大跨桥梁结构以健康监测和状态评估为目标的有限元模拟

大跨桥梁结构以健康监测和状态评估为目标的有限元模拟Y摘要：本文通过对桥梁结构健康监测和评估研究现状的简单评述，讨论了结构健康监测和状态评估中的关键理论与技术问题，介绍了近年来在大型桥梁以健康监测和状态评估为目标的结构模拟方面开展的一系列关键理论和技术问题研究，探讨了大跨桥梁结构以健康监测和状态评估为目标的有限元模拟的技术要求、建模方案与策略。关键词：大跨桥梁；健康监测；状态评估；有限元模型对重要的大型桥梁进行结构安全性、整体性、耐久性的监测以确保其安全正常运营已经成为一个倍受关注的重要课题。众所周知,除了突发性事故、地震等自然灾害的影响,钢桥梁结构整体节点附近的损伤累积以及由此而发生的脆断是桥梁破坏的主要根源。因此,在役大型桥梁在运营载荷作用下的长期状态评估应该是此类结构安全性和耐久性监测的主要目标。此外,我国现有的大量铁路桥梁也以钢结构为主,有很多已经进入了其设计工作寿命的后期,有的已明显存在隐患。在国民经济快速发展、铁路不断提速的大环境下,这些桥梁的安全性、疲劳寿命、极限荷载的评估都成为亟待解决的问题。限于研究手段和测试技术,以往桥梁结构的损伤检测和状态评估主要以无损探伤和人工视察为主,只能在人力所及范围内的结构和构件上出现肉眼可见的缺陷时方可见效。显然,对于近年来大量建成的大跨度重要桥梁,这样的检测和评估手段已经远远落后于形势的要求。近20年来,科学技术的发展已经给动态试验技术,复杂结构的在线监测、数值模拟和结构识别技术带来了很大进步,尤其是在航天和汽车工业。但是,这些现代技术手段在大型土木结构中的综合应用还不多见。土木结构在这方面的发展比较滞后的主要原因是很少进行整体结构的试验和测试,因为土木结构大都体积巨大且不可移动,做结构实验在技术和经费方面难度很大。近年来结构健康监测系统在大型重要桥梁上的应用给突破上述限制土木结构分析发展的“瓶颈”提供了极好的机遇。结构健康监测系统提供了桥梁在线运营状态下的结构真实响应,给桥梁结构的模型识别提供了可靠的实测根据。但是,现在有些桥梁结构模型还是简单“鱼骨”形,这样的建模必然使得有限元结构分析的结果与实测结果相差甚远。随着结构健康监测系统在大型重要桥梁的应用,桥梁结构的有限元建模与分析越来越引起重视,建模手段也趋于在构造上“相似于”桥梁结构实体,例如钢箱梁不再是一根梁,而是按箱梁原型结构的构成及尺度由梁、柱、板、壳单元构造而成；这样的有限元结构模型用于桥梁动力特性计算已经取得了和实测结果相当一致的结果,但用于结构动力响应的分析模型仍然与实测结果相距甚远。因此,土木结构损伤失效分析在模型理论与分析手段方面仍然很匮乏。1结构健康监测和状态评估中关键理论与技术结构健康监测是指利用传感器和计算机系统实现对在役结构的工作状态和可能发生的损伤的检测。为了有效实现健康监测的目标,一般必须利用由传感器和计算机系统构成的结构健康监测系统对结构进行长期的在线监测,并有效利用监测信息反演结构的状态,识别结构中的损伤。结构健康监测的关键所在,技术上而言,主要是先进传感器的优化布设和信息的高效传输；理论上而言,主要是结构识别理论和状态评估理论的发展。结构识别的定义为利用结构的实测信息对数学模型计算得到的有关结构响应特征的参数进行修正的过程；结构识别也是通过监测数据反演结构状态的过程。如果结构中存在了损伤,那么结构状态识别的过程也就是结构损伤识别的过程。因此,损伤识别和结构识别的关系,实际上是存在部分交集2个不同的集合；结构识别包含了健康结构和损伤结构的识别；准确的健康结构模型提供了结构在健康状态的客观基准,是结构健康监测的先决条件；而损伤识别,还更注重于定义损伤指标以评估其程度；由此可见,结构健康监测和结构识别两者之间相辅相成、密不可分:一方面,结构健康监测为结构识别过程提供了结构在实际服役条件下的结构响应实测信息,另一方面,结构识别得到结构的准确响应特征和模型,为结构健康监测和损伤监测提供了基础。但是,理论上而言,根据结构的监测数据识别其结构健康状态和可能的结构损伤,是一个复杂结构体系在不完善条件下的反问题,本身就很难得到确定性的惟一解答。再考虑到大型桥梁结构在结构构造、工作环境等方面的复杂性与不确定性,大型结构的健康状态与损伤识别确实是一个复杂的过程。另一方面,每一个重大工程结构如大型桥梁等往往都是一个独特的作品,在其结构和环境等方面都有其个性,不可能期望直接应用其他结构的模型和研究成果来解决问题。因此,在建立每一个重大结构的安全监测系统的同时,都必须开展其结构损伤状态识别的科技攻关研究,建立起针对这一结构的有限元模型和监测数据与信息后处理系统,也就是结构健康状态和损伤检测与评估的体系。结构状态反演和损伤识别是桥梁结构健康监测系统的核心技术,也是目前国内外的研究热点。现在国内外虽然已经有不少大跨桥梁上安装了健康监测系统,但与之配套的状态反演和损伤识别体系都不健全。由此带来的问题就是,面对实时监测得到的大量数据不知如何才能识别和评估结构的状态和可能发生的损伤。大型桥梁结构的响应及状态分析是一个极其复杂的过程,应该采取结构动力响应模拟计算与结构健康监测、状态识别、局部损伤分析等现代分析手段相结合进行。在结构健康监测和结构识别过程中,目前还有许多关键理论和技术问题亟待解决。结构建模、模型修正和参数识别在内的结构模拟过程是结构健康监测、损伤检测和结构状态评估的主要环节。大跨桥梁结构具有结构构件众多、自由度数目巨大、连接条件复杂和工作载荷的不确定性等特点,在结构有限元建模和模型修正中存在许多理论和技术问题,尚待深入研究。2大跨桥梁结构有限元建模策略诚如在前面提到的,现在有些桥梁结构的有限元模型还是简单“鱼骨”形,这样的建模必然使得有限元结构分析的结果与实测结果相差很远。随着结构健康监测系统在大型重要桥梁的应用,桥梁结构的有限元建模与分析的作用越来越引起重视,建模手段趋于在构造上“相似于”桥梁结构实体。由此得到的模型往往具有成千上万的节点数和单元数。即使如此,在这样桥梁有限元模型中,也只能采用结构单元,如梁单元、板壳单元对全桥进行单元划分,焊接构件的焊接区域只能被简化为一个节点,无法体现出发生在这些区域的局部应力集中效应,以及局部应力集中引起的疲劳累积。这说明,即使是几何构造上“相似于”桥梁结构实体桥梁的三维有限元模型仍然不能满足以桥梁结构状态识别和疲劳评估为目标的分析。但是,和实体结构完全一致的精细模拟是不可能的,也是没有必要的。大跨桥梁结构的有限元建模策略应该是基于有限元分析的目标,目标不同,建模的策略可以完全不同,得到的模型可以有很大差别。以桥梁设计为目的的有限元分析只需建立比较简单的有限元模型,只要确保计算分析的结果是趋于保守的即可达到设计的目标。而以结构健康监测和状态评估为目的的有限元模型,就需要比较精细的有限元模型来得到准确的计算分析结果,否则,将可能“失之毫厘、差之千里”,达不到结构健康监测和状态评估的目标。即使是在结构健康监测和状态评估的过程中,对于结构有限元模型也有不同的要求,下面就将具体阐明在结构健康监测和状态评估过程中针对不同目标应该采取的不同的建模策略。2.1以布点方案研究为目标的桥梁动力特性有限元模拟为了建立有效的桥梁结构健康监测系统,首先需要针对监测目的和需要设计合理高效的传感器布点方案。目前桥梁结构健康监测主要是基于以振动实验模态分析法为主的结构整体检测方法,通过分析与结构动力特性相关的动力振型变化或结构刚度变化来判别结构的状态。其有效性主要在于模态实验结果的优劣,因此,传感器布设的位置和数量对实验结果至关重要。此外,在桥梁结构动力响应的监测方面,在布点方案设计中,需要全面了解桥梁在典型载荷下的关键构件部位、相对危险截面和危险点的位置。1)目标与技术要求以传感器布点方案研究为目的的桥梁结构有限元分析的目标是:准确计算桥梁结构的频率、振型等整体动力特性,以便根据计算的振型形状初步确定测点；较为准确地计算在典型载荷下桥梁结构中的内力和应力分布情况,以便确定结构中的高应力区、高疲劳应力区、易损部位等关键构件。相应建立的有限元模型必须满足如下技术要求:要能有效计算桥梁结构的动力特性,较精确分析桥体各部分主要构件和缆索在设计恒载下的内力和应力分布。2)方案与策略为了实现上述目标和技术要求,建立的有限元模型要充分体现桥体的空间几何拓扑构形、质量的空间分布规律以及组成桥体材料的物理力学性质。桥体的动力特性与模型的数学离散、几何构形和材料力学性质都相关,但根据已有的数值试验经验,几何构形的影响占重要地位,因此建立有限元模型时要把反映结构的空间几何拓扑构形放在首要位置。其次,要根据现有的一切实测资料来修正初步模型。2.2以结构状态评估为目的的桥梁动力响应有限元模拟桥梁结构健康监测系统建立以后,可以对桥梁结构各部位实施连续的在线监测,产生大量的监测信息。利用这些监测信息评估桥梁结构的健康状态、检测可能的损伤,是结构健康监测的信息后处理过程,也是健康监测的主要过程。目前在这一过程中存在大量的关键理论和技术问题亟待解决。其中,建立一个以结构状态评估为目标的桥梁结构动力响应有限元模型以分析计算桥梁结构的工作状态,是结构健康监测信息能否被充分利用从而达到损伤检测与状态评估的关键。此外,由于传感器安装过程中往往受到桥体结构上的限制,安装传感器的部位不一定就是结构中的危险部位,如桥体中的多种类型构件的焊接点往往发生疲劳破坏的可能性很高,但在这些位置加布传感器十分困难,就需要建立更为精细的有限元模型来反映桥梁结构中关键构件的局部应力集中分布。1)目标与技术要求以结构状态评估为目的的桥梁结构有限元分析的目标是:能够准确计算分析桥梁结构在实际运用载荷下的动力响应和桥梁结构中关键构件的热点应力分布；在此基础上,进一步进行疲劳损伤累积过程和其他类型失效过程的仿真分析。为了达到这一目的,相应建立的有限元模型应该满足的技术要求为:除了动力特性的有限元模型应该满足的要求以外,在结构应力模拟中,还要包含关键构件的焊、连接节点处的应力集中；在结构的边值条件中,要包含对桥梁实际运营载荷的准确模拟等。2)方案与策略要达到如上的目标与技术要求,在结构模拟中迫切需要解决的问题是:结构全尺度与局部损伤细节尺度的差别十分悬殊。在大跨桥梁结构中局部损伤分析或热点应力分析的对象是关键构件、关键节点的焊、连接细节部位,其特征单元尺度在毫米级；虽然损伤过程是发生在局部构件细节的现象,但其产生的原因——环境和工作载荷是作用在整个桥梁结构范围上的。同时,由于局部损伤源于结构最不利构件部位,在结构的损伤分析过程中,整体的结构分析也不可避免。显然,对待这类结构全尺度与局部损伤细节尺度相差十分悬殊的问题,如果象其他的如汽车、机械结构的损伤分析那样在同一尺度空间下进行分析,无论是计算容量、计算能力还是计算的实际可操作性都不可能。在土木结构中存在的结构全尺度与局部损伤细节尺度之间的悬殊差别,使得在结构损伤、失效分析中难以对考虑结构中事实上存在的局部缺陷和损伤的演化和发展过程进行仿真分析。这种存在于大跨度结构损伤和失效分析中的共性问题亟待从理论上和计算技术上深入研究。为此提出了建立大跨结构的多尺度结构损伤分析模型的学术思想,并已开始在相关的国家自然科学基金项目资助下展开研究。对于以结构状态评估为目的的桥梁结构动力响应有限元模拟而言,就必须在结构动力特性有限元模拟的基础上,进一步解决如下2个关键问题:其一是在结构建模和分析过程中恰当地考虑发生于结构最不利部位的缺陷和其演化过程以及对结构响应的影响；其二是根据桥梁载荷在线实测信息建立服役桥梁的移动载荷模型,这一问题由于已超越本文范围,将暂且搁置。上述第一个问题的解决途径就是建立多尺度结构分析模型。对大跨结构的整体或不同部位的描述,其适用的理论和尺度范围将取决于描述目的和主要考察对象。从结构全尺度、局部构件尺度和损伤细节尺度3个方面建立多尺度模型时,各个模型尺度所关注的分析对象、适用的理论以及有限元单元特征长度都应有所不同。此外,为了同时进行整体结构应力分析和局部损伤分析的需要,不同尺度的模型之间要能够衔接起来进