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1、第3期(总第99期)中国市政工程2002年9月25日基于动态有限元分析的桥梁快速评估赵冬兵(上海市市政工程研究院,上海200031)摘要:随着交通基础设施的大规模投资,既有桥梁总量迅猛增加。桥梁评估工作的效率和精度直接决定着桥梁管理系统的广度和深度。以动态有限元方法为理论基础,综合考虑了敏感度分析和拟合分析,对既有桥梁结构的变异进行了拟合,提出了基于动态有限元分析的桥梁快速评估方法。并以一座简支梁桥为例,通过模态分析,验证了该方法的可行性。关键词:桥梁快速评估动态有限元分析敏感度分析MAC拟合系数Rap
2、idEvaluationofBridgesBasedonDynamicFiniteElementAnalysisZhaoDongbingAbstract:Withthegrowthofbuiltbridges,theefficiencyandaccuracyofbridgeevaluationdirectlydeterminestheextentofbridgemanagementsystem,Basedonthetheoryofdynamicfiniteelementsandincorporatedwithsensi
3、tivityandfitanalyses,fastevaluationofbridgesisprovidedbyfittingthestructuralvariantsofbuiltbridges,anditsfeasibilityisprovedthroughmodalanalysisofasimplesupportedbeambridge.KeyWords:fastevaluationofbridges;dynamicfiniteelementanalysis;sensitivityanalysis;MACfitfac
4、tor桥梁系统是国家重要的基础设施投资项目,同可以将无损评价的结果与桥梁状态评估很好地结合时也是生命线工程的重要组成部分。然而随着环境起来,对桥梁的病害、缺陷予以定量的模拟,在国际腐蚀、车辆载重及交通流量的增加,桥梁结构正面临上引起相当的重视。着日益加剧的性能劣化。许多原先认为耐久性很好桥梁结构在车辆、人群、风力等动力荷载作用下的混凝土桥梁,也发现存在着耐久性下降的问题。将会产生振动,桥梁动力特性(频率、振型等)是桥梁在英国,915%的桥梁修建于1955年以后,设计寿性能评估的重要参数。与静载试验相比,动态测试命为120
5、年,然而在不到1/4设计寿命的使用时间具有费用低、速度快、对交通影响小的优点,在既有后,就发现大部分桥梁需要维修。在美国,这个问题桥梁总量日益庞大的背景下,依托动态测试的评估也十分突出,美国公路系统共有580,000座桥梁,超方法是桥梁快速评估的关键。过45%的桥梁被认为是性能退化或承载能力不足。动态有限元分析方法是在综合了有限元分析和1994年10月21日韩国汉城圣水大桥发生坍塌动态试验模型分析的基础上形成的。其目的是通过事故后,在上海市人民政府、市政工程管理局的部署动态响应对有限元模型的调整来修正实际结构模型下,公路管理部
6、门对全市公路桥梁进行了检查,截止与理论模型之间的差异,从而对既有桥梁结构性能于1996年,全市共有362座公路桥梁处于承载能力进行评估。[1]1分析方法不足或临界状态。动态有限元桥梁评估方法如图1所示。自上个世纪五十年代以来,有限元分析方法发展迅速[2]。这种方法最初是作为机械和航空部门的实际结构模型与理论模型之间的差异是由于实际桥梁结构的几何尺寸、物理性能及约束条件的变应力分析方法而提出的,但在土木工程、汽车等领域异引起的。动态响应包括振动频率及振型等。动态也得到十分广泛的应用。有限元分析是采用离散化有限元方法可用如下
7、广义特征向量方程表示:的模型结构代替了真实的连续结构。由于这种方法61桥面铺装:厚度、密度;主梁:截面积,主惯矩,次惯矩(Ixx、Iyy),扭转惯矩(J),线密度,钢筋截面积。2.2敏感度分析在动态有限元桥梁评估方法中,真实(试验)动态响应,被表示为理论(分析)动态响应的函数,采用一次Taylor展开方法,可表示如下:{Re}={Ra}+[S]({pu}-{p0})(2)此处,{Re}和{Ra}分别为试验响应和分析响应的矢量,{Pu}和{P0}分别为参数修正值和参数初始值的矢量,[S]为敏感度矩阵。对所有选定的响应和
8、参数,敏感度矩阵可表示为如下:Ri[S]ij=(3)Pj此处,Ri和Pj代表了结构响应和参数,下标i=1,N代表了N个响应,j=1,M代表了M个参数(材料、几何参数、约束条件等)。式(3)表示的是绝对敏感度,这意味着使用响应图1动态有限元桥梁评估流程图和参数的单位,
