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斜拉桥动力性能分析及健康监测研究

作　者: 程建旗
导　师: 闫维明
学　校: 北京工业大学
专　业: 防灾减灾与防护工程
关键词: 斜拉桥 车桥耦合 抗震分析 疲劳可靠度
分类号: U448.27
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本文以峪道河矮塔斜拉桥健康监测系统为研究背景,系统分析了斜拉桥非线性特点,静动力分析方法。基于ANSYS有限元模型,建立该桥成桥阶段基准有限元模型,分析该桥的静动力特性。特别是对斜拉桥的动力特性,进行了详细分析。论文主要内容有:(1)利用ANSYS程序建立该桥成桥阶段的有限元分析模型,首先进行了静力分析和模态分析;(2)基于matlab平台,编写了由路面功率谱密度函数生成路面平整度曲线的程序。考虑斜拉桥非线性特点,编制了车桥耦合分析程序,该程序可以考虑车辆动力特性、桥梁成桥预拱度、路面随机平整度、斜拉桥非线性等因素的影响。并利用该程序分析了峪道河矮塔斜拉桥车-桥耦合振动响应特性;(3)分别采用反应谱法和时程分析方法对峪道河大桥进行了地震响应分析,两者计算结果基本一致,得到墩塔梁固结矮塔斜拉桥地震响应一般特点;(4)传感器布置是峪道河大桥健康监测系统的重要组成部分之一,本文提出改进有效独立算法用于优化布置峪道河大桥加速度传感器,该方法弥补了传统有效独立法得到振动能量较低测点的缺点。通过计算,得到该桥经济,精确的三项加速度传感器优化布置方案;(5)拉索是斜拉桥重要的受力构件,振动法测索力是一种较常用的方法。利用电磁感应原理,设计了一种基于电磁感应效应的非接触式索力测量传感器,通过室内试验,表明该传感器能精确测量拉索的前几阶固有频率;(6)以拉索的索力值、抗弯刚度和计算长度作为未知参数,分析拉索频率对各参数的敏感程度,基于参数灵敏度的迭代算法可同时计算出拉索索力值,抗弯刚度和计算长度。该方法适用于拉索计算长度不能确定,频率值受抗弯刚度影响较大的短拉索;(7)基于峪道河大桥的动态车辆称重系统(WIM),并参考相关文献,建立了该桥疲劳分析的车辆荷载谱。采用已有的钢绞线斜拉索疲劳-寿命曲线,根据车辆荷载应力谱,分析了斜拉索在设计基准期内车辆荷载疲劳可靠度。结果表明,仅在车辆活载作用下,不考虑斜拉索锈蚀等因素的影响,各斜拉索满足疲劳可靠度指标的要求。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章 绪论  10-22
  1.1 斜拉桥发展概况  10-11
  1.2 车-桥耦合作用研究现状  11-12
  1.3 桥梁抗震研究现状  12-14
    1.3.1 静力法  12
    1.3.2 反应谱法  12-13
    1.3.3 时程分析法  13-14
    1.3.4 随机振动法  14
  1.4 传感器优化布置研究现状  14-16
  1.5 索力测量研究现状  16-17
  1.6 疲劳可靠度研究现状  17-19
    1.6.1 结构疲劳分析  17-18
    1.6.2 疲劳可靠度发展  18-19
  1.7 本文的研究内容  19-22
第2章 斜拉桥静动力分析  22-70
  2.1 斜拉桥受力特点  22
  2.2 斜拉桥静力分析方法  22-36
    2.2.1 桥梁非线性分类  22-23
    2.2.2 非线性分析方法  23-30
    2.2.3 斜拉桥几何非线性  30-36
  2.3 斜拉桥动力分析方法  36-42
    2.3.1 桥梁振动分析经典理论  36-40
    2.3.2 桥梁振动分析有限元法  40-41
    2.3.3 桥梁动力响应数值积分方法  41-42
  2.4 斜拉桥与车辆相互作用分析方法  42-50
    2.4.1 车桥耦合振动研究理论  42-44
    2.4.2 车桥耦合振动数值方法  44
    2.4.3 考虑路面平整度的车-桥耦合振动方程  44-47
    2.4.4 路面不平度模拟  47-50
  2.5 斜拉桥抗震性能分析方法  50-54
    2.5.1 大跨桥梁抗震分析关键问题  50-51
    2.5.2 地震反应谱响应分析  51-54
    2.5.3 地震时程响应分析  54
  2.6 峪道河斜拉桥数值模型  54-59
    2.6.1 工程概况  54-56
    2.6.2 有限元模型  56
    2.6.3 峪道河大桥静力特性  56-57
    2.6.4 峪道河大桥自振特性  57-59
  2.7 峪道河大桥车-桥耦合振动分析  59-63
  2.8 峪道河大桥抗震性能分析  63-70
    2.8.1 反应谱分析  63-66
    2.8.2 时程响应分析  66-70
第3章 斜拉桥传感器优化布置研究  70-78
  3.1 概述  70
  3.2 有效独立法传感器优化布置原理  70-72
  3.3 改进有效独立法  72-73
  3.4 峪道河大桥加速度传感器优化布置  73-78
    3.4.1 传感器布置结果  73-74
    3.4.2 传感器布置结果结果评价  74-78
第4章 拉索索力在线监测  78-88
  4.1 索力测量方法  78
  4.2 电磁感应式传感器测量拉索振动频率  78-81
    4.2.1 电磁感应式传感器设计  78-80
    4.2.2 电磁感应式传感器试验  80-81
  4.3 振动法索力测量简化模型  81-83
  4.4 基于参数灵敏度分析的拉索索力识别  83-88
第5章 斜拉索车载疲劳可靠度  88-98
  5.1 结构疲劳可靠度理论  88-90
    5.1.1 结构可靠度与计算方法  88
    5.1.2 结构动力可靠度  88-89
    5.1.3 结构疲劳可靠度  89-90
  5.2 车辆荷载谱与应力谱  90-95
    5.2.1 车辆荷载概率分布  90-91
    5.2.2 车辆荷载极值概率分布  91
    5.2.3 车辆荷载谱  91-93
    5.2.4 斜拉索车辆荷载效应  93-94
    5.2.5 斜拉索等效疲劳应力幅  94-95
  5.3 斜拉索疲劳可靠度  95-98
    5.3.1 斜拉索应力-寿命曲线  95
    5.3.2 斜拉索疲劳可靠度计算  95-98
结论与展望  98-100
  结论  98-99
  工作展望  99-100
参考文献  100-104
攻读硕士学位期间的取得研究成果  104-105
致谢  105

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 桥涵工程 > 各种桥梁 > 桥梁：按结构分 > 斜拉桥
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