（工程力学专业论文）基于应变监测的大跨索支承桥梁受损索识别的研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：艺兰趁日期：丝f 竺：! ：三 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：羞至塾导师签名：研究生签名：笸! 坠导师签名：期：型! ：! ： 中文摘要 中文摘要 本文致力于索支承结构中索系统的健康监测问题，以一座斜拉桥的有限元模型为具体研究对象， ( 该斜拉桥的原型背景为苏拉马都大桥，以下简称为s 桥) ，介绍了一种针对索支承结构中所有承 载索的新型的健康监测技术。在s 桥有限元基准模型的基础上，通过有限元模拟方法具体计算了不 同的承载索在没有损伤和不同损伤条件下的节点( 拉索与桥面主梁相连的节点) 应变( 亦可称之为主 梁应变) ，深入探究了这两组数据变化的规律，得到了一些有片j 的结论。 本文主要研究的工作概述如下： ( 1 ) 本文以s 桥为研究对象，通过有限元模拟方法在s 桥有限元基准模犁的基础上进行模拟计 算。系统研究验证了s 桥所有承载索处相应的主梁应变变化同所有承载索的健康状况间线性关系的 假说。验证数据表明，线性关系假说在计算设定的最大4 0 的损伤程度的计算范同内是可以接受的。 ( 2 ) 本文研究表明，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，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，基于应变变化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。 关键词：索支承桥，索，应变，线性关系，结构健康监测，多目标优化。 b r i d g e al o to fs p e c i f i cc a l c d a t i o no ft h en o d es t r a i nw h i c hi st h ec o n n e c t i o np o i n ts t r a i no f a l ls u p p o r t i n gc a b l e sa n dg i r d e ra r ee x e c u t e dt h r o u g hf i n i t ee l e m e ms i m u l a t i o nm e t h o db a s e d o nt h ef i n i t ee l e m e n tb a s e l i n em o d e lo ft h eb r i d g ew h e na l ls u p p o r t i n gc a b l e so fs b r i d g ea r e n o td a m a g e da n ds o m es u p p o r t i n gc a b l e sa r ea p p o i n t e dt ob ed a m a g e da tt h es a m eo r d i f f e r e n td e g r e e t h e s et w od i f f e r e n ts e t so fd a t aa r es t u d i e dc a r e f h l l vt of i n ds o m ep o t e n t i a l r u l e st h a tm i g h tb eh e l p f u lf o ri d e n t i f i c a t i o no fd a m a g e dc a b l e sb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o nd a t a b a s ea n ds t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gt e c h n i q u e 1 1 1 em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) f i r s t l y , af i n i t ee l e m e n tb a s e l i n em o d e lo fsb r i d g ea n di t sr e l a t e dp a r a m e t e r sa r e i n t r o d u c e d t h ec o n n e c t i o nn o ds t r a i no f14 0s u p p o r t i n gc a b l e sa n db r i d g ea r ec a l c u l a t e d t h r o u g hf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm e t h o db a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tb a s e l i n em o d e lo ft h e b r i d g ew h e ns o m es u p p o r t i n gc a b l e sa r ea p p o i n t e dt ob ed a m a g e da tt h es a m eo rd i f f e r e n t d e g r e e s e c o n d l y , al i n e a rr e l a t i o n s h i ph y p o t h e s i si si n t r o d u c e da n dt e s t e db a s e do nt h e 英文摘要 s i m u l a t e dr e s u l t so ft h ef i r s tp a r t i ti sf o u n dt h a tt h ei n t r o d u c e dm e t h o dt oi d e n t i f yd a m a g e d c a b l e so fsb r i d g ei sv e r ye f f e c t i v ei ns o m ed e g r e e k e y w o r d s ：c a b l e s u p p o n e db r i d g e ，c a b l e ，s t r a i n ，l i n e a rr e l a t i o n s h i p ，s t r u c t u r a l h e a l t hm o n i t o r i n g ，m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n i i i 目录 中文摘要 a b s t r a c t 目录 目录 图表清单 注释表 第一章绪论 x l 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 斜拉桥结构简介l 1 2 1 斜拉桥的现状2 1 2 2 斜拉桥未来的发展方向2 1 3 国内外研究现状。3 1 3 1 结构健康监测技术在桥梁结构方面的应用现状3 1 3 2 结构健康监测技术在支承索测试方面的应用现状5 1 4 本文研究的主要目的与内容7 1 4 1 本文研究的主要目的7 1 4 2 本文研究的主要内容。7 第二章有限元模型的相关介绍。 8 2 1 研究对象背景简介。8 2 2 斜拉桥有限元模型图及其相关参数介绍。9 2 3 斜拉桥有限元基准模型的确定1 4 2 3 1 桥索初应变的比较1 4 2 3 2 桥面线形比较l5 2 4 斜拉桥几何非线性及在a n s y s 中的实现。1 7 2 4 1 斜拉索的非线性一垂度效应l7 2 4 2 结构大变形效应l8 2 5 本章小结1 9 第三章关于承载索处相应的主梁相对应变变化的线性关系假说 3 1 引言2 0 3 2 不同承载索损伤程度下主梁应变模拟分析2 0 3 2 1 材料损伤状态的描述2 0 3 2 2 拉索损伤条件下的有限元模拟方法2 l 3 3 关于承载索处相应的主粱相对应变变化的线性关系假说2 2 3 4 对线性关系假说的考核2 4 3 4 1 仅有一根索受损时的线性关系考核2 4 3 4 2 受损索的数量多于1 根时的线性关系考核2 6 i v 目录 3 5 线性关系误差的统计分析3 7 3 6 本章小结4 2 第四章基于多目标优化算法的桥索损伤识别 4 1 引言4 3 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 3 4 2 1 存在的问题4 3 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 4 4 2 3 识别s 桥受损索的具体步骤4 5 4 3 基于多目标优化算法的桥索损伤识别4 6 4 3 1 仅有一根索受损时的损伤识别结果4 6 4 3 2 多于一根索受损时的损伤识别结果4 9 4 4 本章小结6 2 第五章全文总结与展望 6 3 5 1 全文工作总结6 3 5 2 后续研究工作的展望6 3 参考文献 致谢 v 6 5 6 9 图表清单 图表清单 图2 1 苏拉马都大桥8 图2 2 苏拉马都桥截面9 图2 3 南半桥斜拉索编号9 图2 4 斜拉桥示意图1 0 图2 5 全桥立面图1 0 图2 6 全桥轴测图1 0 图2 7 拉索与吊梁连接点详图1 0 图2 8 零号索与主梁连接图1 1 图2 9 有限元模型桥面线型与设计桥面线形比较1 7 图3 1 当受损索n s u l 的损伤是( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应变的误差向 量图2 4 图3 2 当受损索n s u 4 的损伤是( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应变的误差向 量图2 4 图3 3 当受损索n s u 9 的损伤是( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应变的误差向 量图2 4 图3 4 当受损索n s u l 3 的损伤是( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应变的误差向 量图2 5 图3 5 当受损索n s u l 7 的损伤是( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应变的误差向 量图2 5 图3 6 当受损索n s u l 8 的损伤是( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应变的误差向 量图2 5 图3 7 当受损索n m u l 的损伤是( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应变的误差向 量图2 5 图3 8 当受损索n 删9 的损伤是( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应变的误差向 量图2 5 图3 9 当受损索n m u l 7 的损伤是( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应变的误差向 量图2 6 图3 1 0 当第1 个算例中的2 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应变 的误差向量图2 7 图3 1 l 当第2 个算例中的2 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应变 的误差向量图2 7 图3 1 2 当第3 个算例中的2 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应变 的误差向量图2 7 图3 1 3 当第1 个算例中的1 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图2 8 图3 1 4 当第2 个算例中的1 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图2 8 图3 1 5 当第3 个算例中的1 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图2 8 图3 1 6 当第1 个算例中的1 5 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图2 8 v i 图表清单 图3 1 7 当第2 个算例中的1 5 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图2 9 图3 1 8 当第3 个算例中的1 5 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图2 9 图3 1 9 当第1 个算例中的2 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图2 9 图3 2 0 当第2 个算例中的2 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 0 图3 2 l 当第3 个算例中的2 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 0 图3 2 2 当第1 个算例中的2 5 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 0 图3 2 3 当第2 个算例中的2 5 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 1 图3 2 4 当第3 个算例中的2 5 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向鼍图3 1 图3 2 5 当第1 个算例中的3 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 1 图3 2 6 当第2 个算例中的3 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 2 图3 2 7 当第3 个算例中的3 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 2 图3 2 8 当第1 个算例中的4 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 2 图3 2 9 当第2 个算例中的4 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 3 图3 3 0 当第3 个算例中的4 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 3 图3 3 1 当第1 个算例中的5 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 3 图3 3 2 当第2 个算例中的5 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 4 图3 3 3 当第3 个算例中的5 0 根索同时损伤( 8 ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 4 图3 3 4 当第1 个算例中的7 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 5 图3 3 5 当第2 个算例中的7 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 5 图3 3 6 当第3 个算例中的7 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 5 图3 3 7 当第1 个算例中的1 0 5 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 6 图3 3 8 当第2 个算例中的1 0 5 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 6 v i i 图表清单 图3 3 9 当第3 个算例中的1 0 5 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 和( e ) 4 0 时y 方向主梁相对应 变的误差向量图3 6 图3 4 0 当全部1 4 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时y 方向主梁相对应变的误差向 量图3 7 图4 1 当受损索n s u l 损伤是( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果4 6 图4 2 当受损索n s u 4 损伤是( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果4 6 图4 3 当受损索n s u 9 损伤是( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 0 , 6 和( c ) 4 0 9 6 时的识别结果4 7 图4 4 当受损索n s u l 3 损伤是( a ) 1 0 0 , 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果4 7 图4 5 当受损索n s u l 7 损伤是( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果4 7 图4 6 当受损索n s u l 8 损伤是( a ) 1 0 0 , 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果4 7 图4 7 当受损索n m u l 损伤是( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果4 7 图4 8 当受损索n m u 9 损伤是( a ) 1 0 0 , 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果4 8 图4 9 当受损索n m u l 7 损伤是( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果4 8 图4 1 0 当第1 个算例中的2 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 0 图4 1 l 当第2 个算例中的2 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 0 图4 1 2 当第3 个算例中的2 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 0 图4 1 3 当第1 个算例中的1 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 l 图4 1 4 当第2 个算例中的1 0 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 1 图4 1 5 当第3 个算例中的1 0 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 0 , 6 时的识别结果5 l 图4 1 6 当第1 个算例中的1 5 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 2 图4 1 7 当第2 个算例中的1 5 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 2 图4 1 8 当第3 个算例中的1 5 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 2 图4 1 9 当第1 个算例中的2 0 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 3 图4 2 0 当第2 个算例中的2 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 0 , 6 和( c ) 4 0 时的识别结果5 3 图4 2 1 当第3 个算例中的2 0 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 3 图4 2 2 当第1 个算例中的2 5 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 4 图4 2 3 当第2 个算例中的2 5 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 9 6 和( c ) 4 0 , 0 6 时的识别结果5 4 图4 2 4 当第3 个算例中的2 5 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 5 图4 2 5 当第1 个算例中的3 0 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果 5 5 图4 2 6 当第2 个算例中的3 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 6 图4 2 7 当第3 个算例中的3 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 6 图4 。2 8 当第1 个算例中的4 0 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 7 图4 2 9 当第2 个算例中的4 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 7 图4 3 0 当第3 个算例中的4 0 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 9 6 和( c ) 4 0 时的识别结果5 7 图4 3 1 当第1 个算例中的5 0 根索同时损伤( a ) 1 0 0 , 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 8 图4 3 2 当第2 个算例中的5 0 根索同时损伤( a ) 1 0 0 , 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 , 0 6 时的识别结果5 8 图4 3 3 当第3 个算例中的5 0 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 8 图4 3 4 当第1 个算例中的7 0 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 9 图4 3 5 当第2 个算例中的7 0 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 9 6 和( c ) 4 0 时的识别结果5 9 图4 3 6 当第3 个算例中的7 0 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 时的识别结果5 9 图4 3 7 当第3 个算例中的1 0 5 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 0 , 6 和( c ) 4 0 时的识别结果6 0 图4 3 8 当第3 个算例中的1 0 5 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 和( c ) 4 0 n , 6 时的识别结果6 1 图4 3 9 当第3 个算例中的1 0 5 根索同时损伤( a ) 1 0 ，( b ) 2 0 0 , 6 和( c ) 4 0 时的识别结果6 l 图4 4 0 当全部1 4 0 根索同时损伤( a ) 1 0 9 6 ，( b ) 2 0 0 , 6 和( c ) 4 0 时的识别结果6 2 v l l i 图表清单 表2 1 桥梁有限元模型输入参数( 不包括桥索) 1 1 表2 2 桥索模型输入参数1 2 表2 3 北半桥桥索模型输入参数1 3 表2 4 南半桥拉索应变对照表1 4 表2 5 桥面高差比较( 以桥跨中心标高0 0 0 0 处为坐标原点) 1 5 表2 6 索单元数量选择表1 8 表3 1图3 1 0 - 图3 1 2 中2 根受损索各自对应的实常数列表2 7 表3 2 图3 1 3 - 图3 1 5 中l o 根受损索各自对应的实常数列表2 7 表3 3 图3 1 6 - 图3 1 8 中1 5 根受损索各自对应的实常数列表2 8 表3 4 图3 1 9 - 图3 2 l 中2 0 根受损索各自对应的实常数列表2 9 表3 5 图3 2 2 - 图3 2 4 中2 5 根受损索各自对应的实常数列表3 0 表3 6 图3 2 5 - 图3 2 7 中3 0 根受损索各自对应的实常数列表3 1 表3 7 图3 2 8 - 图3 3 0 中4 0 根受损索各自对应的实常数列表3 2 表3 8 图3 3 1 - 图3 3 3 中5 0 根受损索各自对应的实常数列表3 3 表3 9 图3 3 4 - 图3 3 6 中7 0 根受损索各自对应的实常数列表3 4 表3 1 0 图3 3 7 - 图3 3 9 中1 0 5 根受损索各自对应的实常数列表3 5 表3 1 1 损伤程度为5 的y 方向主梁相对应变的误差向量统计表3 8 表3 1 2 损伤程度为1 0 的y 方向主梁相对应变的误差向量统计表3 9 表3 1 3 损伤程度为2 0 的y 方向主梁相对应变的误差向量统计表4 0 表3 1 4 损伤程度为4 0 的y 方向主梁相对应变的误差向量统计表4 1 表4 1 受损索数目为1 根且受损索受损程度为1 0 时的识别统计分析4 8 表4 2 受损索数目为1 根且受损索受损程度为2 0 时的识别统计分析4 8 表4 3 受损索数目为1 根且受损索受损程度为4 0 时的识别统计分析4 9 表4 4 受损索数目为2 根且受损索受损程度为1 0 9 6 ，2 0 ，4 0 时的识别统计分析5 0 表4 5 受损索数目为1 0 根且受损索受损程度为1 0 9 6 ，2 0 ，4 0 时的识别统计分析5 1 表4 6 受损索数目为1 5 根且受损索受损程度为1 0 ，2 0 ，4 0 时的识别统计分析5 2 表4 7 受损索数目为2 0 根且受损索受损程度为1 0 ，2 0 ，4 0 时的识别统计分析5 4 表4 8 受损索数目为2 5 根且受损索受损程度为1 0 9 6 ，2 0 ，4 0 时的识别统计分析5 5 表4 9 受损索数目为3 0 根且受损索受损程度为1 0 9 6 ，2 0 ，4 0 时的识别统计分析5 6 表4 1 0 受损索数目为4 0 根且受损索受损程度为1 0 9 6 ，2 0 ，4 0 时的识别统计分析5 7 表4 1 1 受损索数目为5 0 根且受损索受损程度为1 0 ，2 0 ，4 0 时的识别统计分析5 8 表4 1 2 受损索数目为7 0 根且受损索受损程度为1 0 ，2 0 ，4 0 时的识别统计分析6 0 表4 1 3 受损索数目为1 0 5 根且受损索受损程度为1 0 ，2 0 ，4 0 时的识别统计分析6 l 表4 1 4 受损索数目为1 4 0 根且受损索受损程度为1 0 ，2 0 ，4 0 时的识别统计分析6 2 i x 图表清单 国损伤因子 彳 索在未受损伤时的初始横截面面积 仃 名义应力，即c a u c h y 应力 e索在未受损伤时的初始杨氏弹性模量 注释表 e索在损伤时的当前杨氏弹性模量 s材料在未受损伤时的应变 c a 所有承载索处相应的主梁相对应变向量 s 单位损伤主梁相对应变矩阵 外加荷载 索损伤后的当前有效承载面积 有效应力 损伤程度 当前相对损伤度 材料在损伤后的应变 线性关系考核误差向量 单位损伤 向量的第f 个元素，是s 桥所有1 4 0 根承载索中第f 号承载索处相应的当前主梁应变，也 即当某一根索受损时第f 号承载索处相应的当前主梁应变 向量。的第f 个元素，是s 桥所有1 4 0 根承载索中第，号承载索处相应的初始主梁应变，也 即无损条件下该索处相应的初始主梁应变 s 桥所有1 0 4 根支撑索处相应的当前主梁应变向量 s 桥所有1 0 4 根支撑索处相应的初始主梁应变向量，即无损状态下的主粱应变向量 所有的当前主梁应变组成基于有限元基准模型的当前主梁应变向量 x f 彳 2 b d d f p d a 加 5 踟 “ 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 桥梁是现代交通的重要组成部分，承担着地区间各种资源的迅速流通功能，是国民经济发展的必 要基础设施。大型桥梁造价动辄几亿甚至几十亿元，在交通、军事和社会生活等方面有着重要的战略 意义。西方发达国家大多于2 0 世纪中期开始进行大规模的高等级公路和高速公路建设，至今已形成 了完善的公路网络体系，建设工作主要转向公路及桥梁的维护。桥梁在建造和使用过程中，由于受到 环境、有害物质的侵蚀，车辆、风、地震、疲劳、人为冈素等作用，以及材料自身性能的不断退化， 导致结构各部分在远没有达到设计年限前就产生不同程度的损伤和劣化。这些损伤如果不能及时得 到检测和维修，轻则影响行车安全和缩短桥梁使用寿命，重则导致桥梁突然破坏和倒塌。另一方面， 桥梁突然垮塌的事故也时有发生，每次均造成了惨重的损失。桥梁在服役过程中受环境、荷载因素影 响，强度和刚度随着时间的增加而降低，从而会影响行车安全，更会使桥梁的使用寿命缩短。 目前，桥梁的长期检杏主要还是定期的人工检测。但定期人工检测的局限性较多：不能及时发现 间隔期内的损伤；结构的某些部位人难以到达；工作量大、费用高。在结构布局和规模都十分复杂 的大型桥梁上仍沿用传统的桥梁外观检查、养护、维修程序以及常规的局部检测，显然已难以全面反 映桥梁的健康状况，尤其是难以对桥梁的安全储备以及退化途径作出系统的评价。 建立和发展某种能够提供整体和全面的全桥结构检测和评估信息的监测系统，随时了解大桥结 构的承载能力和安全储备，对保证大桥运营的安全性和耐久性都是十分必要的。针对桥梁结构的受力 特点，在结构的某些部位安装一定数量的传感器，在线监测结构的模态参数、加速度和应变等指标， 利用模态识别技术来判断结构的损伤模式和损伤程度，并对其健康状况做出评估，在灾难来临之前 进行预警，进而为结构的维修加同提供依据。这种健康诊断技术系统不仅能够确保工程的正常运行， 而且可以节省大量的人力、物力，降低工程的维护成本。 本文以斜拉桥斜拉索的健康监测为背景，通过对斜拉桥空间基准有限元模型计算和数据分析， 得出索与桥面相关节点应变的变化规律，研究并验证了一个合理有效的方法，该方法将索系统中承载 索与主梁连接处的应变变化同索系统中所有承载索的健康状况相关联，进而进行了该桥桥索的损伤 识别，研究的内容与成果具有重要的理论意义和应用价值。 1 2 斜拉桥结构简介【1 - r l 随着国民经济和交通量的日益发展和增加，越来越多的高等级公路有待于修建，这就给桥梁的 发展带来了新的机遇。现代桥梁正朝着人跨径、更轻巧的方向发展。当今社会一般采用两种大跨径 桥梁结构来跨越大江、河流。一种是斜拉结构，上部构造由斜索支承，斜索顺次锚固或支承于竖塔上。 另一种结构为悬索结构，上部构造由竖索支承，竖索吊在悬索上，悬索支承于竖塔，端部锚固。本文所 研究的索支承桥是一座斜拉桥，因此以下将主要介绍有关斜拉桥的相关背景知识。 现代斜拉桥始建于1 9 5 6 年，虽然历史不是很久远，但发展异常迅速。在短短的4 0 年时间里，其跨 径从1 8 2 6 m 发展剑现在的1 0 0 0 m 以上。斜拉桥的发展主要经历了三个阶段。 第一代斜拉桥以稀索为特征，稀索在主梁上的间距一般为3 0 - 6 0m ( 钢梁) 及1 5 3 0m ( 混凝土 梁) ，梁以受弯为主，故梁的弯矩及剪力仍相当大而需要有较大的梁高。斜拉索的内力与截面相对来 说也较大，因此给架设和施工也带来较多的困难。斜拉索锚i 司点的构造细节较复杂，其附近常需作大规 模的补强，耗材也多。这一代斜拉桥以委内瑞拉的马拉开波桥为代表。结构形式简单，受力明确，索的 东南大学硕士学位论文 养护工作量少，但自重大、梁高、跨径很难发展。 第二代斜拉桥的特征是密索体系，梁的受力状态以受压为主，其截面有所减小，并可以根据需要 进行换索而不中断交通。结构体系较多地采用塔墩同结的漂浮体系，在承受地震水平力时呈现漂浮状 态，因振动周期与地震周期不同而增大阻尼，可保持桥梁的安全。密索体系的应用，使主梁高度轻型化， 同时，也使斜拉桥的跨径显著增大。这代斜拉桥以美国的p k 桥和法国勃鲁东桥为开端。我国上 海的泖港人桥与济南黄河大桥也属于第二代斜拉桥。 第三代斜拉桥的特征是轻型化，多采用开口截面，而且梁高很小，与跨径关系不大。如法国的诺曼 底大桥梁高3 1 0 5 m ，日本的多多罗大桥梁高2 1 7 m ，我国的青洲闽江大桥梁高2 1 8 m 。 目前全世界已建斜拉桥达3 0 0 余鹰，其种类多种多样、丰富多彩。以材料分有：钢斜拉桥、p c 斜 拉桥、叠合梁和混合梁斜拉桥。以锚同方式分有：自锚式、地锚式和部分地锚式斜拉桥。以荷载类 型分有：公路桥、铁路桥和公、铁两用桥。 1 2 1 斜拉桥的现状 1 不同材料斜拉桥的现状 钢斜拉桥由于质量轻，施工节段长，跨越能力大，冈此在早期得到了广泛的应用，特别是日本，一般 采用箱形截面。p c 斜拉桥( p r e s t r e s s e dc o n c r e t e 斜拉桥，即预应力混凝土斜拉桥) 在6 0 年代开始 修建，7 0 年代以来发展迅速，其原冈是经济性好且养护量小，我国一直以修建p c 斜拉桥为主。叠合 梁斜拉桥以其独特的优势，得到了迅速发展。与p c 斜拉桥相比恒载较轻、安装节段长：与钢斜拉桥相 比刚度大、可采用轻型而又方便的开口截面，且能保持风动稳定。根据德国学者分析，p c 斜拉桥的经 济跨径为7 4 0 m m ( 叠合梁斜拉桥在3 0 0 6 0 0 m m ) ，跨径内大有用武之地。随着斜拉桥跨径的增大，为 减少主跨的内力、变形，防止边跨支座产生负反力，需加大边跨的重量与刚度，故采用混合梁斜拉桥，即： 边跨采用砼，主跨采用钢或叠合梁的斜拉桥。主跨与边跨的连接点多设在主跨内( 如诺曼底大桥) ，以缩 短主跨梁长，增大边跨刚度。混合梁斜拉桥在跨径4 0 0 m 以上，尤其在跨径6 0 0 m 以上时，极具经济性， 这为大跨径斜拉桥的发展开辟了新路子。 2 不同锚同形式斜拉桥的现状 一般来说，斜拉桥属自锚体系，在受地形和其它条件限制主跨很大而边跨很小或无边跨时，可采 用地锚或部分地锚式斜拉桥。地锚式斜拉桥属单跨式，由于不存在边跨的关系，塔后斜拉索只能采用 地锚形式，同时梁内的水平轴力必须由相应的下部结构来承受。部分地锚式斜拉桥必须在梁的构造 上采取措施以适应温度变化时结构长度的变化。如两班牙的卢纳桥和郧阳汉江人桥主梁均在跨中插 入剪力铰。由于剪力铰的存在破坏了桥面的连续性与桥梁结构的整体性，再加上铰的设计、施工、 养护等方面的难度，应尽量避免采用。 3 不同荷载类型斜拉桥的现状 迄今为止，斜拉桥用于铁路的实例甚少，公、铁两用斜拉桥的实例也不是很多。 1 2 2 斜拉桥未来的发展方向 目前斜拉桥一方面继续向更大跨径发