多跨连续梁桥动力特性的解析解及损伤识别方法

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预应力钢筋混凝土连续梁桥因具有整体性好、结构刚度大、抗震性能好和行车舒适等诸多优点在我国公路、城市和铁路桥梁等工程中得到了广泛应用。在长期服役过程中,有效预应力大小、支座刚度退化及环境温度等因素均对连续梁桥的动力特性产生影响。温度、湿度等环境因素的变化、车辆荷载和构件退化及疲劳锈蚀等因素的作用还会引起桥梁损伤。现有的关于桥梁动力特性的研究多基于数值模拟,而忽略了从理论上对于考虑复杂因素连续梁的动力特性进行研究。桥梁损伤识别是在结构动力特性研究的基础上发展起来的,其核心问题是判断损伤的发生、位置和程度;但目前的许多方法都存在着各自的局限性。因此有必要研究考虑预应力和温度等因素影响的连续梁桥动力特性并基于动力特性的理论研究成果对其损伤进行识别。主要的研究工作及成果包括如下几个方面:  (1)多跨预应力连续梁动力特性及参数敏感性研究  通过建立多跨体外预应力变化量与位移的线性函数关系,将连续梁视为满足弯矩和转角条件的多个单跨梁,采用分段联立方法建立多跨体外预应力连续梁的振动方程组,求得频率方程的解析解。假定有粘结预应力钢筋无相对滑移,建立了多跨有粘结预应力变化量与位移二阶导数的线性函数关系,采用相同方法求解多跨有粘结预应力连续梁动力特性的解析解。通过本文方法可以较准确地求得多跨体外预应力/有粘结预应力连续梁的自振频率和振型等模态参数。基于多跨体外预应力连续梁频率方程,对三跨体外预应力连续梁的自振频率进行参数敏感性分析,着重研究了跨度比、等效抗弯刚度、预应力钢筋布置形式、有效预应力及预应力钢筋偏心距等因素对自振频率的影响。分析可知,跨度比和等效抗弯刚度对连续梁自振频率影响较大,而相关预应力参数对连续梁动力特性影响较小。  (2)考虑温度效应的连续梁桥动力特性研究  为了研究温度效应对连续梁桥动力特性的影响,针对边界条件的不同将温度效应转化为“预应力”,采用分段联立方法求解温度效应下连续梁桥的动力方程。给出了非线性温度梯度等效应为线性温度梯度的方法。研究了温度对材料特性的影响,分析认为混凝土和钢材的弹性模量随温度大致呈线性变化,随着温度的升高弹性模型下降,随着温度的降低弹性模量增大。温度效应对连续梁桥动力特性的影响与边界条件有着密切的关系。  (3)带附加质量变截面弹性支承连续梁桥动力特性研究  根据变截面梁桥的结构特点,建立了带任意附加质量的变截面弹性支承梁桥动力特性的简化计算模型。基于Bernoulli-Euler梁理论,对直接模态摄动法进行改进得到扩展的模态摄动方法(EPM)。在完全弹性支承梁的模态子空间内,EPM法将带任意附加质量的变截面弹性支承梁的变系数微分方程转化为线性代数方程组。EPM法适用于求解带任意附加质量的变截面弹性支承简支和连续梁桥的振动方程。算例分析表明:EPM法具有较高的计算精度和较快的收敛速度。根据变截面对称梁桥的振型对称性和奇数阶振型与偶数阶振型的不偶联性给出了对称梁桥动力特性的简便计算方法(SEPM)。SEPM法可以减少未知系数和未知数约50%,计算精度与EPM法接近,计算效率更高。最后,研究了附加质量和弹性支承对三跨连续梁桥动力特性的影响规律。  (4)基于摄动理论裂缝梁损伤识别研究  基于Bernoulli-Euler理论,将开口裂缝梁视为变截面梁,利用模态摄动法建立了一种求解带任意数量开口裂缝简支梁和连续梁动力特性的半解析分析方法。通过矩形开口裂缝简支梁和两跨连续梁的动力试验验证了本文方法的准确性。最后,利用开口裂缝梁动力特性的解析解研究了简支梁和两跨连续梁的自振频率对裂缝尺寸和位置的敏感性。基于频率方程图像交点法和实测自振频率分别研究了钢梁的开口裂缝和混凝土简支梁分布式裂缝的损伤识别方法。  (5)考虑复杂因素连续梁动力方程求解理论的探索  介绍了考虑复杂因素梁动力方程的求解问题;给出了考虑温度、有效预应力、边界条件、附加质量和变截面等复杂因素梁的动力方程的表达式,并对考虑复杂因素梁动力方程进行求解探索。根据梁是否为变截面,给出了考虑复杂因素等截面梁动力方程按分段联立法求解的思路和考虑复杂因素变截面梁动力方程按摄动法法求解的思路。介绍了考虑预应力和温度影响的等截面梁动力方程的求解方法,按边界条件不同,给出了不同温度效应下预应力等截面梁动力方程的具体表达形式。求解获得了考虑预应力和温度影响的等截面单跨和三跨梁的频率方程。
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