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1、长安大学 硕士学位论文 基于静力测试的拱桥模型修正及承载力评定 姓名：李旺东 申请学位级别：硕士 专业：桥梁与隧道工程 指导教师：贺拴海 20100602 摘要 拱桥在现役桥梁中占有相当的比例，但是关于拱桥承载力评定的方法还比较单一， 因而开展拱桥承载能力评定方法的研究很有必要。 本文作为西部交通建设科技项目“西部地区中、小跨径桥梁承载力快速检评技术研 究 课题的一部分，以静力测量值模型修正法为基础，建立基于挠度残差值的目标函数 修正初始有限元模型，并进一步对拱桥的承载力作出评定。 本文首先采用平面梁单元建立两端固结的单拱模型，利用挠度实测值和有限元模型 计算值的差建立目标函数，采用A N S
2、 Y S 优化算法对模型的弹性模量和转动惯量进行修 正，使目标函数取得最小值。验证了基于A N S Y S 优化算法的有限元模型修正法的正确 性。在前述方法的基础上，提出了拱桥承载力的评定方法，即先利用单荷载工况建立基 于挠度残差值的目标函数，修正模型的弹性模量和几何参数。然后给中载工况和偏载工 况的目标函数赋予不同的权重系数叠加组成总目标函数。通过调整权重系数，对有限元 模型的弹性模量和几何参数进行多次修正，并得到最优解。最后利用优化模型求出拱桥 在相应荷载下的的极限承载力。 将上述方法应用于一座钢筋混凝土拱桥。分析结果表明利用优化后有限元模型求出 的挠度值和应变值与实测值基本一致，优化后的
3、有限元模型能更好的反映桥梁的实际力 学状况。优化模型求出的极限承载力大致是桥梁的实际承载力。本方法只需要取得不同 荷载工况下若干点的的挠度值，就可以利用有限元程序对拱桥的承载力作出评定。 关键字：拱桥，静力测试，权重系数，模型修正，优化，极限承载力 A BS T R A C T N o wt h e r ea r ean u m b e ro fa r c hb r i d g e si no u rc o u l l n Mb mt h em e t h o d so fb e a r i n g c a p a c i t ya s s e s s m e n to fa r c hb r
4、 i d g ea r er e l a t i v e l ys e l d o m A n di ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h e b e a r i n gc a p a c i t yo f t h ee v a l u a t i o nm e t h o d so fa r c hb r i d g e T h i sp a p e ri sa p a r to ft h ew e s t e r nt r a f f i cc o n s t r u c t i o np r o j e c t s A n di tf o c u s
5、e so nu s i n g m e a s u r e ds t a t i cd i s p l a c e m e n td a t at ou p d a t ef i n i t ee l e m e n tm o d e l I ts e t su po b j e c t i v ef u n c t i o n o nt h eb a s i so ft h ed e f l e c t i o nd i f f e r e n c e sa n da s s e s s e st h eb e a r i n gc a p a c i t yo f a r c hb r i
6、 d g e A tf i r s t ，t h i sp a p e ru s e st h ep l a n eb e a me l e m e n tt oe s t a b l i s ht h es i n g l ea r c hm o d e l A n di t u s e st h ed e f l e c t i o nd i f f e r e n c eo ft h em e a s u r e dv a l u ea n dc a l c u l a t e dv a l u e I tu p d a t e st h e e l a s t i cm o d u l
7、 u sa n dm o m e n to fI n e r t i ao ft h em o d e lb yt h eo p t i m i z a t i o na n dg e t st h e m i n i m u mo ft h eo b j e c t i v ef u n c t i o n I nt h ee n di ts h o w st h a tt h em e t h o do ft h eb e a r i n g c a p a c i t ya s s e s s m e n to nt h eb a s i so ft h eo p t i m i z a
8、 t i o ni sr i g h t A n dt h e nt h ep a p e rm a k e sa m e t h o do ft h eb e a r i n gc a p a c i t ya s s e s s m e n to fa r c hb r i d g e A tf i r s ti ts e t su po b j e c t i v ef u n c t i o n o nt h eb a s i so ft h ed e f l e c t i o nd i f f e r e n c eo ft h es i n g l ew o r k i n ga
9、 n du p d a t e st h ee l a s t i cm o d u l u s a n dg e o m e t r i cp a r a m e t e ro ft h em o d e l A n dt h e ni tg i v e st h em e d i u ml o a d i n gw o r k i n ga n d u n b a l a n c el o a d i n gw o r k i n gd i f f e r e n tf a c t o r sa n ds e t su pt h et o t a lo b j e c t i v ef u
10、 n c t i o n I tu p d a t e s t h em o d e lm a n yt i m e st h r o u g ha d j u s t i n gt h ef a c t o r sa n dg e t st h eb e s ts o l u t i o n I nt h ee n d ，w e u s et h eu p d a t i n gm o d e lt og e tt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y T h em e t h o di sa p p l i e dt oar e i
11、n f o r c e dc o n c r e t ea r c hb r i d g e T h er e s u l ts h o w st h a tt h e s t r a i n sa n dd e f l e c t i o n so nt h eb a s i so ft h eu p d a t i n gm o d e la r ea c c u r a t ea n dr e l i a b l e I tt e l l sU S t h a tt h eu p d a t i n gm o d e lC a l lr e f l e c tt h ea c t u a
12、 ls i t u a t i o no ft h ea r c hb r i d g e A n dt h eu l t i m a t e b e a r i n gc a p a c i t yw eg e tf r o mt h eu p d a t i n gm o d e li st h ea c t u a lb e a r i n gc a p a c i t yo f t h ea r c h b r i d g e T l i sm e t h o do n l yn e e d ss e v e r a lw o r k i n g sd e f l e c t i o
13、n s A n dt h e nw ec a na s s e s st h e b e a r i n gc a p a c i t yo fa r c hb r i d g eo nt h eb a s i so f t h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a m K E YW O R D S ：A r c hb r i d g e ；S t a t i ct e s t ；W e i g h t i n gc o e f f i c i e n t ；M o d e lu p d a t i n g ； O p t i m i z a t i o n
14、 ；U l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y I I 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 有限元模型修正概述 通常人们对结构进行分析时，都是依照设计图纸在有限元程序上建立模型，但是这 样建立的模型往往都有一个缺陷，就是很难反映出在役桥梁结构真实的状况。这时我们 就需要对模型进行适当的修正。 在有限元模型修正技术的运用过程中，出现了许许多多针对具体结构的方法，这些 方法有以下几种划分【l 】= ( 1 ) 根据修正对象分类，分为矩阵型和物理参数型。 ( 2 ) 按模型修正的范围，分为整体和局部修正法。前者对整个结构的参数进行修 正，后者仅仅是修
15、正局部参数。 ( 3 ) 按计算方法分类，有直接法，迭代法和组合法。直接法是用数学关系运算得 到修正模型；迭代法则需要多次迭代才能获得修正模型；组合法是综合应用前面两种方 法。 ( 4 ) 根据模态空间的完备性分类，分为非完备空间法，使用完备空间法。前者只 含有测量模态，后者指测量模态加等效高阶理论模态。 ( 5 ) 根据功能分为诊断型法和非诊断型法。前者既能提供修正模型，还能诊断建 模错误区域。 ( 6 ) 根据结构的实测信息，一种是根据动力测试数据，另一种是根据静力测试数 据，前者可称之为基于动力的有限元模型修正，后者可称为基于静力的有限元模型修正。 下面将分别讲解基于动力测试数据，基于静
16、力测试数据以及联合静动力测试数据模 型修正方法的发展。 1 2 国内外有限元模型修正的研究进展 2 0 世纪6 0 年代中期，有限元模型的修正工作就展开了。大体的内容就是对结构进 行一些实验测试，然后利用测得的实际数据对有限元模型进行修正，使得修正过后的有 限元模型能更好的反映结构的实际状况。有限元模型的修正技术很好的解决了理论分析 和实验测试的不一致问题，使得复杂结构的建模更有效，更正确。当然从根本上讲这类 问题就是计算力学的逆问题。最近几年有限元模型的修正技术大量应用于土木工程领 域，研究人员对修正技术进行了大量的创新与尝试。M I m r e g u n 和w j V i s s e r 的论文 2 1 对有限元模型修正技术的发展作了详细的回顾；H u aH o n g x i n g ，H s o l 和D eW R W i l d e 1 第一章绪论 的论文【3 】介绍了基于静力测试数据的有限元模型修正方法；M I F r i s w e l l 和 J E M o t t e r
