桥梁结构承载能力快速检测.ppt
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桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁结构承载能力快速检测桥梁结构承载能力快速检测评定方法探讨评定方法探讨唐光武唐光武(18008377852)(18008377852)招商局重庆交通科研设计院招商局重庆交通科研设计院20120144年年1122月月兰州兰州桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室重庆交通科研设计院重庆交通科研设计院桥梁与结构工程分院简介桥梁与结构工程分院简介国家山区公路工程技术研究中心桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁结构抗震技术交通行业重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室主要设备主要设备主要设备主要设备实验室建成了世界领先水平实验室建成了世界领先水平的轨道移动式大型地震模拟试的轨道移动式大型地震模拟试验台阵系统。
验台阵系统。
是国内唯一可开展长大桥是国内唯一可开展长大桥梁三轴向多点激震等空间效应梁三轴向多点激震等空间效应研究的全桥模型实验系统。
研究的全桥模型实验系统。
承担了港珠澳跨海大桥、承担了港珠澳跨海大桥、厦漳跨海大桥等厦漳跨海大桥等1010余座桥梁的余座桥梁的抗震试验,并承担了路基、边抗震试验,并承担了路基、边坡、核电站、特高压输电设备、坡、核电站、特高压输电设备、民用建筑、输气管线、高铁等民用建筑、输气管线、高铁等工程的地震台试验。
工程的地震台试验。
桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室自自主主研研制制的的大大型型工工程程索索缆缆静静载载和和疲疲劳劳试试验验系系统统,疲疲劳劳试试验验能能力力为为15000kN(静静载载+动动载载),静静载载试试验验能能力力为为30000kN,具具有有拉拉弯弯疲疲劳劳试试验验功功能能,其其加加载载吨吨位位和和试试验验功功能能均均处处于于国国际际领领先先水水平平。
完完成成了了国国内内30余余座座大大跨跨度度桥桥梁梁拉拉索索疲劳试验项目。
疲劳试验项目。
主要设备主要设备主要设备主要设备桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室主要设备主要设备主要设备主要设备大型桥梁支座试验系统大型桥梁支座试验系统最最大大试试验验能能力力达达到到30000kN30000kN,具具有有载载荷荷控控制制和和位位移移控控制制两两种种方方式式。
可可进进行行桥桥梁梁支支座座基基本本力力学学性性能能试试验验研研究究及及抗抗震震性性能能试试验验研研究。
究。
桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室主要设备主要设备主要设备主要设备主主要要为为桥桥梁梁检检测测人人员员在在检检测测过过程程中中提提供供作作业业平平台台,装装备备有有桥桥梁梁检检测测仪仪器器,用用于于流流动动检检测测和和(或或)维维修修作作业业的的专专用用汽汽车车。
它它可可以以随随时时移移动动位位置置,能能安安全全、快快速速、高高效效地地让让检检测测人人员员进进入入作作业业位位置置进进行行流流动动检检测测或或维维修修作作业业。
工工作作时时不不影影响响交交通通而而且且可以在不收回臂架的情况下慢速行驶。
可以在不收回臂架的情况下慢速行驶。
桥梁检测车桥梁检测车桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室主要设备主要设备主要设备主要设备多通道结构试验机多通道结构试验机5台台3000kN作动器作动器共共有有22个个结结构构大大吨吨位位试试验验作作动动器器。
与与反反力力墙墙、反反力力地地板板、反反力力架架配配套套使使用用。
用用于于大大型型结结构构的的静静力力、动动力力和和疲疲劳试验研究。
劳试验研究。
桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室主要设备主要设备主要设备主要设备实实验验室室购购置置了了33台台人人工工气气候候模模拟拟设设备备,可可对对桥桥梁梁材材料料或或构构件件进进行行温温度度、盐盐雾雾、喷喷淋淋、日日照照、COCO22、冻冻融融、碳碳化化等等试试验。
验。
人工气候老化箱人工气候老化箱桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究背景研究背景理论基础理论基础研究内容研究内容结论结论桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室我国公路建设规模庞大,目前公路总里程已达到387万公里,公路桥梁已达到70万座。
到2020年,我国将新建110万公里的公路网,4.5万多公里的高速公路和20余万座桥梁,已是仅次于美国的世界第二桥梁大国。
我国桥梁建设迅猛发展的同时,在桥梁养护、维修、监测和管理等方面在一定程度上出现了相对滞后状况,重大垮塌事故也时有发生。
綦江彩虹桥垮塌綦江彩虹桥垮塌铁力市呼兰河大桥坍塌铁力市呼兰河大桥坍塌研究背景研究背景在役桥梁检测评定在役桥梁检测评定桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究背景研究背景在役桥梁检测评定在役桥梁检测评定桥梁快速检测评定方面:
桥梁工程师一直面临着如何在不中断交通或少中断交通情况下,对交通繁忙的桥梁进行检测评定,如何对量大、面广的中小跨径桥梁进行大面积快速评定的难题,这方面的研究还处于起步阶段,还未有实质性的进展。
静、动载试验方面:
桥梁结构评定主要通过检查、检算、检测,静力试验在桥梁结构承载能力的检测评定中已得到非常广泛的应用,被认为是最可靠的方法之一,但存在测试时间长、费力和成本较高等缺点。
桥梁结构动力试验方法与评定方法主要是通过动力测试得到桥梁的频率、振型、阻尼、冲击系数等动力参数,以评定桥梁的动力性能,但不能直接评价桥梁的承载能力,对于桥梁的承载能力评定只能起到辅助和补充的作用。
索支撑体系桥梁索力测试方面:
我国建有大量的斜拉桥、悬索桥、吊杆拱桥等索支撑体系桥梁,在役桥梁索力检测是非常重要的检测内容,目前短索索力的动力法测试还有待进一步研究。
桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室模型可分为模型可分为解析模型和有限元模型解析模型和有限元模型。
结构建模的手段主要有两。
结构建模的手段主要有两种:
理论建模和实验建模。
其中前者因对结构物理特性、几何特种:
理论建模和实验建模。
其中前者因对结构物理特性、几何特性、连接状态和约束条件等的简化以及这些简化过程中包含了诸性、连接状态和约束条件等的简化以及这些简化过程中包含了诸多不确定因素而使得分析结果与实际测试结果出现偏差,在不少多不确定因素而使得分析结果与实际测试结果出现偏差,在不少情况下这种偏差会超出工程许可范围。
情况下这种偏差会超出工程许可范围。
精确的解析模型或有限元模型作为桥梁损伤识别、健康监测、精确的解析模型或有限元模型作为桥梁损伤识别、健康监测、结构控制、结构评估和诊断等方面的强有力的工具而受到广泛的结构控制、结构评估和诊断等方面的强有力的工具而受到广泛的重视。
重视。
理论基础基本思路基本思路桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室理论基础理论基础基本思路基本思路模型修正过程模型修正过程桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室理论基础理论基础基本思路基本思路用于模型修正的目标参数选择用于模型修正的目标参数选择11、静力参数、静力参数22、动力参数、动力参数桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室一、实测准静态广义影响线在桥梁一、实测准静态广义影响线在桥梁检测评定中的应用研究检测评定中的应用研究桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室基本原理:
基本原理:
主要是采用测试值与有限元计算值之间的影响线残差和频率残差及其相关函数作为修正目标函数,进行有限元模型修正。
理论基础理论基础基本思路基本思路本研究选择动、静多目标参数用于模型修正本研究选择动、静多目标参数用于模型修正桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室理论基础理论基础多目标优化处理多目标优化处理加权平均处理多目标优化加权平均处理多目标优化变为单目标约束优化问题变为单目标约束优化问题桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室理论基础理论基础基本思路基本思路待修正结构参数选择待修正结构参数选择11、整体参数(几何或材料)、整体参数(几何或材料)22、局部参数(几何或材料,需识别位置)、局部参数(几何或材料,需识别位置)33、边界条件、边界条件桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究内容研究内容数值算例数值算例II2345678910119112913914915DAMDAMDAML=6.0mh=0.2mb=0.25m数值模型数值模型损伤单元损伤单元几何参数几何参数假设E1,E2和E3分别减少了20%,50%和30%桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究内容研究内容仅用影响线残差修正仅用影响线残差修正三个单元弹性模量的损伤值和修正值三个单元弹性模量的损伤值和修正值弹性模量弹性模量E1E2E3实际值(实际值(10e8Pa)256.00160.00224.00修正值(修正值(10e8Pa)255.39161.41223.59误差误差()-0.240.88-0.18桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究内容研究内容动、静测试误差对多目标修正的影响动、静测试误差对多目标修正的影响实际值与误差值(假设有实际值与误差值(假设有10%测试误差)测试误差)实际值实际值误差值误差值误差(误差(%)位移影响线位移影响线-8.38e-3-9.22e-310.00基基频频8.279.0910.00修修正正方方法法E1(10e8Pa)误差(误差(%)E2(10e8Pa)误差(误差(%)E3(10e8Pa)误差(误差(%)实际值实际值256.00160.00224.00影影响响线线法法211.6617.32191.7919.87195.57-12.69基基频频法法179.39-29.92225.4040.88295.0731.7多多目目标标法法(权系数(权系数1:
1)211.81-17.26175.219.51235.014.92三种方法修正结果及误差三种方法修正结果及误差桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室数值模型数值模型几何参数几何参数研究内容研究内容数值算例数值算例II桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室边界条件的损伤值和修正值边界条件的损伤值和修正值T1T2T3实际值实际值1000.001000.001000.00初始修正值初始修正值500.00500.00500.00修修正正值值1002.751000.241007.98误误差差0.280.020.79研究内容数值算例II桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究内容研究内容准静态广义影响线的定义准静态广义影响线的定义准静态广义影响线的的定义:
通过慢速跑车,测得的结构某一量值随车辆位置变化的函数曲线。
1)加载载荷不是单位荷载,而是具有四个或多个集中力的汽车荷载,作用点连续移动,方向和大小保持不变;2)广义位移如位移、应变和曲率等和广义内力如轴力、弯矩和扭矩等;3)动力效应不很明显,几乎趋近于静态响应;4)结构响应是对应于连续慢速的动态加载过程,相当于多工况加载问题,可以掌握更多的结构信息。
影响线的定义:
在竖向单位移动荷载作用下,结构某一量值随竖向单位荷载(P=1)位置移动而变化的函数曲线。
桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究内容研究内容准静态广义影响线的定义准静态广义影响线的定义11、加载车辆一般为双轴或者三轴重车,纵向两列轮胎。
、加载车辆一般为双轴或者三轴重车,纵向两列轮胎。
22、对桥梁而言,一般通过左、中、右三次跑车进行测试。
、对桥梁而言,一般通过左、中、右三次跑车进行测试。
桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究内容研究内容影响线快速测试系统影响线快速测试系统基本原理:
基本原理:
该系统的硬件系统主要由脉冲信号激励装置、脉冲信号发射装置和脉冲信号接收装置组成;软件系统记录脉冲信号和控制截面待测量Z,然后利用脉冲信号计算其对应的车辆位移,并绘制影响线。
影响线快速测试系统影响线快速测试系统脉冲激励装置平面图实测应变影响线桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室面向测试对象的桥梁结构有限元分析与模型修正软件面向测试对象的桥梁结构有限元分析与模型修正软件系统界面系统界面研究内容研究内容模型修正软件模型修正软件桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室基本原理:
基本原理:
采用挠度(应变)等变形影响线及其对位置的一、二阶导数识别结构的损伤位置。
基于影响线的损伤敏感性指标体系基于影响线的损伤敏感性指标体系一阶导数一阶导数影响线影响线二阶导数二阶导数损损伤伤研究内容研究内容损伤敏感性指标损伤敏感性指标损伤程度损伤程度桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室基于影响线的损伤敏感性指标体系基于影响线的损伤敏感性指标体系多损伤识别多损伤识别研究内容研究内容损伤敏感性指标损伤敏感性指标完好模型和损伤模型完好模型和损伤模型损伤位置损伤位置桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室基于影响线的损伤敏感性指标体系基于影响线的损伤敏感性指标体系一阶导数一阶导数影响线影响线二阶导数二阶导数忠县乌杨大桥全景研究内容研究内容损伤敏感性指标损伤敏感性指标横隔梁横隔梁桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室基于准静态广义影响线的桥梁承载能力基于准静态广义影响线的桥梁承载能力快速评定方法快速评定方法直接对比评定法直接对比评定法:
直接对比测试影响线和计算影响线来评定桥梁结构的承载能力。
模型修正评定法模型修正评定法:
用实测的准静态广义影响线数据来修正有限元模型,用修正后的有限元模型来预测结构的响应情况并对桥梁结构进行评定。
研究意义:
研究意义:
上述评定法可以为桥梁结构检测评定上述评定法可以为桥梁结构检测评定提供更多的信息,丰富和完善常规桥梁结构评定方提供更多的信息,丰富和完善常规桥梁结构评定方法,为不中断交通或少中断交通以及超重车过桥评法,为不中断交通或少中断交通以及超重车过桥评定提供了快速评定的手段。
定提供了快速评定的手段。
改进部分改进部分研究内容研究内容应用研究应用研究直接检算评定法直接检算评定法:
直接利用测试影响线进行荷载组合来评定桥梁结构的承载能力。
桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究内容研究内容应用研究应用研究桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室忠县乌杨大桥全景边界条件约束状况修正边界条件约束状况修正影响线残差影响线残差简支梁(扭转自由度完全放松)简支梁(扭转自由度完全放松)36.4836.48固定端(所有自由度度约束)固定端(所有自由度度约束)5.515.51弹性支撑(扭转自由度不完全放约束)弹性支撑(扭转自由度不完全放约束)1.891.89研究内容研究内容应用研究应用研究桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室忠县乌杨大桥全景梁号梁号22车正载车正载44车正载车正载实测实测(ueue)预测值预测值(ueue)误差误差%实测值实测值(ueue)预测值预测值(ueue)误差误差%B1#B1#-30-30-29.3-29.32.332.33-58-58-54.3-54.36.386.38B2#B2#-28-28-27.1-27.13.213.21-55-55-54.2-54.21.451.45B3#B3#-26-26-28.4-28.4-9.23-9.23-57-57-56.6-56.60.700.70B4#B4#-31-31-28.1-28.19.359.35-61-61-56.8-56.86.896.89B5#B5#-27-27-27.2-27.2-0.74-0.74-55-55-57.4-57.4-4.36-4.36修正模型预测与静载试验对比分析修正模型预测与静载试验对比分析梁梁号号加载位加载位11加载位加载位22加载位加载位33加载位加载位44组合值组合值实测值实测值误差误差%B1#B1#-3.74-3.74-23.57-23.57-3.06-3.06-23.21-23.21-53.57-53.57-58-587.637.63B2#B2#-8.46-8.46-19.11-19.11-7.48-7.48-18.86-18.86-53.91-53.91-55-551.981.98B3#B3#-13.23-13.23-13.57-13.57-11.57-11.57-14.10-14.10-52.47-52.47-57-577.947.94B4#B4#-18.66-18.66-11.29-11.29-16.62-16.62-11.35-11.35-57.93-57.93-61-615.045.04B5#B5#-21.31-21.31-5.03-5.03-19.85-19.85-4.80-4.80-50.99-50.99-55-557.297.2944车加载值与准静态广义影响线组合值对比车加载值与准静态广义影响线组合值对比(单位单位:
)研究内容研究内容应用研究应用研究桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室梁梁号号33车正载车正载66车正载车正载实测实测(ueue)预测值预测值(ueue)误差误差(%)(%)实测值实测值(ueue)预测值预测值(ueue)误差误差(%)(%)1#1#303026.7426.74-10.86-10.86575756.1656.16-1.47-1.472#2#373734.1134.11-7.82-7.82747471.6871.68-3.13-3.133#3#404039.4639.46-1.36-1.36838383.2383.230.280.284#4#444443.0943.09-2.07-2.07959590.7690.76-4.47-4.475#5#424245.2145.217.647.64909094.4994.494.994.996#6#434343.1843.180.420.42888890.7490.743.113.117#7#404039.7039.70-0.76-0.76787883.1883.186.656.658#8#393934.4734.47-11.60-11.60737371.6171.61-1.91-1.919#9#292927.1527.15-6.37-6.37525256.0856.087.857.85修正模型预测与静载试验对比分析长寿长江大桥南引桥边跨骑中线跑车理论计算值(D-QSIL)与测试值(T-QSIL)对比分析研究内容研究内容应用研究应用研究桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室忠县龙洞大桥全景梁号梁号加载位加载位11加载位加载位22加载位加载位33加载位加载位44组合值组合值实测值实测值误差误差%1#1#-2.87-2.87-28.97-28.97-2.94-2.94-29.69-29.69-64.48-64.48-62-623.993.992#2#-8.56-8.56-27.26-27.26-6.11-6.11-27.95-27.95-69.88-69.88-76-76-8.05-8.053#3#-15.36-15.36-17.84-17.84-15.74-15.74-18.29-18.29-67.23-67.23-69-69-2.28-2.284#4#-22.78-22.78-13.43-13.43-23.35-23.35-13.77-13.77-73.34-73.34-69-696.606.605#5#-27.70-27.70-4.26-4.26-28.39-28.39-4.37-4.37-64.72-64.72-62-625.065.064车正载实测值与影响线组合值对比研究内容研究内容应用研究应用研究桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室二、索支撑体系桥梁索力测试二、索支撑体系桥梁索力测试技术研究技术研究桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室专题专题4-代表性成果代表性成果2高精度的长短索索力识别方法高精度的长短索索力识别方法基本原理:
基本原理:
采用遗传等识别算法修正拉采用遗传等识别算法修正拉索有限元模型中索有限元模型中:
索力索力T、弯曲刚度、弯曲刚度EI、线密度线密度A、边界条件、边界条件Ky,K等,多参数等,多参数识别问题。
识别问题。
自振频率与拉索参数为自振频率与拉索参数为:
fj=fj(T,A,EI,Ky,K)目标函数目标函数遗传等识别算法遗传等识别算法索力识别流程索力识别流程桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室长短索索力识别系统界面长短索索力识别系统界面选择各阶频率选择各阶频率输入识别参数输入识别参数桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室研究内容研究内容工程应用研究工程应用研究拉索拉索设计索力(设计索力(kN)计算索力(计算索力(kN)偏差偏差上游上游SSC28508652052.34%上游上游SSC27503351612.55%上游上游SSC26493451484.34%下游下游SSC2850865069-0.33%下游下游SSC2750334958-1.48%下游下游SSC26493450712.78%上游上游NSC28490751685.32%上游上游NSC2748194744-1.55%上游上游NSC2648164793-0.49%下游下游NSC2849074796-2.26%下游下游NSC2748194744-1.55%下游下游NSC2648164734-1.70%重庆夔门大桥重庆夔门大桥桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室固结索索力识别的公式化固结索索力识别的公式化公公式式化化背背景景固支索力解析公式固支索力解析公式铰支索力铰支索力解析公式解析公式经典弦张力经典弦张力解析公式解析公式数值识别方法:
效率低、数值不稳数值识别方法:
效率低、数值不稳定、结果可靠性差定、结果可靠性差公式化识别方法:
效率高、可操作公式化识别方法:
效率高、可操作性强、利于大规模采用性强、利于大规模采用有限元法、优化识别算法、有限元法、优化识别算法、特征求解特征求解桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室固结索索力识别的公式化固结索索力识别的公式化索振动方程索振动方程频率方程方程频率方程方程1、含有双曲线和三角函数的超越方程、含有双曲线和三角函数的超越方程2、数值越界、数值越界3、大数与小数并存、大数与小数并存桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室双曲线:
双曲线:
当当=2l=10.0时,时,1.0/ch=0.0000910.0,ch=11013.23,sh/ch1.0。
等价为等价为固支索固支索频率解频率解析公式析公式固支索频率解析公式成立条件固支索频率解析公式成立条件其中其中根据实际工程的计算精度而定根据实际工程的计算精度而定方程图解法方程图解法固结索的近似固结索的近似频率频率方程方程第第1次近似次近似第第2次近似次近似与铰支索公式非常类似与铰支索公式非常类似桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁工程结构动力学国家重点实验室设弯曲刚度设弯曲刚度EI=1.0e7N.m2,索长,索长l=4.0m,索力,索力T=200.0kN,线密度,线密度A=25.0kg.m-1。
频率频率阶数阶数频率频率方程方程/Hz近似近似方程方
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