单塔斜拉桥模型修正研究
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摘要
通过对有限元模型参数的识别与修正,不断减小实测值与有限元模型计算值之间差距,并最终建立能够反映结构现有实际状态的有限元模型,其本质是有限元模型优化问题。
基于有限元理论,在一定的假设和抽象的基础上,即可建立任何桥梁结构的有限元模型,该模型不一定能真实反映桥梁结构的实际工作状态,即与桥梁原型之间存在误差,进而使得其有限元模型计算值无法作为桥梁响应的代表结果,为确保计算结果能真实表达实际工程中的桥梁结构,应对其有限元模型进行修正。
有限元模型修正在桥梁健康监测系统设计与损伤评估、桥梁管养系统设计等方面均有广泛的应用,有限元模型修正的研究具有工程实用价值。
主要工作内容包括：
1、回顾有限元模型修正技术的发展历程,总结有限元模型修正方法,分析各种方法的优缺点、存在的问题；
2、引入子结构与径向基神经网络相结合的方法进行有限元模型修正,将“反问题”转化为“正问题”进行求解；
3、结合有限元模型修正问题的特点,对径向基神经网络的输入输出参数进行分析,并确定径向基神经网络修正有限元模型的技术路线；
4、对预应力混凝土简支梁进行有限元模型修正,验证本文所提方法的可行性；
5、利用随机子空间法对单塔斜拉桥实测动力数据进行分析,获得结构固有频率和模态,并依据此数据修正单塔斜拉桥有限元模型。修正后有限元模型计算值与实测值之间误差较原有设计模型有很大程度改进。
Finite element model updating is the process of decreasing the gap between the measured value and the calculated value of the finite element model through the identifying and updating of design parameters, and establish the finite element model to reflect the actual state of the existing structure, essentially within the optimization problem.
The finite element model updating has wide applications in the design and damage assessment of bridge health monitoring system, the bridge custody system design, thus, the finite element model updating study has good practical value.
The main work includes:
1. Review the course of development of the finite element model updating, and summarize the finite element model updating methods, to analyze the advantages and disadvantages and problems of each method;
2. The introduction of combining sub-structure and radial basis function neural network method as finite element model updating tool of this thesis, the "inverse problem" transformed into "normal problem" is solved;
3. Consider the characteristics of the finite element model updating problems, analyse the input and output parameters of radial basis function neural network, and determine the technology roadmap using the radial basis function neural network to update the finite element model;
4. Update the prestressed concrete simply supported beam finite element model, and verify the feasibility of the proposed method;
5. Using stochastic subspace method to analyze the measured dynamic data of the single pylon cable-stayed bridge, access to the structural natural frequencies and mode, it is used to update the single pylon cable-stayed bridge. The gap between the calculation results of updated finite element model and measured value is much more decrease than the original design finite element model.
基于有限元理论,在一定的假设和抽象的基础上,即可建立任何桥梁结构的有限元模型,该模型不一定能真实反映桥梁结构的实际工作状态,即与桥梁原型之间存在误差,进而使得其有限元模型计算值无法作为桥梁响应的代表结果,为确保计算结果能真实表达实际工程中的桥梁结构,应对其有限元模型进行修正。
有限元模型修正在桥梁健康监测系统设计与损伤评估、桥梁管养系统设计等方面均有广泛的应用,有限元模型修正的研究具有工程实用价值。
主要工作内容包括：
1、回顾有限元模型修正技术的发展历程,总结有限元模型修正方法,分析各种方法的优缺点、存在的问题；
2、引入子结构与径向基神经网络相结合的方法进行有限元模型修正,将“反问题”转化为“正问题”进行求解；
3、结合有限元模型修正问题的特点,对径向基神经网络的输入输出参数进行分析,并确定径向基神经网络修正有限元模型的技术路线；
4、对预应力混凝土简支梁进行有限元模型修正,验证本文所提方法的可行性；
5、利用随机子空间法对单塔斜拉桥实测动力数据进行分析,获得结构固有频率和模态,并依据此数据修正单塔斜拉桥有限元模型。修正后有限元模型计算值与实测值之间误差较原有设计模型有很大程度改进。
Finite element model updating is the process of decreasing the gap between the measured value and the calculated value of the finite element model through the identifying and updating of design parameters, and establish the finite element model to reflect the actual state of the existing structure, essentially within the optimization problem.
The finite element model updating has wide applications in the design and damage assessment of bridge health monitoring system, the bridge custody system design, thus, the finite element model updating study has good practical value.
The main work includes:
1. Review the course of development of the finite element model updating, and summarize the finite element model updating methods, to analyze the advantages and disadvantages and problems of each method;
2. The introduction of combining sub-structure and radial basis function neural network method as finite element model updating tool of this thesis, the "inverse problem" transformed into "normal problem" is solved;
3. Consider the characteristics of the finite element model updating problems, analyse the input and output parameters of radial basis function neural network, and determine the technology roadmap using the radial basis function neural network to update the finite element model;
4. Update the prestressed concrete simply supported beam finite element model, and verify the feasibility of the proposed method;
5. Using stochastic subspace method to analyze the measured dynamic data of the single pylon cable-stayed bridge, access to the structural natural frequencies and mode, it is used to update the single pylon cable-stayed bridge. The gap between the calculation results of updated finite element model and measured value is much more decrease than the original design finite element model.
引文
[1]宫亚峰.城市立交桥健康监测理论与实践技术研究[D].吉林大学,2010(12)
[2]A.Emin Aktan,F.Necati Catbas, Kirk A.Grimmelsman, Mesut Pervizpour.Development of a Model Health Monitoring Guide for Major Bridges[M]. Contract/order NO.DTFH61-01-P-00347.
[3]单德山,李乔,付春雨,著.智能桥梁健康监测与损伤评估[M],人民交通出版社,2010.
[4]王勖成,著.有限单元法/FINITE ELEMENT METHOD[M],清华大学出版社.
[5]Mottershead J E,Frishwell M L,Model updating in structural dynamic[J].Journal of Sound and Vibration. 1993,167(2):347-375
[6]王春岩.结构有限元模型修正算法研究综述[J].黑龙江科技信息,2010(19)：47-54
[7]张德文,魏阜旋[美].模型修正与破损诊断[M].北京：人民交通出版社,2002(10)
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[11]袁永新,戴华.用不完全模态测量数据修正有限元分析模型[J].振动与冲击,2006,34(2)：5-11
[12]周星德,陈国荣.动态有限元模型修正的一种新方法[J].振动与冲击,2005,13(4)：12-14
[13]朱道元,吴诚鸥,秦伟良.多元统计分析与软件[J].东南大学报,1999,23(1)：39-44
[14]张传军,黄方林,马广,中南大学土木学报[J].1998,14(3)：16-23.
[15]Masoud Sanayai, Gregory R.Imbaro, Jennifer A.S.McClain. Structural Model updating Using Experimental Static Measurements[J].JOURNAL OF STRUCTURAL ENGINEERING, vol. 123, no.6, JUNE,1997.
[16]蒋赢达,史莉娜.某钢桁架桥基于静力数据的有限元模型修正[J].同济大学学报,2010,6(2)：57-63
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[24]谢瑞杰,任伟新.基于静动载测试的既有混凝土拱桥有限元模型修正[J].四川建筑,成都,2011,12(3)：35-45
[25]费庆国,李爱群,张令弥.基于神经网络的非线性结构有限元模型修正研究[J].东南大学学报,2008,12(3)：23-42
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[33]张德丰,著MATLAB神经网络仿真与应用[M].电子工业出版社,北京,2009.3
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[38]Simon Haykin.Neural Networks and Learning[M]. Machines(Third Edition).McMaster university. Canada.
[39]萨马拉辛荷(美国)著,史晓霞,陈一民,李军治译.神经网络在应用科学和工程中的应用：从基本原理到复杂的模式识别[M].北京,机械工业出版社.
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