[發明專利]一種針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結構的傳感器布設方法

無效

• 申請號: 201110360638.2
• 申請日: 2011-11-15
• 公開（公告）號: CN102436530A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 繆長青;孫傳智;陳亮;李愛群
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明屬于橋梁工程中橋梁結構分析、結構監測系統設計領域，特別涉及大跨異形鋼管混凝土系桿拱橋的結構健康監測傳感器測點優化布設、監測策略。

背景技術

結構健康監測及安全評價系統的基本監測功能是通過傳感器系統來實現的，合理布置傳感器是保證結構監測質量的前提。目前，關于橋梁監測傳感器布點多是基于經驗，對于異形系桿鋼管拱橋這樣的復雜結構，經驗不能保證傳感器的布點質量。一般來說，傳感器應布置在應力集中點、結構支承點、對結構荷載重新分配影響比較大的構件、對動力響應的敏感點以及一些經驗測點。

目前在健康監測和狀態評估研究中，傳感器優化布置研究大多是針對動力監測項目的加速度傳感器的優化布置，包括：基于模態分量線性獨立性分析進行結構傳感器測點優化的有效獨立法；基于模態動能較大的自由度上的響應分析進行結構傳感器測點優化的模態應變能法；遺傳算法等。對于靜動力監測項目的應變傳感器研究較少，常常是按常規布置。而實際的異形復雜結構中需要關心的區域是不同的。

另一方面，傳感器的優化布設依賴于準確的結構分析。在進行橋梁結構整體分析時，通常用較粗的網格劃分整體結構，不考慮局部一些細節構造，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做出精確分析。整體結構分析可以滿足結構整體性態監測傳感器布設的要求，難以滿足局部性態監測傳感器布設的要求以及復雜結構安全評估的要求。

目前，國內外的橋梁健康監測系統主要是針對大跨纜索支承型特大橋梁，關于系桿拱橋、預應力混凝土橋梁的健康監測系統則較少。隨著我國基礎建設的快速發展，鋼管混凝土系桿拱橋等規模越來越大，而在拱橋在長期運營中普遍存在吊桿損傷、系桿內力松弛、預應力松弛或失效、裂縫等病害現象。?

本發明針對的異形鋼管混凝土系桿拱橋結構組成為：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系。拱腳、梁、墩在交匯處為固結，并與懸臂半孔形成倒三角形剛架結構，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構。體外水平系桿索在橋面連續箱梁和鋼箱梁內。吊桿為橋面中心豎直吊桿和兩側斜吊桿組成的三索面，為了保證運營期間大橋各構件正常工作，及時發現橋梁發生的變化和病害，采取有效的維護措施，有必要建立一套有效的健康監測系統以評定其安全狀況。

因此，針對異形鋼管混凝土系桿拱橋，研究不同目標的結構分析方法、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測系統具有重要的意義。

發明內容

技術問題：本發明提供了一種可保證健康監測系統傳感器的魯棒性、有效性、經濟合理性的針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結構的傳感器布設方法。

技術方案：本發明的針對異形鋼管混凝土系桿拱橋結構的傳感器布設方法，包括以下步驟：

1）根據異形鋼管混凝土系桿拱橋結構，采用通用有限元程序建立全橋結構的整體有限元模型、倒三角形剛架精細子模型，并在全橋結構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點；?

2）對步驟1）中建立的全橋結構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構響應分析，然后根據該響應分析的結果確定整體性受力構件的易損性，繼而確定結構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）調用步驟2）中全橋結構整體響應分析的結果，采用插值法計算步驟1）中定義的精細子模型切割邊界節點的自由度數值，再用單元形函數將這些自由度數值插值到精細子模型切割邊界節點上；

4）對步驟3）中已在切割邊界節點上插值自由度數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構響應分析；然后根據該響應分析的結果確定倒三角形剛架上的精細子模型受力構件的易損性，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。?

本發明中，步驟1）中的建立全橋結構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系構件，采用空間梁單元模擬其他構件。