專利名稱：一種針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設方法
技術(shù)領域：
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)測系統(tǒng)設計領域，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)測傳感器測點優(yōu)化布設、監(jiān)測策略。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及安全評價系統(tǒng)的基本監(jiān)測功能是通過傳感器系統(tǒng)來實現(xiàn)的，合理布置傳感器是保證結(jié)構(gòu)監(jiān)測質(zhì)量的前提。目前，關(guān)于橋梁監(jiān)測傳感器布點多是基于經(jīng)驗，對于異形系桿鋼管拱橋這樣的復雜結(jié)構(gòu)，經(jīng)驗不能保證傳感器的布點質(zhì)量。一般來說，傳感器應布置在應力集中點、結(jié)構(gòu)支承點、對結(jié)構(gòu)荷載重新分配影響比較大的構(gòu)件、對動力響應的敏感點以及一些經(jīng)驗測點。目前在健康監(jiān)測和狀態(tài)評估研究中，傳感器優(yōu)化布置研究大多是針對動力監(jiān)測項目的加速度傳感器的優(yōu)化布置，包括基于模態(tài)分量線性獨立性分析進行結(jié)構(gòu)傳感器測點優(yōu)化的有效獨立法；基于模態(tài)動能較大的自由度上的響應分析進行結(jié)構(gòu)傳感器測點優(yōu)化的模態(tài)應變能法；遺傳算法等。對于靜動力監(jiān)測項目的應變傳感器研究較少，常常是按常規(guī)布置。而實際的異形復雜結(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)化布設依賴于準確的結(jié)構(gòu)分析。在進行橋梁結(jié)構(gòu)整體分析時，通常用較粗的網(wǎng)格劃分整體結(jié)構(gòu)，不考慮局部一些細節(jié)構(gòu)造，主梁通常采用脊骨梁模型來模擬。因此無法對局部受力狀態(tài)做出精確分析。整體結(jié)構(gòu)分析可以滿足結(jié)構(gòu)整體性態(tài)監(jiān)測傳感器布設的要求，難以滿足局部性態(tài)監(jiān)測傳感器布設的要求以及復雜結(jié)構(gòu)安全評估的要求。目前，國內(nèi)外的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要是針對大跨纜索支承型特大橋梁，關(guān)于系桿拱橋、預應力混凝土橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)則較少。隨著我國基礎建設的快速發(fā)展，鋼管混凝土系桿拱橋等規(guī)模越來越大，而在拱橋在長期運營中普遍存在吊桿損傷、系桿內(nèi)力松弛、 預應力松弛或失效、裂縫等病害現(xiàn)象。本發(fā)明針對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形均為拋物線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、受力復雜，而且又為材料不同的復合結(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，為了保證運營期間大橋各構(gòu)件正常工作，及時發(fā)現(xiàn)橋梁發(fā)生的變化和病害，采取有效的維護措施，有必要建立一套有效的健康監(jiān)測系統(tǒng)以評定其安全狀況。因此，針對異形鋼管混凝土系桿拱橋，研究不同目標的結(jié)構(gòu)分析方法、不同尺度有限元模型之間的相互驗證與銜接、傳感器優(yōu)化布設方法，對于建立大跨異形鋼管混凝土系桿拱橋健康監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明提供了一種可保證健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器的魯棒性、有效性、經(jīng)濟合理性的針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設方法。技術(shù)方案本發(fā)明的針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設方法，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子模型的切割邊界節(jié)點；
2)對步驟1)中建立的全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型分別進行恒載和交通荷載作用下的全橋結(jié)構(gòu)響應分析，然后根據(jù)該響應分析的結(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項目和傳感器布設位置；
3)調(diào)用步驟2)中全橋結(jié)構(gòu)整體響應分析的結(jié)果，采用插值法計算步驟1)中定義的精細子模型切割邊界節(jié)點的自由度數(shù)值，再用單元形函數(shù)將這些自由度數(shù)值插值到精細子模型切割邊界節(jié)點上；
4)對步驟3)中已在切割邊界節(jié)點上插值自由度數(shù)值的精細子模型分別進行恒載和交通荷載作用下的子模型結(jié)構(gòu)響應分析；然后根據(jù)該響應分析的結(jié)果確定倒三角形剛架上的精細子模型受力構(gòu)件的易損性，繼而確定精細子模型上的傳感器布設項目和傳感器布設位置。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，采用空間梁單元模擬其他構(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，是采用空間梁單元Beam44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進行建模，拱肋按吊桿吊點位置進行離散，加勁梁按照吊桿吊點離散；橋面鋪裝等二期恒載通過折算密度計入全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型中，只計質(zhì)量不計剛度；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子模型，是采用ANSYS軟件中的 S0LID95單元和S0LID92單元對混凝土部份混合建模，使用ANSYS軟件中的SHELL93單元對拱座外包鋼板建模。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子模型的切割邊界節(jié)點，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子模型的
坐標統(tǒng)一。本發(fā)明中，步驟2)中所述的全橋結(jié)構(gòu)響應分析，是根據(jù)橋梁的設計標準以及”公路橋涵設計通用規(guī)范JTG D60—2004”，對整體有限元模型先后進行結(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項目和傳感器布設位置，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)值插值到精細子模型切割邊界節(jié)點上，是先獲取整體模型中切割邊界節(jié)點上的應力與位移值，再用單元形狀函數(shù)對整體結(jié)構(gòu)模型邊界結(jié)點位移和應力進行插值，將所得到的位移與應力值作為精細子模型單元邊界結(jié)點位移與荷載初始值。本發(fā)明中，步驟4)所述的子模型結(jié)構(gòu)響應分析，是根據(jù)橋梁的設計標準以及”公路橋涵設計通用規(guī)范JTG D60—2004”，對精細子模型先后進行結(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力敏度分析。本發(fā)明中，步驟4)中所述確定精細子模型上的傳感器布設項目和傳感器布設位置，是根據(jù)精細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較粗糙的模型分割開的邊界，把整體模型切割邊界的計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，即如果實際分布載荷被等效載荷代替以后， 應力和應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)點自由度數(shù)值到子模型邊界單元內(nèi)所有點處自由度數(shù)值的計算方法，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)與真實工作狀態(tài)的相似度直接影響求解精度。單個自由度數(shù)值可能與真實解有較大誤差，但單元內(nèi)自由度數(shù)值的平均值與真實解在統(tǒng)計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)值推導出來的，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子模型切割邊界節(jié)點上的自由度數(shù)值。需要說明是的當選擇了某種單元類型時，也就十分確定地選擇并接受了該種單元類型所假定的單元形函數(shù)，所以在選定單元類型并隨之確定了單元形函數(shù)的情況下，必須確保分析時精細子模型有足夠數(shù)量的單元和節(jié)點來精確描述全橋結(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說有三種位移敏度分析法、應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某一物理參數(shù)作微小變化，來判斷對結(jié)構(gòu)某一截面位移的變化情況并分析此物理參數(shù)對結(jié)構(gòu)的敏感程度。利用敏感性理論進行監(jiān)測系統(tǒng)設計，就是重點監(jiān)測對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力敏度分析法，當整體模型或精細子模型上的外界荷載因子參數(shù)發(fā)生微小變化時，變形較大的區(qū)域和效應量較大的區(qū)域為監(jiān)測的重點區(qū)域。如果某區(qū)域結(jié)構(gòu)變形或效應量較大，則說明這外界荷載因子改變對整體模型或精細子模型影響程度大，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算在固定不變的載荷作用下整體模型或精細子模型的效應，它不考慮慣性和阻尼的影響。但靜力分析可以計算固定不變的慣性載荷(如重力) 對結(jié)構(gòu)的影響，以及那些可以近似為等價靜力作用的隨時間變化載荷(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)復雜，由于模型分析時簡化的原因，常規(guī)的傳感器布設方法很難對其結(jié)構(gòu)復雜部位進行傳感器布置，本方法通過子模型方法對復雜部位進行二次分析，能夠更有效把握復雜部位受力狀況，進而能對于傳感器布置提供更加詳細的依據(jù)。本發(fā)明方法基于多尺度有限元的整體性態(tài)響應分析與局部結(jié)構(gòu)性態(tài)響應分析方法的傳感器優(yōu)化布設方法的提出，可以保證異形鋼管混凝土系桿拱橋健康監(jiān)測傳感器系統(tǒng)的魯棒性、有效性、經(jīng)濟合理性、可靠性，該方法可以用于類似復雜橋梁結(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。
具體實施例方式本發(fā)明的針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設方法，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子模型的切割邊界節(jié)點；
2)對步驟1)中建立的全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型分別進行恒載和交通荷載作用下的全橋結(jié)構(gòu)響應分析，然后根據(jù)該響應分析的結(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項目和傳感器布設位置；
3)調(diào)用步驟2)中全橋結(jié)構(gòu)整體響應分析的結(jié)果，采用插值法計算步驟1)中定義的精細子模型切割邊界節(jié)點的自由度數(shù)值，再用單元形函數(shù)將這些自由度數(shù)值插值到精細子模型切割邊界節(jié)點上；
4)對步驟3)中已在切割邊界節(jié)點上插值自由度數(shù)值的精細子模型分別進行恒載和交通荷載作用下的子模型結(jié)構(gòu)響應分析；然后根據(jù)該響應分析的結(jié)果確定倒三角形剛架上的精細子模型受力構(gòu)件的易損性，繼而確定精細子模型上的傳感器布設項目和傳感器布設位置。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，采用空間梁單元模擬其他構(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，是采用空間梁單元Beam44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進行建模，拱肋按吊桿吊點位置進行離散，加勁梁按照吊桿吊點離散；橋面鋪裝等二期恒載通過折算密度計入全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型中，只計質(zhì)量不計剛度；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子模型，是采用ANSYS軟件中的S0LID95單元和S0LID92單元對混凝土部份混合建模，使用ANSYS軟件中的SHELL93單元對拱座外包鋼板建模。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子模型的切割邊界節(jié)點，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子模型的
坐標統(tǒng)一。本發(fā)明中，步驟2)中所述的全橋結(jié)構(gòu)響應分析，是根據(jù)橋梁的設計標準以及”公路橋涵設計通用規(guī)范JTG D60—2004”，對整體有限元模型先后進行結(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項目和傳感器布設位置，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)值插值到精細子模型切割邊界節(jié)點上，是先獲取整體模型中切割邊界節(jié)點上的應力與位移值，再用單元形狀函數(shù)對整體結(jié)構(gòu)模型邊界結(jié)點位移和應力進行插值，將所得到的位移與應力值作為精細子模型單元邊界結(jié)點位移與荷載初始值。本發(fā)明中，步驟4)所述的子模型結(jié)構(gòu)響應分析，是根據(jù)橋梁的設計標準以及”公路橋涵設計通用規(guī)范JTG D60—2004”，對精細子模型先后進行結(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力敏度分析。本發(fā)明中，步驟4)中所述確定精細子模型上的傳感器布設項目和傳感器布設位置，是根據(jù)精細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)明通過對大橋進行多尺度結(jié)構(gòu)有限元分析、結(jié)構(gòu)易損性分析、結(jié)構(gòu)響應敏感性分析，進行傳感器優(yōu)化。下面結(jié)合實例的實施過程，進一步說明本發(fā)明。如圖2所示，大橋主橋為空間倒三角組合式拋物線拱圈橋，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，其余部分為預應力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，中跨主梁砼段和橋下的砼薄壁箱形斜腿段為剛接，形成強大的三角剛架。首先根據(jù)結(jié)構(gòu)設計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，其他采用空間梁單元模擬。實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、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件)，當然，本發(fā)明也可以采用類似的通用有限元計算程序。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ANSYS軟件平臺上采用空間梁單元Beam44 (ANSYS軟件中的一種梁單元)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)進行建模，拱肋按吊桿吊點位置進行離散，加勁梁按照吊桿吊點離散。橋面鋪裝等二期恒載通過折算密度計入模型中， 只計質(zhì)量不計剛度，這樣能避免主梁因為質(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)動采用主從約束。整個橋梁的空間有限元模型共782個單元。
與此同時建立倒三角形剛架精細子模型，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)對拱座外包鋼板建模，其中，倒三角形剛架結(jié)構(gòu)精細模型為5擬6個單元和鋼混疊合梁節(jié)段子模型為3782個單元。然后為保證結(jié)構(gòu)分析的準確性，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子模型的切割邊界節(jié)點， 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子模型的坐標系坐標系統(tǒng)一。接下來根據(jù)橋梁的設計標準以及《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)，對全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型分別進行恒載和交通荷載作用下的全橋結(jié)構(gòu)響應分析，全橋結(jié)構(gòu)響應分析包括先后進行的結(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力敏度分析。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)響應分析結(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項目和傳感器布設位置。對于整體結(jié)構(gòu)模型邊界結(jié)點位移與應力進行線性插值，用單元形狀函數(shù)插值到切割邊界上，所得到的位移與應力值作為精細子模型單元邊界結(jié)點位移與荷載初始值，也即將這些自由度數(shù)值插值到了精細子模型切割邊界節(jié)點上。然后根據(jù)橋梁的設計標準以及 《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)，對子模型結(jié)構(gòu)先后進行結(jié)構(gòu)靜力分析和敏感性分析。在進行健康監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體性態(tài)監(jiān)測的測點優(yōu)化布設時，根據(jù)子模型結(jié)構(gòu)響應分析的結(jié)果確定倒三角形剛架上的精細子模型受力構(gòu)件的易損性，繼而確定具體的監(jiān)測構(gòu)件數(shù)量和監(jiān)測位置，即結(jié)構(gòu)受力整體分析層次上的傳感器布設項目和傳感器布設位置。靜力分析后，對整體層次上結(jié)構(gòu)進行荷載變化的敏感性分析，可以給出不同節(jié)點上位移關(guān)于荷載的敏感度，如果該點的變形對荷載越敏感，往往該點越容易破壞，因此監(jiān)測儀器可以優(yōu)先布置在這些點上。在實例中變現(xiàn)為拱肋和主梁的位移監(jiān)測點位于主梁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)果確定振動監(jiān)測點位于主梁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。對于體外索系桿內(nèi)力，選擇6個體外索采用錨索計進行連續(xù)性監(jiān)測。對于吊桿索力，選擇9個吊索，采用振動傳感器進行連續(xù)性監(jiān)測。對于結(jié)構(gòu)整體位移監(jiān)測采用棱鏡，進行周期性監(jiān)測。測點的布置分別位于主梁及空間鋼管結(jié)構(gòu)四分點，兩個三角剛架的上部交點。對于結(jié)構(gòu)整體動力響應監(jiān)測，測點布置在主梁四分點截面的上下游。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，對于鋼混疊合梁子模型施加三種計算分析工況(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。對倒三角形剛架子模型，結(jié)構(gòu)靜力響應計算結(jié)果可以確定倒三角形剛架兩側(cè)斜壓桿底部遠離跨中側(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為位移觀測點，交通荷載作用下倒三角形剛架結(jié)構(gòu)的危險點為鋼架水平梁與斜壓桿的相交臨近位置11。
權(quán)利要求
1.一種針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設方法，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子模型的切割邊界節(jié)點；2)對步驟1)中建立的全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型分別進行恒載和交通荷載作用下的全橋結(jié)構(gòu)響應分析，然后根據(jù)該響應分析的結(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項目和傳感器布設位置；3)調(diào)用步驟2)中全橋結(jié)構(gòu)整體響應分析的結(jié)果，采用插值法計算步驟1)中定義的精細子模型切割邊界節(jié)點的自由度數(shù)值，再用單元形函數(shù)將這些自由度數(shù)值插值到精細子模型切割邊界節(jié)點上；4)對步驟3)中已在切割邊界節(jié)點上插值自由度數(shù)值的精細子模型分別進行恒載和交通荷載作用下的子模型結(jié)構(gòu)響應分析；然后根據(jù)該響應分析的結(jié)果確定倒三角形剛架上的精細子模型受力構(gòu)件的易損性，繼而確定精細子模型上的傳感器布設項目和傳感器布設位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設方法，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，是采用空間梁單元Beam44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進行建模，拱肋按吊桿吊點位置進行離散， 加勁梁按照吊桿吊點離散；橋面鋪裝等二期恒載通過折算密度計入全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型中，只計質(zhì)量不計剛度；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)動采用主從約束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設方法，其特征在于，步驟1)中所述的倒三角形剛架精細子模型，是采用ANSYS軟件中的 S0LID95單元和S0LID92單元對混凝土部份混合建模，使用ANSYS軟件中的SHELL93單元對拱座外包鋼板建模。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設方法， 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子模型的切割邊界節(jié)點，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子模型的坐標統(tǒng)ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設方法，其特征在于，步驟2)中所述的全橋結(jié)構(gòu)響應分析，是根據(jù)橋梁的設計標準以及“公路橋涵設計通用規(guī)范JTG D60—2004”，對整體有限元模型先后進行結(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力敏度分析。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設方法，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項目和傳感器布設位置，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所述的一種針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設方法，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)值插值到精細子模型切割邊界節(jié)點上，是先獲取整體模型中切割邊界節(jié)點上的應力與位移值，再用單元形狀函數(shù)對整體結(jié)構(gòu)模型邊界結(jié)點位移和應力進行插值，將所得到的位移與應力值作為精細子模型單元邊界結(jié)點位移與荷載初始值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設方法，其特征在于，步驟4)所述的子模型結(jié)構(gòu)響應分析，是根據(jù)橋梁的設計標準以及”公路橋涵設計通用規(guī)范JTG D60—2004”，對精細子模型先后進行結(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力敏度分析。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設方法，其特征在于，步驟4)中所述確定精細子模型上的傳感器布設項目和傳感器布設位置，是根據(jù)精細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
一種針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)的傳感器布設方法，通過建立全橋結(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)點后先對全橋結(jié)構(gòu)的整體有限元模型進行結(jié)構(gòu)響應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)測內(nèi)容和監(jiān)測位置；然后獲取整體模型邊界節(jié)點自由度值并插值到精細子模型切割邊界節(jié)點上并依次進行精細子模型的結(jié)構(gòu)響應分析，進而確定倒三角形剛架和鋼混疊合梁的精細子模型上的監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測位置。該方法比傳統(tǒng)傳感器布置方法能更加準確的確定異形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在受力復雜部位的傳感器布置問題，確保健康監(jiān)測系統(tǒng)的魯棒性、有效性和經(jīng)濟合理性。
文檔編號G06F17/50GK102436530SQ201110360638
公開日2012年5月2日 申請日期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, 李愛群, 繆長青, 陳亮 申請人:東南大學