文摘
正交异性钢甲板(OSD)使用steel-steel纤维混凝土(10)甲板可用于小和medium-span桥梁施工方便和降低施工成本的优势。这些钢箱梁桥的抗震性能在强烈地震区域需要评估,和一个合理的有限元模型是准确评价的重要基础的桥梁。有限元分析(FEA)和实地测量钢箱梁桥的动态特性进行了研究,并基于响应面有限元模型更新方法。研究表明,桥梁模态参数可以合理确定基于环境激励下桥的测量没有人工激发;前六的订单模式形状的有限元分析结果与测量结果相吻合,但有一个区别固有频率;模型更新发现弹性模量、密度和厚度的配筋对前六的订单有一些影响桥梁结构的固有频率,但配筋厚度有最显著的影响在桥上的频率,和环氧沥青路面在桥频率的影响很小。的研究得出的结论是,配筋层桥面已不再是传统的桥面铺装不考虑刚度,但它集成了OSD作为核心筒混合结构。因此,形成的结构配筋层通过剪力钉的组合和OSD应当合理地模拟的有限元模型,合理反映的贡献配筋层复合结构的刚度的桥梁。获得更新的有限元模型给出的结果更接近测量模式,它提供了一种更为合理的桥梁模型桥梁位于强地震带的地震分析也证明了有限元分析的有效性和模型更新方法基于响应面方法在这项研究中。
1。介绍
正交异性钢桥甲板(osd)由焊接甲板板、纵向肋骨,横隔膜和全球已广泛应用于桥梁工程(1]。这种结构的特点是大量的焊接接头,复杂的结构和应力,局部刚度低,和明显的应力集中。集中轮载荷的作用下,本地连接细节高应力范围,和疲劳裂纹可能启动和传播在连接细节2- - - - - -5]。的一个重要原因是,传统的osd采用环氧路面。当温度很低时,路面材料的弹性模量高,加上大型osd的厚度提供了更大的附加刚度,从而减少的压力范围fatigue-prone osd的细节。然而,当环境温度高,太阳辐射强,路面层的温度可能很高,和它的弹性模量会显著降低(6];因此,它不能提供附加刚度osd。在这种形势和集中轮载荷,osd的fatigue-prone细节将会产生高应力范围内,导致疲劳裂纹的萌生和扩展。同时,高温还可以导致软化环氧路面转变和osd的脱粘,导致路面的破坏。疲劳和断裂的OSD细节影响桥梁的安全性和耐久性,而频繁的路面层替换将严重影响当地交通。
混凝土材料的优势大的弹性模量和抗压强度高,以及抗拉强度低、易开裂的缺点。钢纤维增强混凝土(10)是一种多相复合材料形成的混合短钢纤维随机在普通混凝土。在配筋,随机分布钢纤维可以防止微裂隙的扩展和宏观裂纹的形成在混凝土和混凝土的抗拉强度提高40%∼80%。与钢筋配筋层形成steel-SFRC采用复合结构的OSD通过intralayer剪力钉,OSD连接细节的应力显著降低,和风险得到降低开裂、脱胶桥面铺装层(7]。
基于有限元分析的桥梁动力学(8),一个不仅可以获得一个合理的有限元模型,还可以准确地获得模态阻尼比的桥。作为有限元分析只能得到固有频率和振型,反映了桥梁的刚度和质量分布特征及其合理性需要通过实际桥梁数据验证,结果与测量结果不一致时,该模型由一个合理的方法需要更新。配筋层在osd steel-SFRC复合结构应该能够改善当地的大桥的刚度在一定程度上,但其合理的有限元模型中的反射和这个新桥面结构的阻尼特性研究尚未报道。因此,更新在桥梁的有限元模型是后续分析的桥梁动力学具有重要意义。
近年来,响应面法(RSM)及其改进方法应用领域的模型更新(8- - - - - -13]。本文基于一个实际的OSD钢箱梁桥steel-SFRC复合结构,我们使用了reference-based交叉点功率谱的方法,拿起桥梁环境激励下振动信号,并利用交叉点功率谱法识别结构的模态参数的动态响应信号(14),从而获得了模态频率,阻尼比,桥的形状和模式。然后我们将研究结果与ANSYS模型和更新了模型的响应面方法,从而提供一个合理的有限元模型桥的地震分析的强烈地震的区域。
2。响应地基模型更新原则
响应面方法结合了统计数据和数学。通过一些数值实验中,隐含的结构参数和结构响应之间的关系建立的显函数,然后建立响应面模型基于这个函数。结构响应输入获得的结构参数对响应面模型,进行有限元分析是不再以获得合理的结构响应。该方法包括实验设计、参数筛选、意义分析,拟合响应面模型,参数优化(13]。
为了确定合理的结构参数,提高更新效率模型,我们进行了方差分析15,16)的F以及重要的方法和所选参数模型,克服了传统敏感性分析方法的缺点,只有计算当地的敏感性(9]。公式如下所示: SSA哪里桥频率偏差的平方和造成不同程度的参数(包括系统误差和随机误差),上交所是桥的频率偏差的平方和测试造成的错误在相同级别的参数(仅包括随机误差),是r−1 (r是水平的参数的数量),是n−r(n测试的总数);评价参数的价值意义对应数据F计算,显著性水平 。如果值大于 ,参数的变化对结果没有显著的影响;否则,参数应该被更新。
在这项研究中,我们使用了Box-Behnken设计(bdd)方法构造参数样本更新并使用ANSYS有限元软件来获取样本特征量在不同参数值。带筋的弹性模量、密度、厚度、弹性模量的钢钢箱主梁,和环氧沥青温度的osd桥输入值和桥的每个订单模式的频率作为输出值,构造响应面模型以适应隐函数特征值和所选参数之间的关系。
我们采用二阶多项式响应面模型如下: 在那里,在 , 和 是设计参数的上限和下限吗 , , , 和回归系数,k由方差分析参数筛选出来的数量,然后呢是二阶多项式响应面模型的计算结果。
后获得的响应面模型,它是必要的,以验证模型的合理性,和两个指标,即 在和代表响应面模型计算的结果和有限元分析,分别N是检查的数量分,的平均值是有限元分析的结果。均方根误差(RMSE)更接近于0,或者是多个相关系数R2更接近于1,那么响应面模型的准确性更高。
有限元模型更新可以视为优化(13)在本质上,其中的关键元素是目标函数的建设和优化算法的选择。考虑到订单越高,相应频率越大桥模态分析,以确保每个订单的更新的效果,和目标函数如公式所示4)成立: 在哪里测量值的顺序我和响应面分析价值秩序我。
适当的优化算法的前提是合理的模型的更新。遗传算法(GA)能克服死循环迭代操作(17,18),是一种全局优化算法。因此,它被选为优化算法,和测量频率值被更新目标。参数的合理范围内,二次多项式响应面模型进行优化迭代计算,最后,得到了参数优化值。
3所示。桥的概述
Leiguang立交桥桥位于G324高速公路的交叉点和Leiguang在汕头城市道路。这是一个动静力钢箱梁桥。桥跨由2×30 + 35 + 60 + 35 + 2×30米,立面布局如图1。测试部分是南方的方法桥,有两个相同跨度的30米。主梁是一个盒子,钱伯斯钢箱梁的两倍。道路中心线的主梁是高1.6米,桥面是设计宽度19米,双向四车道。这座桥由osd和设置双向横坡为2.0%。主要梁底板是水平的。13厘米厚钢筋配筋层放在OSD和固定的OSD剪力钉形成OSD steel-SFRC复合甲板结构,和9厘米厚环氧沥青混凝土铺在上面。中央和路边防撞钢在甲板上设置障碍,钢主梁的Q345qD,和较低的结构是一个双柱墩盖梁。这座桥位于汕头,强烈地震区域,需要评估抗震的性能。因此,一个合理的有限元模型进行这样的调查是很重要的。
(一)
(b)
4所示。动态特性分析的初始有限元模型
根据设计图纸,桥南方法的初始有限元模型如图1成立。坐标系的原点位于中间支承梁的最后的桥x设在沿着大桥方向,y设在是垂直的,z设在桥横向方向。鱼骨有限元建模策略采用单独的质量和主梁的刚度,在元素类型Beam4被用作岭梁模拟主梁的刚度,质量和元素类型21是用来模拟主梁的翻译和回转质量。最初的材料参数如下:钢的弹性模量是2.1×105MPa,密度是7850公斤/米3和泊松比为0.3,C40钢纤维混凝土的弹性模量是3.45×104MPa,密度是2400公斤/米3泊松比为0.167,和环氧树脂的弹性模量确定路面的温度30°C。主梁是分为41段纵向。为了显示扭转模式主梁的形状,鱼骨元素安排两边的鱼骨,重量和刚性臂元素没有被用于模拟。所有的平移自由度和转动自由度X和Y相互重合的元素1和41约束,分别,平动自由度和转动自由度Y轴元素21的约束来模拟实际的约束。初始有限元模型如图2。前6得到的固有频率和振型动态特性分析如表所示1。
图3显示了前六阶模态有限元分析得到的。可以看出,这座桥有一个基本3.77赫兹的频率一阶非对称弯曲模式在垂直方向,表明主梁在竖直方向的最小刚度,这可能与主梁的高度越低;它有一个二阶4.99赫兹的频率在竖直方向的一阶对称弯曲模式;它有一个三阶频率5.3赫兹的一阶对称扭转模式。随后的三阶模式的形状都是扭转主梁的模式,和前六阶模式没有桥的横向模式,这可能与大引起的横向刚度大主梁的宽度。第三到第六阶扭转振动模式,表明桥的扭转刚度很小,这可能与主梁的高度越低。
(一)
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(f)
5。模态测试和分析的桥梁
桥梁的模态参数识别的环境激励法(19]。环境激励信号的激励方法可以假定为白噪声。根据其特点的零均值,大约可以替换的频率响应函数功率谱密度函数和功率谱密度函数归一化的多点平均(20.]。在这项研究中,测量点安排在箱梁桥面上,以避免影响流量。纵向和横向振动进行了测试。
总共991 DH b垂直加速度计被用于这项研究。编号V0,参考点传感器和其他传感器编号的形式Va-b,一个批处理和显示测试b表示传感器的批量的序列号。采样频率是50赫兹,单个批处理的采样时间为60分钟。所有传感器的垂直振动。测量传感器向上放置,6点同样放在桥跨的对称中心线的道路过桥,和距离5米的桥纵向方向。为了获得合理的模态数据,作为传感器的数量有限,交叉点功率谱方法用于批量记录数据,每一批数据分析DHDAS动态信号采集与分析系统,与V0测量所有批次的参考点。总共有20分实际上测量现场,和测试安排如图4,三角形代表测量的第一批分(包括参考点),测量的圆圈代表第二批分,钻石代表第三批计量点。
(一)
(b)
(c)
图5显示了参考点的加速度时间历史信号V0和V1-4第一批获得的数据采集系统。时域数据的FFT变换得到频域数据。FFT分析点的数量是1024,窗口类型是矩形,重叠率为50%。考虑到有限元分析的结果,谱图的峰点被选为结构的固有频率,如图5固有频率,阻尼比是互功率谱获得的半功率带宽法,然后得到固有频率的模式从传输速率和互功率谱的相图。图6给出了前六阶模态测量模式下桥的形状和相应的频率。
(一)
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(d)
(e)
(f)
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
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从表可以看出1在这项研究中,测量模式形状与有限元分析的结果是一致的,有轻微的差异测量频率和频率从最初的有限元分析,这表明有限元分析的基础上,设计图纸是合理的。测量桥梁结构的基本模式,即一阶非对称模式,有一个垂直弯曲4.0赫兹的频率,这是略高于3.77赫兹的有限元分析结果,与5.75%的差异。然而,这座桥的基本模式根据有限元分析和现场测量的经验值都明显高于100 /l(l桥跨的米),这表明尽管钢箱梁桥的身高只有1.6米,结构的竖向刚度相对较高,这可能是提高了配筋层桥面人行道。有限元模型模拟了13厘米厚osd迭合层,而垂直弯曲有限元分析的基本频率仍低于测量值,这表明配筋层桥面上不再是一个传统的桥面铺装不考虑刚度,而是形成一个核心筒混合结构osd一起。因此,形成的结构配筋层和osd通过剪力钉必须模拟组合结构的有限元模型。测量频率二阶反对称扭转和二阶antitorsion都低于从最初的有限元分析,获得的差异达到8.83%和6.71%,分别,这表明有限元模型的扭转刚度可能太大。其他的比较结果如表所示1。有限元分析的区别和测量结果表明,有限元模型基于设计图纸上的尺寸不符合操作的桥。为了提供一个合理的有限元模型,对随后的桥梁抗震分析,有限元模型需要更新。因此,有必要合理更新的结构设计尺寸和材料性质的实际桥梁有限元模型建立的有限元模型可以让结果更接近测量模式。
6。有限元模型更新
6.1。选择的模型更新参数
根据Leiguang立交桥桥的实际情况,实地调查表明,桥的实际结构尺寸与设计图纸一致,所以桥的结构维度没有选为参数更新。它可以发生在建设桥的桥,其他结构参数不匹配的设计规范推荐值。因此,钢箱梁的钢的弹性模量、弹性模量、厚度和配筋密度,桥面环氧沥青的弹性模量(路面的温度变化与阳光和环氧路面的弹性模量降低温度上升),提出了要更新的结构参数。有限元模型的初始值对这些结构参数更新表所示2。把桥的前六个固有频率作为特征值,Box-Behnken设计的设计方法(bdd)采用数值试验。根据工程经验,提出了变异范围的参数更新表所示2。
6.2。意义分析
每一个更新参数是根据方程(第一次筛选1)。如果< 0.05,这表明更新参数在桥上频率有显著影响;否则,它没有明显的影响。相应的值反映每个更新参数的影响在桥上频率如图7,A, B, C, D, E,分别代表了配筋弹性模量、配筋密度、配筋厚度、环氧沥青温度和钢箱梁的钢的弹性模量。从图7,可以看出,A, B, C和D都有一个显著的影响在第一个六个固有频率,和E对前三个固有频率有显著影响,第五固有频率,公元前交互项显著影响所有的前六个固有频率,以及CE对前两个固有频率有显著影响,二次项弟弟有一个显著的影响在所有前六的自然频率,BB, CC, EE对前三个固有频率有显著影响。很明显,在不影响精度的前提下的响应面,有必要选择更新参数,在桥上有一个显著的影响模式。
(一)
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(c)
(d)
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6.3。响应面拟合
响应面拟合是由使用数值测试设计软件设计专家(测试数据补充材料)和二次多项式和前四阶回归响应面得到的响应面模型,如图8。表面的三个坐标轴空间频率值在设计空间和两个更新参数的值,分别。的影响参数的变化更新的频率可以分析每个订单根据表面的趋势和轮廓线的特点。
(一)
(b)
(c)
(d)
从图可以看出8,配筋弹性模量有积极影响第一和第三大桥的自然频率,这可能与这一事实有关的增加配筋弹性模量在这个桥面复合结构可以增加桥的刚度。配筋密度和厚度有负面影响在第二和第四桥的自然频率,因为配筋密度和厚度的增加增加桥的质量,从而降低桥的频率。环氧沥青的温度有一个整体的负面影响在第三和第四桥的固有频率,但它高于30°C时,这种效应并不明显。这可能是因为环氧沥青的弹性模量相对较高时,温度较低,大大减少随着温度的增加(3),因此没有osd附加刚度的贡献。其中,配筋厚度有最显著的影响在桥上频率,因此,有限元模型准确模拟筋路面层的厚度。
6.4。响应曲面的精度测试和参数优化
响应面模型拟合得到的是否合理需要验证,并建立了响应面模型的精度检验是由使用多个相关系数R2和相对均方根误差(RMSE)。获得相应的值如表所示3。
结果在表3表明,R2每个订单的频率方法1和RMSE值趋于0时,表明各阶频率响应面模型具有较高的准确性和可以替代初始有限元模型在桥的计算模式在不同更新参数。
选择遗传算法(GA)通过使用MATLAB优化工具箱对响应面模型中的迭代更新,和更新的值更新后的每个设计参数如表所示4。更新后的参数范围内的参数表2因此有效的更新值。
更新后的结构参数重新分析了有限元法,结果与测量频率和初始有限元结果,如表所示5。除了轻微的增加二阶频率的更新后的值,另一个固有频率的有限元模型都是在初始模型的结果和测量结果;,更新后的频率相对接近测量结果,特别是对于低阶的模态频率的桥。这提供了一个更合理的有限元模型进行抗震分析的桥梁位于强烈地震地区,也证明了本文方法的合理性。
7所示。结论
通过模态识别和模型更新的钢制箱梁桥steel-SFRC复合甲板,路面的影响的研究在这种结构上桥的动态特性和响应地基模型更新配筋的弹性模量、密度、厚度、和环氧沥青温度作为更新参数帮助我们得出以下的结论:(1)基于测量桥梁响应环境激励下,模态参数识别方法提出了合理multiorder实际桥梁的模态参数没有人工激发,这些测量模态参数提供更新的目标桥有限元模型。(2)虽然测试的钢制箱梁桥的高度,桥的基本频率很高,结构的竖向刚度很大,表明配筋层桥面上不再是一个传统的桥面铺装不刚度贡献,而是形成一个核心筒与osd复合结构。因此,形成的结构配筋层通过剪力钉与osd必须合理地模拟的有限元模型能够合理地反映贡献10层刚度的桥。(3)更新后的参数模型(配筋弹性模量、密度、厚度和环氧沥青路面温度)前六个订单上的所有有影响的自然频率。其中,配筋厚度有最显著的影响在桥上的频率。环氧沥青路面在桥上频率的影响很小,甚至更小的超过30°C。因此,有限元模型应该能够准确反映筋路面厚度的桥。更新后的固有频率相对接近测量结果,特别是对桥的基本的自然频率。这提供了一个更合理的有限元模型进行抗震分析的桥梁位于强烈地震地区,也证明了有限元分析的合理性和地基模型更新方法的响应。
缩写
| osd: | 正交异性钢桥面 |
| 配筋: | 钢纤维增强混凝土 |
| 有限元法: | 有限元模型。 |
数据可用性
使用的数据来支持这个研究的发现包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
补充材料
Box-Behnken设计的数值测试数据如表6所示。表6 Box-Behnken设计。(补充材料)