模块验证4 1 3 4 2 自振特性计算与实测对比分析5 1 3 4 3 跑车试验与车桥耦合振动分析结果对比5 2 3 5 本章小结5 5 第四章悬索桥静动力性能分析5 6 4 1 概述5 6 4 2 梁端伸缩缝刚度敏感性分析5 6 4 2 1 梁端伸缩缝的构造5 6 4 2 2 伸缩缝刚度敏感性分析5 7 4 3 中央扣形式对动力性能的影响6 1 4 3 1 中央扣的不同形式6 1 4 3 2 中央扣对自振特性的影响6 2 4 3 3 中央扣对行车状态下悬索桥动力响应的影响6 5 4 4 随机车流作用下悬索桥动力性能分析一7 3 4 4 1 随机车流调查7 3 4 4 2 悬索桥的动力响应7 6 4 5 本章小结7 9 结论与展望8 l 参考文献8 4 攻读硕士学位期间取得的学术成果8 9 攻读硕士学位期间参与的主要科研项目8 9 致谢9 0 v 长安大学硕士学位论文 1 1 悬索桥的发展 第一章绪论 悬索桥( 或称吊桥s u s p e n s i o nb r i d g e ) 指的是以通过索塔、悬挂并锚固于两岸( 或 桥两端) 的缆索( 或钢链) 作为上部结构主要承重构件的桥梁。悬索桥由缆索作为主要承 重结构，从缆索垂下许多吊杆，把桥面吊住，在桥面和吊杆之间设置加劲梁，同缆索形 成组合体系，以减小活载所引起的挠度变形。悬索桥是跨越能力最大的桥梁形式。 1 1 1 悬索桥的起源 悬索桥起源于中引1 1 ，远在公元前三世纪，在中国四川境内就修建了“笮“ ( 竹索 桥) 。在此后漫长的历史中，随着冶炼技术的进步，铁索开始作为一种工具被广泛使用， 修建了较多的铁索桥。据文献记载，我国于公元前5 0 年( 即汉宣帝甘露4 年) 就在四川 建成长百米的铁索桥，并于1 7 世纪开始出现用铁链作悬索的桥梁。我国四川省大渡河 上至今仍完好无损的由九条铁链组成的沪定桥( 图1 1 ) ，就是铁索桥的杰出代表，其 修建于1 7 0 6 年( 清康熙4 5 年) 。而西方直到1 8 世纪才开始建造铁索桥，到1 9 世纪发展 为采用眼杆( e y e b a r ) 与销铰作悬链的桥梁，再后来出现了利用钢缆绳、钢绞线和钢丝等 现代钢材来制造的悬索桥。 图1 1 大渡河上的泸定桥 1 1 2 国外悬索桥的发展 美国是早期悬索桥发展的中心。1 8 8 3 年建成的布鲁克林大桥是第一座现代意义上的 悬索桥，该桥被誉为“现代悬索桥的祖先“ 。2 0 世纪2 0 年代到3 0 年代，美国修建了为数 较多的悬索桥，其中，1 9 3 1 年建成的乔治华盛顿桥在世界上首次将跨度突破了千米， 第一章绪论 达到了1 0 6 6 7 ) k 。1 9 3 7 年又建成举世闻名的金门( g o l d e ng a t e ) 大桥( 图1 2 ) ，建成后 成为旧金山的城市标志。金门大桥的主跨为1 2 8 0 m ，曾保持世界最大桥梁跨度记录达2 7 年之久。1 9 6 4 年又于纽约海湾建成主跨超过金门大桥1 8 m 的维拉扎诺海峡( v e r r a z a n o n a r r o w s ) 桥( 主跨1 2 9 8 m ) ，此桥将世界桥梁第一大跨度的记录保持了1 7 年，并成为美国 流派悬索桥的代表 2 1 。到2 0 世纪6 0 年代为止，美国在修建悬索桥方面的经验已经积累了 将近1 0 0 年的时间，技术上日趋成熟，为全球悬索桥的发展奠定了基础，并将悬索桥发 展成为世界上唯一的跨越在一千米以上的桥型。六十年代以后美国新建的悬索桥相对较 少，但至今仍是世界上修建悬索桥最多的国家，跨度在1 0 0 0 m 以上的已有4 座，在5 0 0 m 以 上的根据不完全统计也达1 5 座以上。 欧洲是悬索桥发展历史上第二个中心，1 9 5 9 年法国建成的主跨为6 0 8 m 的坦卡维尔 ( t a n c a r v i l l e ) 桥是欧洲最早的大跨度悬索桥。其后，英国于1 9 6 6 年在布里斯托尔 ( b r i s t 0 1 ) 建成了主跨为9 8 8 m 的塞文( s e v e r n ) 桥。塞文桥首次采用了钢箱加劲梁，成为 英国流派悬索桥的代表。同期建成的悬索桥还有福斯( f o r t h ) 公路桥( 主跨为1 0 0 6 m ，1 9 6 4 年建成) 和葡萄牙于1 9 6 6 年在其首都里斯本建成的4 月2 5 日大桥( 主跨为1 0 13 m ) 。随后， 1 9 7 0 年丹麦建成主跨为6 0 0 m 的小贝尔特( l i t t l eb e l t ) 桥，1 9 7 3 年土耳其又在伊斯坦布 尔建成主跨为1 0 7 4 m 的博斯普鲁斯海峡第一大桥。到1 9 8 1 年英国建成的恒伯尔桥再创新 纪录，主跨达1 4 1 0 m ，并一直将此记录保持至1 1 j 1 9 9 8 年，其记录保持时间也达到1 7 年之久。 此外，土尔其于1 9 8 8 年建成了主跨为1 0 9 0 m 的博斯普鲁斯海峡第二大桥，瑞典1 9 9 7 年底 建成主跨为1 2 1 0 m 的高海岸( h o g ak u s t e n ) 桥( 图1 3 ) ，丹麦1 9 9 8 年建成主跨为1 6 2 4 m 的 大带( g r e a tb e l t ) 桥( 图1 4 ) ，该桥跨度仅次于日本的明石海峡大桥。 从2 0 世纪8 0 年代起，日本以本州四国联络桥的建设为契机，修建了一系列的大跨度 悬索桥，在本州四国联络桥的初期建设中已经建成了6 座大跨度的悬索桥。这6 座悬索桥 是位于尾道今治线上的因岛大桥( 主跨7 7 0 m ，1 9 8 3 年建成) 和大岛大桥( 主跨5 6 0 m ， 1 9 8 8 年建成) 、位于神户鸣门线上的大鸣门桥( 主跨8 7 6 m ，1 9 8 5 年建成) 、以及位于 之l 岛坂出线上的下津井大桥( 主跨9 4 0 m ，1 9 8 8 年建成) 、南备赞大桥( 主跨11 0 0 m ，1 9 8 8 w 年建成) 和北备赞大桥( 主跨9 9 0 m ，1 9 8 8 年建成) 。在本洲四国联络桥的后期建设中，位 于神户鸣门线上的设计主跨达1 9 9 0 m ( 因地震桥塔发生位移实际主跨达1 9 9 0 8 m ) 的 明石海峡大桥( 1 9 9 8 年建成，图1 5 ) ，再度打破了跨度世界记录。而位于尾道吟治 线上的来岛二桥与三桥，其主跨也都越过千米，分别为1 0 2 0 m 与1 0 3 0 m 。一系列成就使得 日本成为悬索桥发展史上的又一个中心。 2 篓窒奎堂堡主堂垡堡奎 一一 _ _ - i _ _ _ _ _ - _ - _ _ l - - 一。 图1 2g o l d e ng a t e ( 美国) 图1 6 青马大桥( 中国) _ 霸黑艄艄 1勇8。”端区 又 分别 表示计算振型和实测振型向量，则m a c 值如式( 3 1 8 ) 所示。计算m a c 值越接近1 ，两 者的相关性就越好，一股m a c 0 8 时，可认为是同一振型。 心c 碱，= d 3 2 4 优化迭代计算过程 为了使修正过程变得更加高效可靠，选择静载试验中最具有代表性的三个静力工况 ( 工况i i 主梁纵飘，工况主缆下挠，工况v 主塔纵偏) 的实测值( - t - 1 0 ) 作为状态 变量的约束条件；并且同时考虑动力信息，将全桥前1 0 阶频率的实测值( 1 0 ) 也 作为状态变量的约束条件；另外，为保证计算振型与实测振型一致，增加m a c 来作为 状态变量的约束条件( 0 8 m a c 1 ) 。 具体迭代计算过程如图3 4 “ - - 3 7 所示。其中图3 4 给出了各参数的弹性模量和质 量密度在迭代过程中变化情况，图3 5 给出了参数的弹簧刚度在迭代过程中变化情况， 图3 6 给出了各阶频率在迭代过程中变化情况，图3 7 出给了目标函数值在迭代过程中 变化情况。从图中可以看出，迭代一共进行了1 9 步，当迭代到1 9 步时，各变量和目标 函数均在设定范围之内，且满足容许公差，迭代结束，得到最优结果。 j 墨三兰i 堑呈堕型竺垩箜墨室堡鳖垫垫丝塑坌堑鏊堡堕趔墨墼堡 0 垒 叫 鲁 0 卿 辎 掣 融 迭代次数 迭代次数 迭代次数 迭代次数 图3 4 迭代过程中参数弹性模量、质量密度的变化 拍 “ = 3 孜 纠 拍 伯 ” b垒o_【。栅辎掣歌 一m3l鲁_【一趟船嘲峰 m8l。_【一趟船嘲蟮 长安大学硕士学位论文 夕 | i _ 一粱端伸缩缝( s s f ) 入 啊 - 、 ，一ii 一i i ：i ， j 卅 i 1 。 12345e789 1 0 ”1 21 31 1 51 61 71 81 92 0 迭代次数 图3 5 迭代过程中参数弹簧刚度的变化 迭代次数 图3 6 迭代过程中各阶频率值的变化 3 2 5 模型修正结果 迭代次数 图3 7 迭代过程中目标函数值的变化 ( 1 ) 修正前后模型参数的变化 比例 因是 经过修正后的计算模型的各参数的变化情况如表3 2 所示，从表中可以看出，变化 最大为桥面板的弹性模量和加劲梁的质量密度，分别达到一1 0 8 6 和一1 0 4 6 ，其原 在进行初始有限元模型建立时，桥面板内配置较多的普通钢筋或预应力钢筋，而在 3 5 7 e 5 4 z 9ao【v越云取歌 n h ) 趔讲爆 趔鲻闰蜷匝 第三章基于模型修正的悬索桥静动载检测分析软件编制及验证 初始有限元模型中未予考虑。钢筋的存在使得截面换算抗弯常数增大，这使得在有限元 模型修正中弹性模量变化较大。同样，加劲梁的质量密度之所以在修正后有较大增加， 是因为加劲梁在组拼安装过程中使用了大量的高强度螺栓和剪力栓钉，还有在钢桁杆件 连接的梗腋处均有圆形倒角，增大了其截面面积，而这些因素在初始有限元模型中都未 予考虑。这些材料的增加使得加劲梁的质量密度在有限元模型修正中有变化较大。另外， 高强度螺栓和剪力栓钉以及梗腋处圆形倒角的存在也使得加劲梁弹性模量增大，修正结 果也说明了这一点。 修正后各参数变化均在限制范围内，因此，得到的是一组可行解。 表3 2 修正前后参数对比结果 修止前修正后变化比例 参数类型( 单位) 修正参数 参数值参数值 ( ) e g c 3 53 8 8一1 0 8 6 e 笋 2 l2 1 3 41 6 2 弹性模量( e 4 m p a ) e z l2 11 9 4 07 6 2 e z t3 53 4 80 5 7 d g c 2 9 0 02 8 0 03 4 5 d 黟 7 8 5 08 6 4 6- 1 0 1 4 质量密度( k g m 3 ) d z l7 8 5 08 0 2 02 1 7 d z t2 9 0 02 6 6 38 1 7 弹簧刚度( e 6n m ) s s f1 51 5 21 3 3 ( 2 ) 修正前后静动力特性的比较 表3 3 和表3 4 分别给出了修正前后有限元模型的静力特性和动力特性的变化情况 以及其相对于实测值的误差。 表3 3 修正前后静力特性的比较 测点 计算值( c m )相对误差( ) 工况 实测值( c m ) 编号 修正前修正后修正前 修正后 11 7 5 01 8 4 01 8 3 3 5 1 5 4 7 2 主梁纵飘 22 1 5 02 3 1 72 3 1 07 7 47 4 3 ( 工况i i ) 31 8 5 01 8 7 61 8 7 21 3 91 1 8 4 2 3 0 02 2 o o2 1 9 2- 4 3 7 - 4 7 1 主缆下挠 54 2 7 3 3 9 3 7 3 9 5 17 8 5- 7 5 2 ( 工况i v )66 7 7 06 4 2 26 3 9 15 1 45 6 l 主塔纵偏 7 1 6 l1 4 61 5 09 0 9 6 8 8 ( 工况v )83 1 02 8 02 8 99 6 66 6 5 长安大学硕士学位论文 表3 4 修正前后动力特性比较 振动 频率( h z ) 模态置信度 方向 阶数 计算值相对误差( )m a c ( ) 实测值 修正前修正后 修正前 修正后修正前修正后 横向 10 0 7 l0 0 6 60 0 7 05 6 3 1 4 19 8 79 8 7 ( h ) 20 1 8 3 0 1 7 3 0 1 7 55 4 6 4 3 79 8 89 8 8 lo 1 3 l0 1 2 60 1 3 43 8 22 2 99 8 o9 8 0 2o 1 8 50 1 8 00 1 8 22 7 01 6 28 9 o8 9 2 竖向 ( v ) 30 2 9 20 2 8 00 2 8 24 1 l3 4 29 5 69 5 6 4 0 3 9 40 3 7 70 3 8 04 3 l3 5 58 8 18 7 9 50 4 9 70 4 7 20 4 7 75 0 34 0 29 7 99 7 9 l0 3 4 80 3 3 80 3 4 22 8 71 7 28 9 88 9 2 扭转 20 4 3 40 4 2 30 4 2 52 5 32 0 77 7 77 9 2 ( t ) 3 0 5 7 30 5 6 80 5 7 40 8 7o 1 78 9 39 1 7 由表3 3 和表3 4 中的对比结果可以看出：经过修正后的结构静动力计算响应与实 测响应之间的误差明显减少。各测点变形值的误差均控制在8 以内，最大误差发生在 5 # 测点，达到7 5 2 ，较初始误差7 8 5 降低了5 左右；各方向的振动频率误差均控制 在5 以内，最大误差发生在横向2 阶，只有4 3 7 ，个别阶次振型的模态置信度也有所 提高，除扭转二阶振型以外，其他各阶振型的模态置信度均在8 5 以上，相比修正前模 型，修正后模型的振动特性得到了一定的改善。值得注意的是，振型模态相关性程度在 修正前后的变化程度很微小，原因是一方面初始模型的相关性程度已经很好，另一方面 是实测振形本身就存在一些突变点，而计算振形呈光滑曲线分布，往往很难迸一步提高 模态的相关性，一般只能通过改善测量方法，测试较为准确的振形数据，以减小突变数 据的影响。 3 3 悬索桥静动载检测分析软件 3 3 i b d a n s ( b r i d g ed y n a m i ca n a l y s i ss y s t e m ) 软件简介 现有桥梁工程分析软件大多用于桥梁结构的设计计算，桥梁结构设计软件以及桥梁 设计计算模型主要是确保计算分析的结果能达到设计的目标和实用的目的即可，是趋于 保守的；而用于健康监测的计算模型则要求应尽可能准确、全面地反应结构的真实性态， 即要求计算结果与相应的实测数据能较好地吻合。而健康监测分析软件则希望能够计算 正常运营状态( 随机车流荷载、风荷载及温度荷载) 下以及突发事件( 如强烈地震、意 3 7 第三章基于模型修正的悬索桥静动载检测分析软件编制及验证 外大风或其它严重事故等) 下的结构响应和力学状态。 鉴于目前专门针对公路桥梁健康监测的分析软件并不多见，课题组基于v i s u a l f o r t r a n ，自行研发了以健康监测分析为主要用途的风、地震、随机车流与桥梁交互动 力分析软件b d a n s 。该软件适用于桥梁结构静力分析、自振特性、风致振动分析、随机 车流实测与模拟、车一桥、风一车一桥、地震一车一桥等多种因素交互作用下的桥梁结构行 为分析 6 3 - 6 7 1 ，程序源代码有1 6 0 0 0 多行。针对梁格法桥梁模型，b d a n s 专门开发了基于 静动力有限元模型修正的梁格法车桥耦合振动分析模块并进行了验证，程序模块详细编 制思路以及模块验证方面的内容详见文酬6 7 1 。 此外，以v i s u a lc + + 6 0 作为开发平台，采用动态链接库、进程通信和共享文件等 技术编制了程序界面，实现了与后台v i s u a lf o r t r a n 计算程序之间的信息交互，并运 用o p e n g l 函数库实现车桥系统的静动态显示【6 8 1 。采用以上技术既可以发挥v i s u a l f o r t r a n 语言在科学计算方面的优势，同时又可以增强软件在人机对话、交互处理、图 形显示方面的可视化功能。 图4 8b d a n s 程序初始界面 3 3 2 桥梁分析模型 现有软件在进行梁格法模型静力工况下的多车加载时需要将每个车辆的各车轮按 照杠杆法原理进行加载，单个车轮集中力需要分配到与之相邻的4 个节点。以四渡河大 长安大学硕士学位论文 桥静力工况二为例，共有2 4 辆加载车，每个加载车有6 个车轮，每个车轮的集中力需 分配至4 个相邻节点，最终单个工况共需要进行5 7 6 次加载，相当繁琐且极易出错。其 次，有限元模型日趋复杂，查找节点编号费时费力且容易出错。四渡河大桥有限元模型 由主桁架、上下平联、横向桁架等单元组成，节点之间相互遮挡，查找节点非常费时费 力。为此，b d a n s 开发了简单方便的专门针对梁格法桥梁模型进行静力工况加载的“整 条车列“ 加载模块。 b d a n s 软件与a n s y s 具有无缝连接接口，在a n s y s 中建立有限元模型并经过验证后， b d a n s 可以直接调入做为输入文件。将前文提到的在a n s y s 中建立并修正的四渡河大桥 有限元模型作为输入文件直接调入b d a n s 分析软件，如图4 9 所示。 图3 9b d a n s 中四渡河大桥的有限兀分析模型 b d a n s 软件中行车道输入模块要求输入以下参数：行车道纵梁数、每道纵梁单元数 和整个纵梁长度三个控制信息，其次需要输入每道纵梁的横向位置和单元号，单元号要 求按照次序( 从左至右或从右至左) 进行输入。四渡河特大桥桥面共有9 道纵梁，每道 纵梁2 8 0 个单元，纵梁总长8 9 6 m ，纵梁之间的横向距离为3 2 8 m 。若第一道纵梁横向坐 标为0 ，则第f 道纵梁的横向坐标为3 2 8 x ir n ，纵梁输入的控制信息、每道纵梁的横向位 置和有限元编码详见图3 1 0 。 3 9 第三章基于模型修正的悬索桥静动载检测分析软件编制及验证 图3 1 0b d a n s 中的梁格法输入界面 3 3 3 加载车列信息 ( 1 ) 单个车辆参数的输入 b d a n s 车型库中包括两、三、四、五、六轴车以及拖挂车。车型参数输入模块要求 首先选择车辆类型。本次加载车辆均为三轴车，故首先选择三轴车型，然后输入车辆的 质量参数、悬挂系统以及车辆几何参数。静力加载时，只需在质量参数对话框中输入轮 重以及在车辆几何参数对话框中输入轴数、轴距和轮距等参数。图3 1 1 给出了车辆参 数输入模块界面。 图3 1 1车辆模型参数输入窗口 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 车列参数的输入 确定了单个加载车辆的信息之后，就可以确定单条加载车列参数。车列参数包括： 车辆编号、车距、车型和车辆参数、车速、车辆横向位置以及车辆质量。以工况为例， 共有两个加载车列，横向位置分别为1 1 1 4 m 和1 4 8 6 m 。车道l 对应的车列参数文件为 v e h i p a r a l ，单个车列共有1 1 辆加载车，车型均为三轴车，车型库内三轴车的编号为2 ， 另外，车辆的几何尺寸参数均相同，车辆参数定义为1 。静载加载时车速取为0 ，整个 车列的横向位置定义为相对于第一条纵梁的横向距离，为1 1 1 4 m ，车辆质量为3 5 0 0 0 k g ， 对应于车道1 的第一个车列的输入界面见图3 1 2 。 在确定了桥面梁格以及加载车列信息之后，“整条车列”加载模块只需输入车列第 一辆车辆前轴相对于桥梁起点的纵向距离，程序将自动判断整个车列各车辆车轮需加载 的纵梁号、纵向加载单元和节点号。 3 即o o 印 声0 0 00 9 户5 0 0 0 鸭 3 5 0 0 0o 矾 j 3 5 0 0 00 0 i 3 5 0 0 0 l 1 3 5 0 0 00 0j 3 5 0 j 卿0 0 叫 却0 0 叩 蕊 质量 图3 1 2 车道1 的车列输入界面 3 4 悬索桥静动载检测分析