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基于“索力-位移”关系的静力参数识别方法在斜拉桥内力状态识别中的应用


基于“索力-位移”关系的静力参数识别方法在斜拉桥内力状态识别中 的应用 摘要:本文在基于静力测试数据的参数识别方法的基础上,提出了依据 “索 力-位移”关系的参数识别方法,应用于某运营多年斜拉桥参数识别中。然后以参 数识别结果为基础,采用 Midas/Civil 建立全桥有限元模型,对当前结构的内力 状态进行评估。 关键词:斜拉桥 索力-位移 参数识别 1 前言 对于运营多年的斜拉桥,由于荷载作用和疲劳、腐蚀以及材料的自然老化和 损伤积累等各种不利因素,使其内力状态发生改变,结构不满足规定功能要求的 问题已越来越普遍,如不及时对其进行状态评估并采取相应措施加固维修,甚至会 导致突发事故。 为了确保设计的使用安全性和耐久性达到预期的标准,特别是对 运营多年的大跨度桥梁,进行内力状态识别是非常重要的。 2 斜拉桥主梁“索力-位移”的关系 结构的应变能可以表示为: (1) 若忽略剪应力影响,并应用有限元概念,则结构应变能可以表达为: (2) 式中: 为梁单元数, , , , 分别为第 单元的长度、弹性模量、截面惯 性矩、截面面积; , 分别为第 单元的左右端弯矩; 、 分别为第 单元的左右 端轴力。 将弯矩和轴力表示为外力的函数: (3) 式中: 为恒载、活载和预应力; 为索力。矩阵 , 由单元特性及结构形式 确定。 如果不加其他约束条件, 意味着拉索某一切口处对未知索力 的相互位移 为 0,据此可以建立方程: (4) 式中, 为影响矩阵,其 i 行 j 列表示第 j 个斜拉索索力单位变化后第 i 个目 标值(包括位移和应力、反力等 )的变化量, 为目标值的实际变化量。上式实际 上是一个力法方程, 为柔度矩阵;为其他外载引起的位移向量; 。 从上式可以看出, 索力的变化和位移的变化之间存在着对应关系,本文就是 在此基础上将其借用到斜拉桥参数识别中来。如果在测量中,同时得到位移和索 力变化量,即可以通过优化的方法识别出待求的参数。 3 某斜拉桥基于“索力-位移”关系的参数识别 某大桥为独塔双索面竖琴形预应力混凝土塔梁墩固结体系斜拉桥, 跨径组合 为(160+160)m,于 1988 年 6 月建成通车,至今已有近 21 年的运营历史。大桥于 2000 年 7 月和 2008 年 8 月分别进行了主梁标高和拉索索力测试,两次测试时间 和环境相似。此外,大桥于 1989 年建成通车至 2000 年已十年有余,混凝土徐变 已达到终极值, 可以认为 2000 年至 2008 年间徐变对主梁变形没有影响。如前节 所述, 若不考虑拉索的松弛和温度对索力和线形的影响,外荷载的改变引起相应 的位移, 斜拉桥主梁的线形变化是由索力的改变引起的,本文利用这一思想进行 主梁参数识别。 3.1 待识别参数的选择 根据不同参数的灵敏度, 选择对位移变化较灵敏的参数进行修正能提高模型 修正的效率,减少工作量。由灵敏度分析可知,主梁刚度是影响梁的变形行为的 关键参数。 由于实际主梁混凝土初始弹性模量准确值很难得到,现将梁的截面面 积和惯性矩取为恒值 (按设计图纸计算取值 ),把混凝土的弹性模量作为修正参 数。由于在跨中、边跨和塔根部处主梁截面类型不同,具体作法是将主梁沿纵向 分为六个区域, 每一区域赋予一个修正参数值即混凝土弹性模量,待识别参数的 变量及取值范围见表 1。 表 1 待识别参数的设计变量及其取值范围 3.2 目标函数的确定 待识别参数确定以后,大桥的参数识别就转变为结构参数优化的问题。本斜 拉桥参数识别的过程利用结构 2000 年和 2008 年两次实测标高和索力


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