基于正分析模型修正的桥梁安全评定某些关键问题研究

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1、基于正分析模型修正的桥梁安全评定某些关键问题研究-->第1章绪论1.1课题背景及研究目的和意义自20世纪90年代以来，我国着力建设了许多重点桥梁，桥梁建设事业呈现高速发展的态势，桥梁的承载能力和服役水平得到了显著的提高。尤其是2000年至今，国家投入4万亿资金重点建设有助于国民经济增长的基础设施，新建桥梁安全度明显提高。但是，神州大地疆域广阔，对于全国众多的桥梁来说，制约全部桥梁安全运行的根本因素并没有从根本上被消除。架设在全国路网之上数量众多的老旧桥梁，因车辆荷载逐年增大、风雨侵蚀和维修养护不善，正随时间逐步恶化成为危桥，变成阻碍交通安全运行的瓶颈[[1l。同时，己建重点桥梁多为跨越深谷

2、、江河乃至海峡的大尺度空间结构，它们大多处在风雨侵蚀严重、车流频繁穿梭的不利环境之中，所以它们的安全性能也正在经受考验。依据文献[2]的统计结果:截止2009年，我国己建桥梁65.13万座，总长度超过2726.06万延米，其中有1/4是依据1980年之前的桥梁规范设计建造的，严重破损的桥梁超过4070，需要不同程度修缮的桥梁超过10万座，而最近1_5年内也多次出现严重的桥梁安全事故。例如，1999年1月，重庆彩虹桥由于施工质量问题导致整体垮塌，酿成重大伤亡事故。2001年，宜宾南门大桥由于吊杆的防护措施失效导致多处桥面跌落河中，使大桥直接丧失使用功能。2004年，盘锦田庄台大桥由于车辆严重

3、超载导致大桥第九孔脆性断裂，造成严重事故。200_5年4月，建成不到30年的苏州堰月桥就发生了基础承载力不足、桥墩失稳落梁的严重事故。2006年_5月，甘肃挑河大桥出现整体垮塌，直接中断了甘肃306省道崛县段的交通。2007年，江苏常州公路大桥发生桥面整体垮塌跌落事件。2007年6月，广东九江大桥由于船舶撞击导致垮塌，被迫于2008年花费大量资金修复。以上事件表明我国桥梁的安全问题不容乐观。........................1.2桥梁安全评定研究现状对于桥梁安全评定，准确的建立桥梁的力学模型是能够正确评价结构各项力学指标的前提。一般来说，根据桥梁的设计图纸直接建立的有限元模型

4、和实际桥梁之间是有差异的，所以就需要对桥梁进行模型修正。据此，就产生了基于模型修正的桥梁安全评定。1.2.1桥梁正分析模型修正在通过测量获得结构的响应和激励的前提下，有限元模型修正是通过数学手段更新结构的有限元方程或设计参数的方法。可以基于反分析和正分析两条思路解决模型修正问题。反分析模型修正是建立“激励、结构、响应”之间的数学关系，把模型修正问题转化为约束优化问题，通过求解此约束优化问题获得结构的质量、阻尼、刚度矩阵或设计参数，从而实现模型修正。典型的反分析模型修正方法包括:基于状态函数的模型参数求解方法[[3]、随机子空间辨识法[[4]和基于特征值与残余应变能的有限元模型修正[[5]等

5、等。反分析模型修正的力学概念清晰，现在多数模型修正方法都是按照这个思路求解的;但是不完备测试数据导致的动力缩聚和多目标全局约束优化难以准确求解等困难严重制约着反分析模型修正。正分析模型修正是依据未修正模型与真实结构之间的差异，利用力学原理构造一个完备的模型库，通过正分析计算模型库中所有模型的静动力响应，建立一个反应数据库，然后把实测反应输入到此反应数据库中，通过匹配的方式，选择匹配效果最佳的模型作为最终的修正结果[[6]。如果通过力学原理建立的模型库是完备的，则此模型库必定包含待求结构的真实模型，那么通过正分析方法必定可以获得模型修正的真实结果。在求解思路上，正分析方法需要构建完备的模型库

6、，完备性要求尽可能全面反映待求问题的所有模式，此工作量无疑是巨大的，但是正分析方法可以避免求解伴有测试信息不足的多目标约束优化问题，所以正分析方法是模型修正的一条有效解决途径。..........................第2章扩展模型修正抽样方案及评选优良识别指标2.1引言本章首先阐述了基于均匀设计和神经网络的正分析模型修正原理。其次，虽然理论上己经证明均匀设计方案可以实现近似充满试验空间。但是，本文的实际研究经验表明:均匀设计强调均匀性、放弃正交性来大幅减少试验样本数量，这虽然可以使正分析模型修正的计算工作量大大减少，但是这使得神经网络训练不充分、模型修正精度不理想。为此，提出利

7、用因素重排列扩展均匀设计方案来提高模型修正精度的方法，并与正交设计和随机抽样方法进行了比较，说明了基于因素重排列的均匀设计方案在正分析模型修正方面的优点。此外，许多研究模型修正的文献往往采用不可直接测量的导出物理量作为识别指标，由于作为可实测的物理量不可避免的误差，由它所导出的物理量其误差显然更大，这就必将导致识别结果误差更显著。为此，提出利用模糊层次分析法评选实际可以获得的识别指标的优劣来提高模型修正精度。2.2基于均