面向混凝土梁桥结构状态评估的非线性有限元模型修正研究

At present, based on linear finite element model and the stiffness of the elements is reduced to represent damage is widely used in concrete girder bridge structural condition assessment. However, structural condition assessment will inevitably involves the structure stiffness and bearing capacity, concrete and steel bar stress state, etc., because of the concrete structure has obvious nonlinear material properties, leads to the updated linear model can’t accurately predict stress state and future performance of the structure. Moreover, the change of the structural stiffness is difficult to directly assess the structure bearing capacity. This project will combine structural nonlinear analysis and model updating method, design experimental test static and dynamic respense of concrete beams under different parameters such as different stress state, fracture morphology etc.. Based on the test data, through the analysis of variance, the sensitive material constitutive relationship parameters are chosen as the optimal parameters. The damage function of structure is calculated by the nonlinear analysis and model updating is realized by using the response surface method. Establish nonlinear static and dynamic baseline finite element models for structural condition assessment of the current status and performance prediction of future. And then by comparing the updated static and dynamic nonlinear finite element model, build the relationship of static stiffness, dynamic stiffness and bearing capacity for concrete girder bridge on the constitutive level. The research results of this project will provide an important basis for the structural condition assessment of concrete girder bridge based on dynamic characteristics.

基于线性有限元模型并采用降低单元刚度模拟结构损伤，对混凝土梁桥进行结构状态评估目前应用较为普遍。然而，结构状态评估势必涉及结构刚度、承载力及混凝土、钢筋应力状态等，由于混凝土结构具有明显的材料非线性特性，导致修正后的线性模型不能准确地对结构当前应力状态、后期性能进行预测，并且，结构刚度变化难以直接评定结构承载能力。项目拟结合结构非线性分析和模型修正方法，设计试验测试混凝土梁不同应力状态、裂缝形态等参数差异下的静力、动力响应；基于试验数据，通过方差分析选择材料本构中敏感参数为待优化参数，由非线性分析计算得到结构的损伤函数，采用响应面方法实现模型修正，建立适用于结构当前状态评估及后期性能预测的非线性静力、动力基准有限元模型；进而通过修正后的静力、动力非线性有限元模型比较，建立混凝土梁桥静力刚度、动力刚度及承载力本构层面的关系。项目研究成果将为基于动力特性的混凝土梁桥结构状态评估提供重要依据。

目前，对于结构损伤的模拟普通采用线性有限元模型，采用拆减两测点之间单元弹性模量或截面面积、惯性矩的方法进行模拟，仿真分析结果进一步用于混凝土梁桥结构状态评估。然而，实际混凝土结构损伤更多的表现出局部性，如裂缝的开展，可能是单条或多条裂缝，裂缝区域可能位于两测点之间，也可能位于多个连续测点之间，故对结构损伤模拟进行了分析，比较了实体模型、裂纹梁、梁单元模型损伤模拟的差异，提出了基于结构柔度矩阵的局部损伤、连续多损伤损伤定位、定量方法，不同模型对结构损伤定量的精度有一定影响。鉴于动力指标的构造需要提取模态参数，开展了模态参数识别方法的研究，基于统计的思想提出了一种基于随机子空间方法的结构损伤识别方法，采用离散状态空间矩阵进行损伤状态评估，不直接识别模态参数，采用模型斜拉桥桥塔损伤实测数据进行了验证。编制了考虑材料非线性的混凝土简支梁全过程分析程序、多项式响应面模型修正程序，通过方差分析选择材料本构中敏感参数为待优化参数，由非线性分析计算得到结构的损伤函数，采用响应面方法实现模型修正，建立了适用于结构当前状态评估及后期性能预测的非线性静力基准有限元模型，能较好的对结构的应力状态、承载能力进行预测。分析了两根不同破坏模式足尺预应力混凝土梁裂缝分形特征与损伤静力刚度、动力刚度之间的关系，裂缝分形维数与刚度近似呈线性关系。分析了桥梁地震响应建模参数的不确定性，为模型修正的不确定性分析提供参考。分析了超声波层析成像方法用于预应力孔道注浆状态的检查，为进一步开展结构局部损伤检查、评估提供依据。结构静力刚度与动力刚度的关系结果正在整理，项目的研究成果为混凝土梁桥结构状态评估提供了一定的基础和依据。