專(zhuān)利名稱(chēng)：一種針對(duì)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于橋梁工程中橋梁結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及大跨異形鋼管混凝土系桿拱橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)、監(jiān)測(cè)策略。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)的基本監(jiān)測(cè)功能是通過(guò)傳感器系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，合理布置傳感器是保證結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)質(zhì)量的前提。目前，關(guān)于橋梁監(jiān)測(cè)傳感器布點(diǎn)多是基于經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于異形系桿鋼管拱橋這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，經(jīng)驗(yàn)不能保證傳感器的布點(diǎn)質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，傳感器應(yīng)布置在應(yīng)力集中點(diǎn)、結(jié)構(gòu)支承點(diǎn)、對(duì)結(jié)構(gòu)荷載重新分配影響比較大的構(gòu)件、對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的敏感點(diǎn)以及一些經(jīng)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)。目前在健康監(jiān)測(cè)和狀態(tài)評(píng)估研究中，傳感器優(yōu)化布置研究大多是針對(duì)動(dòng)力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的加速度傳感器的優(yōu)化布置，包括基于模態(tài)分量線(xiàn)性獨(dú)立性分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)傳感器測(cè)點(diǎn)優(yōu)化的有效獨(dú)立法；基于模態(tài)動(dòng)能較大的自由度上的響應(yīng)分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)傳感器測(cè)點(diǎn)優(yōu)化的模態(tài)應(yīng)變能法；遺傳算法等。對(duì)于靜動(dòng)力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的應(yīng)變傳感器研究較少，常常是按常規(guī)布置。而實(shí)際的異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)中需要關(guān)心的區(qū)域是不同的。另一方面，傳感器的優(yōu)化布設(shè)依賴(lài)于準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)分析。在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)，通常用較粗的網(wǎng)格劃分整體結(jié)構(gòu)，不考慮局部一些細(xì)節(jié)構(gòu)造，主梁通常采用脊骨梁模型來(lái)模擬。因此無(wú)法對(duì)局部受力狀態(tài)做出精確分析。整體結(jié)構(gòu)分析可以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)整體性態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器布設(shè)的要求，難以滿(mǎn)足局部性態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器布設(shè)的要求以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的要求。目前，國(guó)內(nèi)外的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是針對(duì)大跨纜索支承型特大橋梁，關(guān)于系桿拱橋、預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則較少。隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，鋼管混凝土系桿拱橋等規(guī)模越來(lái)越大，而在拱橋在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中普遍存在吊桿損傷、系桿內(nèi)力松弛、 預(yù)應(yīng)力松弛或失效、裂縫等病害現(xiàn)象。本發(fā)明針對(duì)的異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)組成為主拱是由三根線(xiàn)形均為拋物線(xiàn)的空間鋼管拱肋組合而成；中間主拱肋和兩側(cè)副拱肋在拱腳處交匯在一起，形成上寬下窄的空間拱肋體系；三根鋼管拱肋之間橫向由斜撐和橫撐聯(lián)系。拱腳、梁、墩在交匯處為固結(jié)，并與懸臂半孔形成倒三角形剛架結(jié)構(gòu)，縱橫梁、拱肋相互交錯(cuò)、受力復(fù)雜，而且又為材料不同的復(fù)合結(jié)構(gòu)。體外水平系桿索在橋面連續(xù)箱梁和鋼箱梁內(nèi)。吊桿為橋面中心豎直吊桿和兩側(cè)斜吊桿組成的三索面，為了保證運(yùn)營(yíng)期間大橋各構(gòu)件正常工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁發(fā)生的變化和病害，采取有效的維護(hù)措施，有必要建立一套有效的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以評(píng)定其安全狀況。因此，針對(duì)異形鋼管混凝土系桿拱橋，研究不同目標(biāo)的結(jié)構(gòu)分析方法、不同尺度有限元模型之間的相互驗(yàn)證與銜接、傳感器優(yōu)化布設(shè)方法，對(duì)于建立大跨異形鋼管混凝土系桿拱橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明提供了一種可保證健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器的魯棒性、有效性、經(jīng)濟(jì)合理性的針對(duì)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)方法。技術(shù)方案本發(fā)明的針對(duì)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)方法，包括以下步驟
1)根據(jù)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)，采用通用有限元程序建立全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型、倒三角形剛架精細(xì)子模型，并在全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型中定義倒三角形剛架精細(xì)子模型的切割邊界節(jié)點(diǎn)；
2)對(duì)步驟1)中建立的全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型分別進(jìn)行恒載和交通荷載作用下的全橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，然后根據(jù)該響應(yīng)分析的結(jié)果確定整體性受力構(gòu)件的易損性，繼而確定結(jié)構(gòu)受力整體分析層次上的傳感器布設(shè)項(xiàng)目和傳感器布設(shè)位置；
3)調(diào)用步驟2)中全橋結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)分析的結(jié)果，采用插值法計(jì)算步驟1)中定義的精細(xì)子模型切割邊界節(jié)點(diǎn)的自由度數(shù)值，再用單元形函數(shù)將這些自由度數(shù)值插值到精細(xì)子模型切割邊界節(jié)點(diǎn)上；
4)對(duì)步驟3)中已在切割邊界節(jié)點(diǎn)上插值自由度數(shù)值的精細(xì)子模型分別進(jìn)行恒載和交通荷載作用下的子模型結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析；然后根據(jù)該響應(yīng)分析的結(jié)果確定倒三角形剛架上的精細(xì)子模型受力構(gòu)件的易損性，繼而確定精細(xì)子模型上的傳感器布設(shè)項(xiàng)目和傳感器布設(shè)位置。本發(fā)明中，步驟1)中的建立全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型中，采用空間桿單元模擬空間鋼管拱肋、吊桿、系桿、主拱肋與副拱肋之間的聯(lián)系構(gòu)件，采用空間梁?jiǎn)卧M其他構(gòu)件。本發(fā)明中，步驟1)中所述的通用有限元程序采用ANSYS軟件，所述的建立全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型，是采用空間梁?jiǎn)卧狟eam44模擬加勁梁、拱肋、拱肋間的支撐桿、 拱座的拱肋；系桿、吊桿采用只受拉的空間桿單元LinklO進(jìn)行建模，拱肋按吊桿吊點(diǎn)位置進(jìn)行離散，加勁梁按照吊桿吊點(diǎn)離散；橋面鋪裝等二期恒載通過(guò)折算密度計(jì)入全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型中，只計(jì)質(zhì)量不計(jì)剛度；邊界條件為拱肋與拱座、拱肋與系桿、拱座的底部采用完全固接，加勁梁與拱座在橫橋向的位移和順橋向的轉(zhuǎn)動(dòng)采用主從約束。本發(fā)明中，步驟1)中所述的倒三角形剛架精細(xì)子模型，是采用ANSYS軟件中的 S0LID95單元和S0LID92單元對(duì)混凝土部份混合建模，使用ANSYS軟件中的SHELL93單元對(duì)拱座外包鋼板建模。本發(fā)明中，所述步驟1)中的在全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型中定義倒三角形剛架精細(xì)子模型的切割邊界節(jié)點(diǎn)，是把全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型與倒三角形剛架精細(xì)子模型的
坐標(biāo)統(tǒng)一。本發(fā)明中，步驟2)中所述的全橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，是根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及”公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTG D60—2004”，對(duì)整體有限元模型先后進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析和敏感性分析；所述的敏感性分析包括位移敏度分析和應(yīng)力敏度分析。本發(fā)明中，步驟2)中所述確定結(jié)構(gòu)受力整體分析層次上的傳感器布設(shè)項(xiàng)目和傳感器布設(shè)位置，是根據(jù)全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型的靜力分析結(jié)果中的位移最大值及靈敏度最大值位置為傳感器布置位置。
本發(fā)明中，步驟3)中所述用單元形函數(shù)將這些自由度數(shù)值插值到精細(xì)子模型切割邊界節(jié)點(diǎn)上，是先獲取整體模型中切割邊界節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力與位移值，再用單元形狀函數(shù)對(duì)整體結(jié)構(gòu)模型邊界結(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力進(jìn)行插值，將所得到的位移與應(yīng)力值作為精細(xì)子模型單元邊界結(jié)點(diǎn)位移與荷載初始值。本發(fā)明中，步驟4)所述的子模型結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，是根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及”公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTG D60—2004”，對(duì)精細(xì)子模型先后進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析和敏感性分析； 所述的敏感性分析包括位移敏度分析和應(yīng)力敏度分析。本發(fā)明中，步驟4)中所述確定精細(xì)子模型上的傳感器布設(shè)項(xiàng)目和傳感器布設(shè)位置，是根據(jù)精細(xì)子模型的靜力分析結(jié)果中的位移最大值及靈敏度最大值位置為傳感器布置位置。本發(fā)明中的模型方法又稱(chēng)為切割邊界位移法或特定邊界位移法。切割邊界就是子模型從整個(gè)較粗糙的模型分割開(kāi)的邊界，把整體模型切割邊界的計(jì)算位移值即為子模型的邊界條件。子模型基于圣維南原理的分析方法，即如果實(shí)際分布載荷被等效載荷代替以后， 應(yīng)力和應(yīng)變只在載荷施加的位置附近發(fā)生改變。單元形函數(shù)規(guī)定了從整體模型節(jié)點(diǎn)自由度數(shù)值到子模型邊界單元內(nèi)所有點(diǎn)處自由度數(shù)值的計(jì)算方法，因此，單元形函數(shù)提供出一種描述單元內(nèi)部結(jié)果的“形狀”。單元形函數(shù)描述的是給定單元的一種假定的特性，單元形函數(shù)與真實(shí)工作狀態(tài)的相似度直接影響求解精度。單個(gè)自由度數(shù)值可能與真實(shí)解有較大誤差，但單元內(nèi)自由度數(shù)值的平均值與真實(shí)解在統(tǒng)計(jì)意義上的誤差在可以接受的范圍內(nèi)。這些插值后的節(jié)點(diǎn)自由度數(shù)值從全橋結(jié)構(gòu)整體模型中的單元自由度數(shù)值推導(dǎo)出來(lái)的，如果單元形函數(shù)不能精確的描述該單元自由度數(shù)值，就不能很好的得到精細(xì)子模型切割邊界節(jié)點(diǎn)上的自由度數(shù)值。需要說(shuō)明是的當(dāng)選擇了某種單元類(lèi)型時(shí)，也就十分確定地選擇并接受了該種單元類(lèi)型所假定的單元形函數(shù)，所以在選定單元類(lèi)型并隨之確定了單元形函數(shù)的情況下，必須確保分析時(shí)精細(xì)子模型有足夠數(shù)量的單元和節(jié)點(diǎn)來(lái)精確描述全橋結(jié)構(gòu)整體模型中切割邊界上的自由度數(shù)值。本發(fā)明中的敏感分析方法目前來(lái)說(shuō)有三種位移敏度分析法、應(yīng)力敏度分析法和頻率敏度分析法，這三種分析方法都是通過(guò)某一物理參數(shù)作微小變化，來(lái)判斷對(duì)結(jié)構(gòu)某一截面位移的變化情況并分析此物理參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的敏感程度。利用敏感性理論進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)自變量變化敏感的區(qū)域，包括荷載變化敏感性區(qū)域；力學(xué)參數(shù)變化的敏感性區(qū)域；下部結(jié)構(gòu)變化的敏感性區(qū)域；發(fā)明中主要用到位移敏度分析法和應(yīng)力敏度分析法，當(dāng)整體模型或精細(xì)子模型上的外界荷載因子參數(shù)發(fā)生微小變化時(shí)，變形較大的區(qū)域和效應(yīng)量較大的區(qū)域?yàn)楸O(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域。如果某區(qū)域結(jié)構(gòu)變形或效應(yīng)量較大，則說(shuō)明這外界荷載因子改變對(duì)整體模型或精細(xì)子模型影響程度大，亦即結(jié)構(gòu)的該位置敏感性大。本發(fā)明中的靜力分析是指計(jì)算在固定不變的載荷作用下整體模型或精細(xì)子模型的效應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響。但靜力分析可以計(jì)算固定不變的慣性載荷(如重力) 對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，以及那些可以近似為等價(jià)靜力作用的隨時(shí)間變化載荷(如通常在建筑規(guī)范中所定義的交通荷載的等效荷載)。有益效果異形系桿鋼管拱橋，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于模型分析時(shí)簡(jiǎn)化的原因，常規(guī)的傳感器布設(shè)方法很難對(duì)其結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位進(jìn)行傳感器布置，本方法通過(guò)子模型方法對(duì)復(fù)雜部位進(jìn)行二次分析，能夠更有效把握復(fù)雜部位受力狀況，進(jìn)而能對(duì)于傳感器布置提供更加詳細(xì)的依據(jù)。本發(fā)明方法基于多尺度有限元的整體性態(tài)響應(yīng)分析與局部結(jié)構(gòu)性態(tài)響應(yīng)分析方法的傳感器優(yōu)化布設(shè)方法的提出，可以保證異形鋼管混凝土系桿拱橋健康監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)的魯棒性、有效性、經(jīng)濟(jì)合理性、可靠性，該方法可以用于類(lèi)似復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)。


圖1為本發(fā)明的異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)方法流程圖； 圖2為異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)空間圖3為異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)斷面位置圖。圖中有主梁1/4截面位置1、主梁1/2截面位置2、主梁3/4截面位置3、拱肋端部截面位置4、拱肋3/4位置截面5、拱肋中部截面位置6、拱肋1/4截面位置7、體外水平系桿索截面9、拱肋端部與斜壓桿的相交位置10、鋼架水平梁與斜壓桿的相交臨近截面位置 11、倒三角形剛架靠近跨中側(cè)斜壓桿底部截面12、倒三角形剛架遠(yuǎn)離跨中側(cè)斜壓桿底部截面13、倒三角形鋼架底部14。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的針對(duì)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)方法，包括以下步驟
1)根據(jù)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)，采用通用有限元程序建立全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型、倒三角形剛架精細(xì)子模型，并在全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型中定義倒三角形剛架精細(xì)子模型的切割邊界節(jié)點(diǎn)；
2)對(duì)步驟1)中建立的全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型分別進(jìn)行恒載和交通荷載作用下的全橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，然后根據(jù)該響應(yīng)分析的結(jié)果確定整體性受力構(gòu)件的易損性，繼而確定結(jié)構(gòu)受力整體分析層次上的傳感器布設(shè)項(xiàng)目和傳感器布設(shè)位置；
3)調(diào)用步驟2)中全橋結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)分析的結(jié)果，采用插值法計(jì)算步驟1)中定義的精細(xì)子模型切割邊界節(jié)點(diǎn)的自由度數(shù)值，再用單元形函數(shù)將這些自由度數(shù)值插值到精細(xì)子模型切割邊界節(jié)點(diǎn)上；
4)對(duì)步驟3)中已在切割邊界節(jié)點(diǎn)上插值自由度數(shù)值的精細(xì)子模型分別進(jìn)行恒載和交通荷載作用下的子模型結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析；然后根據(jù)該響應(yīng)分析的結(jié)果確定倒三角形剛架上的精細(xì)子模型受力構(gòu)件的易損性，繼而確定精細(xì)子模型上的傳感器布設(shè)項(xiàng)目和傳感器布設(shè)位置。本發(fā)明中，步驟1)中的建立全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型中，采用空間桿單元模擬空間鋼管拱肋、吊桿、系桿、主拱肋與副拱肋之間的聯(lián)系構(gòu)件，采用空間梁?jiǎn)卧M其他構(gòu)件。本發(fā)明中，步驟1)中所述的通用有限元程序采用ANSYS軟件，所述的建立全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型，是采用空間梁?jiǎn)卧狟eam44模擬加勁梁、拱肋、拱肋間的支撐桿、拱座的拱肋；系桿、吊桿采用只受拉的空間桿單元LinklO進(jìn)行建模，拱肋按吊桿吊點(diǎn)位置進(jìn)行離散，加勁梁按照吊桿吊點(diǎn)離散；橋面鋪裝等二期恒載通過(guò)折算密度計(jì)入全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型中，只計(jì)質(zhì)量不計(jì)剛度；邊界條件為拱肋與拱座、拱肋與系桿、拱座的底部采用完全固接，加勁梁與拱座在橫橋向的位移和順橋向的轉(zhuǎn)動(dòng)采用主從約束。本發(fā)明中，步驟1)中所述的倒三角形剛架精細(xì)子模型，是采用ANSYS軟件中的S0LID95單元和S0LID92單元對(duì)混凝土部份混合建模，使用ANSYS軟件中的SHELL93單元對(duì)拱座外包鋼板建模。本發(fā)明中，所述步驟1)中的在全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型中定義倒三角形剛架精細(xì)子模型的切割邊界節(jié)點(diǎn)，是把全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型與倒三角形剛架精細(xì)子模型的
坐標(biāo)統(tǒng)一。本發(fā)明中，步驟2)中所述的全橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，是根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及”公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTG D60—2004”，對(duì)整體有限元模型先后進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析和敏感性分析；所述的敏感性分析包括位移敏度分析和應(yīng)力敏度分析。本發(fā)明中，步驟2)中所述確定結(jié)構(gòu)受力整體分析層次上的傳感器布設(shè)項(xiàng)目和傳感器布設(shè)位置，是根據(jù)全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型的靜力分析結(jié)果中的位移最大值及靈敏度最大值位置為傳感器布置位置。本發(fā)明中，步驟3)中所述用單元形函數(shù)將這些自由度數(shù)值插值到精細(xì)子模型切割邊界節(jié)點(diǎn)上，是先獲取整體模型中切割邊界節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力與位移值，再用單元形狀函數(shù)對(duì)整體結(jié)構(gòu)模型邊界結(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力進(jìn)行插值，將所得到的位移與應(yīng)力值作為精細(xì)子模型單元邊界結(jié)點(diǎn)位移與荷載初始值。本發(fā)明中，步驟4)所述的子模型結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，是根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及”公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTG D60—2004”，對(duì)精細(xì)子模型先后進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析和敏感性分析； 所述的敏感性分析包括位移敏度分析和應(yīng)力敏度分析。本發(fā)明中，步驟4)中所述確定精細(xì)子模型上的傳感器布設(shè)項(xiàng)目和傳感器布設(shè)位置，是根據(jù)精細(xì)子模型的靜力分析結(jié)果中的位移最大值及靈敏度最大值位置為傳感器布置位置。本發(fā)明通過(guò)對(duì)大橋進(jìn)行多尺度結(jié)構(gòu)有限元分析、結(jié)構(gòu)易損性分析、結(jié)構(gòu)響應(yīng)敏感性分析，進(jìn)行傳感器優(yōu)化。下面結(jié)合實(shí)例的實(shí)施過(guò)程，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。如圖2所示，大橋主橋?yàn)榭臻g倒三角組合式拋物線(xiàn)拱圈橋，主跨為中承式鋼管砼系桿拱橋，拱肋為一主兩副三根鋼管拱形成的飛燕式倒三角空間結(jié)構(gòu)，梁為鋼砼組合結(jié)構(gòu)， 跨中為全封閉的鋼-砼疊合箱形梁，其余部分為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，中跨主梁砼段和橋下的砼薄壁箱形斜腿段為剛接，形成強(qiáng)大的三角剛架。首先根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用通用有限元程序建立全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型，整體模型中用較粗的網(wǎng)格劃分，不考慮局部一些細(xì)節(jié)構(gòu)造。空間鋼管拱肋、吊桿、系桿、主拱肋與副拱肋之間的聯(lián)系構(gòu)件采用空間桿單元模擬，其他采用空間梁?jiǎn)卧M。實(shí)施例中通用有限元程序采用ANSYS軟件(ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件)，當(dāng)然，本發(fā)明也可以采用類(lèi)似的通用有限元計(jì)算程序。建立全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型的具體方法和步驟為在A(yíng)NSYS軟件平臺(tái)上采用空間梁?jiǎn)卧狟eam44 (ANSYS軟件中的一種梁?jiǎn)卧?模擬加勁梁、拱肋、拱肋間的支撐桿、拱座的拱肋；系桿、吊桿采用只受拉的空間桿單元LinklO (ANSYS軟件中的一種桿單元)進(jìn)行建模，拱肋按吊桿吊點(diǎn)位置進(jìn)行離散，加勁梁按照吊桿吊點(diǎn)離散。橋面鋪裝等二期恒載通過(guò)折算密度計(jì)入模型中， 只計(jì)質(zhì)量不計(jì)剛度，這樣能避免主梁因?yàn)橘|(zhì)量單元產(chǎn)生不必要的高階振型。邊界條件為拱肋與拱座、拱肋與系桿、拱座的底部采用完全固接，加勁梁與拱座在橫橋向的位移和順橋向的轉(zhuǎn)動(dòng)采用主從約束。整個(gè)橋梁的空間有限元模型共782個(gè)單元。
與此同時(shí)建立倒三角形剛架精細(xì)子模型，即采用S0LID95單元(ANSYS軟件中的一種殼單元)和S0LID92單元(ANSYS軟件中的一種殼單元)對(duì)混凝土部份混合建模，使用 SHELL93單元(ANSYS軟件中的一種殼單元)對(duì)拱座外包鋼板建模，其中，倒三角形剛架結(jié)構(gòu)精細(xì)模型為5擬6個(gè)單元和鋼混疊合梁節(jié)段子模型為3782個(gè)單元。然后為保證結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性，在全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型中定義倒三角形剛架精細(xì)子模型的切割邊界節(jié)點(diǎn)， 也就是將全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型與倒三角形剛架精細(xì)子模型的坐標(biāo)系坐標(biāo)系統(tǒng)一。接下來(lái)根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)，對(duì)全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型分別進(jìn)行恒載和交通荷載作用下的全橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，全橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析包括先后進(jìn)行的結(jié)構(gòu)靜力分析和敏感性分析；其中的敏感性分析包括位移敏度分析和應(yīng)力敏度分析。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析結(jié)果，確定整體性受力構(gòu)件的易損性，繼而確定結(jié)構(gòu)受力整體分析層次上的傳感器布設(shè)項(xiàng)目和傳感器布設(shè)位置。對(duì)于整體結(jié)構(gòu)模型邊界結(jié)點(diǎn)位移與應(yīng)力進(jìn)行線(xiàn)性插值，用單元形狀函數(shù)插值到切割邊界上，所得到的位移與應(yīng)力值作為精細(xì)子模型單元邊界結(jié)點(diǎn)位移與荷載初始值，也即將這些自由度數(shù)值插值到了精細(xì)子模型切割邊界節(jié)點(diǎn)上。然后根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)，對(duì)子模型結(jié)構(gòu)先后進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析和敏感性分析。在進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體性態(tài)監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)時(shí)，根據(jù)子模型結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析的結(jié)果確定倒三角形剛架上的精細(xì)子模型受力構(gòu)件的易損性，繼而確定具體的監(jiān)測(cè)構(gòu)件數(shù)量和監(jiān)測(cè)位置，即結(jié)構(gòu)受力整體分析層次上的傳感器布設(shè)項(xiàng)目和傳感器布設(shè)位置。靜力分析后，對(duì)整體層次上結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載變化的敏感性分析，可以給出不同節(jié)點(diǎn)上位移關(guān)于荷載的敏感度，如果該點(diǎn)的變形對(duì)荷載越敏感，往往該點(diǎn)越容易破壞，因此監(jiān)測(cè)儀器可以?xún)?yōu)先布置在這些點(diǎn)上。在實(shí)例中變現(xiàn)為拱肋和主梁的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于主梁1/4 截面位置1、主梁1/2截面位置2、主梁3/4截面位置3、拱肋端部截面位置4、拱肋3/4位置截面5、拱肋中部截面位置6、拱肋1/4截面位置7、拱肋端部與斜壓桿的相交位置10，體外水平系桿索截面9 根據(jù)模態(tài)振型分析結(jié)果確定振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于主梁1/4截面位置1、主梁 1/2截面位置2和主梁3/4截面位置3。對(duì)于體外索系桿內(nèi)力，選擇6個(gè)體外索采用錨索計(jì)進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè)。對(duì)于吊桿索力，選擇9個(gè)吊索，采用振動(dòng)傳感器進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè)。對(duì)于結(jié)構(gòu)整體位移監(jiān)測(cè)采用棱鏡，進(jìn)行周期性監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)的布置分別位于主梁及空間鋼管結(jié)構(gòu)四分點(diǎn)，兩個(gè)三角剛架的上部交點(diǎn)。對(duì)于結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置在主梁四分點(diǎn)截面的上下游。根據(jù)整體模型靜力分析結(jié)果，得到倒三角形剛架子模型施加四種計(jì)算分析工況 (一)主拱最大軸力；(二)主拱最大剪力；(三)主拱最小彎矩；(四)副拱最小彎矩。根據(jù)整體模型分析結(jié)果，對(duì)于鋼混疊合梁子模型施加三種計(jì)算分析工況(一)主梁跨中最大彎矩；(二)主梁最大扭矩；(三)主梁最大密集交通荷載局部作用。對(duì)倒三角形剛架子模型，結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果可以確定倒三角形剛架兩側(cè)斜壓桿底部遠(yuǎn)離跨中側(cè)斜壓桿底部截面13、靠近跨中側(cè)斜壓桿底部截面12，倒三角形鋼架底部 14為位移觀(guān)測(cè)點(diǎn)，交通荷載作用下倒三角形剛架結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)點(diǎn)為鋼架水平梁與斜壓桿的相交臨近位置11。
權(quán)利要求
1.一種針對(duì)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1)根據(jù)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)，采用通用有限元程序建立全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型、倒三角形剛架精細(xì)子模型，并在全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型中定義倒三角形剛架精細(xì)子模型的切割邊界節(jié)點(diǎn)；2)對(duì)步驟1)中建立的全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型分別進(jìn)行恒載和交通荷載作用下的全橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，然后根據(jù)該響應(yīng)分析的結(jié)果確定整體性受力構(gòu)件的易損性，繼而確定結(jié)構(gòu)受力整體分析層次上的傳感器布設(shè)項(xiàng)目和傳感器布設(shè)位置；3)調(diào)用步驟2)中全橋結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)分析的結(jié)果，采用插值法計(jì)算步驟1)中定義的精細(xì)子模型切割邊界節(jié)點(diǎn)的自由度數(shù)值，再用單元形函數(shù)將這些自由度數(shù)值插值到精細(xì)子模型切割邊界節(jié)點(diǎn)上；4)對(duì)步驟3)中已在切割邊界節(jié)點(diǎn)上插值自由度數(shù)值的精細(xì)子模型分別進(jìn)行恒載和交通荷載作用下的子模型結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析；然后根據(jù)該響應(yīng)分析的結(jié)果確定倒三角形剛架上的精細(xì)子模型受力構(gòu)件的易損性，繼而確定精細(xì)子模型上的傳感器布設(shè)項(xiàng)目和傳感器布設(shè)位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)方法，其特征在于，步驟1)中所述的通用有限元程序采用ANSYS軟件，所述的建立全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型，是采用空間梁?jiǎn)卧狟eam44模擬加勁梁、拱肋、拱肋間的支撐桿、拱座的拱肋；系桿、吊桿采用只受拉的空間桿單元LinklO進(jìn)行建模，拱肋按吊桿吊點(diǎn)位置進(jìn)行離散， 加勁梁按照吊桿吊點(diǎn)離散；橋面鋪裝等二期恒載通過(guò)折算密度計(jì)入全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型中，只計(jì)質(zhì)量不計(jì)剛度；邊界條件為拱肋與拱座、拱肋與系桿、拱座的底部采用完全固接，加勁梁與拱座在橫橋向的位移和順橋向的轉(zhuǎn)動(dòng)采用主從約束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)方法，其特征在于，步驟1)中所述的倒三角形剛架精細(xì)子模型，是采用ANSYS軟件中的 S0LID95單元和S0LID92單元對(duì)混凝土部份混合建模，使用ANSYS軟件中的SHELL93單元對(duì)拱座外包鋼板建模。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)方法， 其特征在于，所述步驟1)中的在全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型中定義倒三角形剛架精細(xì)子模型的切割邊界節(jié)點(diǎn)，是把全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型與倒三角形剛架精細(xì)子模型的坐標(biāo)統(tǒng)ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)方法，其特征在于，步驟2)中所述的全橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，是根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及“公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTG D60—2004”，對(duì)整體有限元模型先后進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析和敏感性分析；所述的敏感性分析包括位移敏度分析和應(yīng)力敏度分析。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)方法，其特征在于，步驟2)中所述確定結(jié)構(gòu)受力整體分析層次上的傳感器布設(shè)項(xiàng)目和傳感器布設(shè)位置，是根據(jù)全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型的靜力分析結(jié)果中的位移最大值及靈敏度最大值位置為傳感器布置位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)方法，其特征在于，步驟3)中所述用單元形函數(shù)將這些自由度數(shù)值插值到精細(xì)子模型切割邊界節(jié)點(diǎn)上，是先獲取整體模型中切割邊界節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力與位移值，再用單元形狀函數(shù)對(duì)整體結(jié)構(gòu)模型邊界結(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力進(jìn)行插值，將所得到的位移與應(yīng)力值作為精細(xì)子模型單元邊界結(jié)點(diǎn)位移與荷載初始值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)方法，其特征在于，步驟4)所述的子模型結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，是根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及”公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTG D60—2004”，對(duì)精細(xì)子模型先后進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析和敏感性分析；所述的敏感性分析包括位移敏度分析和應(yīng)力敏度分析。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對(duì)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)方法，其特征在于，步驟4)中所述確定精細(xì)子模型上的傳感器布設(shè)項(xiàng)目和傳感器布設(shè)位置，是根據(jù)精細(xì)子模型的靜力分析結(jié)果中的位移最大值及靈敏度最大值位置為傳感器布置位置。
全文摘要
一種針對(duì)異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)方法，通過(guò)建立全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型、倒三角形剛架和鋼混疊合梁的精細(xì)子模型并定義倒三角形剛架和鋼混疊合梁的子模型切割邊界節(jié)點(diǎn)后先對(duì)全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析確定整體性受力構(gòu)件的易損性以及結(jié)構(gòu)受力整體分析層次上的監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)位置；然后獲取整體模型邊界節(jié)點(diǎn)自由度值并插值到精細(xì)子模型切割邊界節(jié)點(diǎn)上并依次進(jìn)行精細(xì)子模型的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，進(jìn)而確定倒三角形剛架和鋼混疊合梁的精細(xì)子模型上的監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)位置。該方法比傳統(tǒng)傳感器布置方法能更加準(zhǔn)確的確定異形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在受力復(fù)雜部位的傳感器布置問(wèn)題，確保健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的魯棒性、有效性和經(jīng)濟(jì)合理性。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102436530SQ201110360638
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者孫傳智, 李?lèi)?ài)群, 繆長(zhǎng)青, 陳亮 申請(qǐng)人:東南大學(xué)