基于影响系数的中小跨径桥梁刚度和承载能力评估方法研究

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中小跨径桥梁量大面广,其服役过程中会因多种不利因素的耦合作用发生刚度退化,最终导致其承载能力不足而发生垮塌。因此,及时对量大面广的中小跨径桥梁进行刚度和承载能力评估具有重要意义。影响系数是桥梁的静力固有特性,只需单车过桥并采集桥梁单点响应即可测试,包含各截面的刚度与内力信息,为桥梁性能退化快速评估提供了基础。本文以影响系数在刚度与承载能力评估中应用为研究主线,针对影响系数欠定边界难重构、局部刚度难以无参考量化、整体承载能力难考虑桥梁退化差异等问题展开研究,并将系列方法集成为易于应用的工程软件。主要工作如下:(1)在桥梁影响系数测试与识别过程中,加载车在桥面边缘移动受限导致该处影响系数欠定程度高,造成识别结果出现畸变与丢失等问题。为此,引入了基于经验模态分解的动力扰动剔除方法,依据静力荷载作用下结构响应的叠加原理,建立了能完整描述车致桥梁响应与影响系数关系的欠定数学模型,提出了基于迭代正则化的适拟合影响线求解方法,并将该模型与方法拓展到二维影响面识别问题中,规划了能减少影响系数欠定程度的影响面测试用加载车路径。算例表明,所提方法实现了多种车桥边界、不同测试维度的测试工况下的桥面边缘影响系数更精确识别。(2)在基于影响系数的桥梁刚度评估中,桥梁支座与主梁刚度相互耦合,造成弹性支承梁式桥刚度退化量化依赖于健康状态影响线参考。为此,推导了弹性支承梁式桥影响系数与主梁和支座刚度的关系,提出了通过影响系数拟合来识别支座旋转刚度的方法,建立了将梁式桥支座约束等效为附加力偶的方法,根据梁结构的弯矩-曲率关系和互等定理,揭示了简支梁各类影响系数与主梁抗弯刚度的关系,并将其引入弹性支承梁式桥中构建了其主梁刚度分布的估计方法,给出了结构刚度评估的传感器布设建议。算例表明,所提方法实现了梁式桥支座旋转刚度和主梁抗弯刚度分布的无参考估计。(3)在基于影响系数的承载能力评估中,桥梁在不同极限状态中退化并非一致,忽略其影响会导致评估结果偏于保守。为此,论文基于中美桥梁承载能力评估方法的对比分析,规划了可测试各截面影响系数的多级加载车路径,给出了影响系数关键点与结构位置对应关系,建立了影响系数校准流程,通过实测影响系数虚拟加载的方式,提出了荷载作用下结构虚拟响应的直接计算方法和基于结构检算系数的抗力荷载效应关系修正方法,分别用于正常使用和承载能力极限状态桥梁性能的快速评估。算例表明,所提方法仅需短时中断交通即可实现待测桥各极限状态承载能力的独立评估。(4)考虑到本研究桥梁性能评估方法理论性较强,一线工程人员应用较为困难,对提出的系列方法进行集成,基于Matlab平台开发了桥梁快速服役性能评估软件:桥梁快速评估系统(Bridge Rapid Evaluation System,简写为BRE)。建立了符合使用逻辑的交互模式和可进行三维展示的视图区域,集成了荷载试验自动布载和一键生成评估报告等实用功能。最后通过一评估实例展示了该软件的使用流程,验证了其有效性。软件紧密结合现行桥梁评估规范,有望为量大面广的中小跨径桥梁快速评估提供一种有效的解决方案。
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