考虑车辆和温度耦合作用的中小跨径梁式桥固有频率分析方法研究

Natural frequencies are widely applied into the bridge early warning, damage detection and state assessment. To small and middle span beam bridges, the measured frequencies usually include the 'pollution' of vehicles and temperature. And sometimes, this kind of 'pollution' can completely cover the natural frequency changes caused by the damage.So how to pick out the 'pollution' and obtain the pure natural frequencies is of great theoretical significance and scientific value. Object to the leading subject, first the methods of numerical simulation calculation and indoor tests are combined to form the vehicle influencing laws on bridge frequencies in this project. Then the vibration characters of beam bridges are combined to build the reasonable vehicle-bridge coupled vibration model and the functional relationship between the natural frequencies, and the bridge frequencies affected by the vehicles are formed by means of quasi-mode analysis technique. And then from the aspects of structural stress and material parameter changes caused by the temperature, the internal affection mechanism for temperature on the bridge dynamic characters is dissected. And the solution method for the bridge dynamic characters under the action of temperature is presented, considering the affections of the temperature stress and the material parameter changes on the material stiffness. At last, based on the above researches, the natural frequency analysis method for the small and medium span beam bridges considering the coupling action of vehicles and temperature is formed by means of iterative algorithm to pick out the coupled impacts of vehicle and temperature on the bridge frequencies.

固有频率被广泛的应用到桥梁结构的预警、损伤识别和状态评估中。对于中小跨径梁式桥而言，实测频率中往往包含车辆和温度的共同"污染"，有时这种"污染"会完全掩盖损伤本身引起的固有频率变化。因此如何剔除"污染"，分析出"纯净"的固有频率具有重要的理论意义和科学价值。 针对这一前沿课题，本项目首先采用数值模拟计算和室内试验相结合的方法，形成车辆对桥梁频率的影响规律；进而以此为基础，结合梁式桥的振动特点，建立合理的车-桥耦合振动模型，采用模态分析技术构建固有频率与受车辆影响桥梁频率的函数关系。接着从温度引起的结构应力和材料参数变化入手，剖析温度影响桥梁动力特性的内在机理；综合考虑温度应力和材料参数的变化对结构刚度的影响，提出温度作用下桥梁动力特性的求解方法。最后基于以上两方面的研究成果，借助于迭代算法，形成考虑车辆和温度耦合作用的中小跨径梁式桥固有频率分析方法，从而剔除车辆和温度对桥梁频率的耦合影响。

固有频率被广泛的应用到桥梁的状态评估和损伤识别中。然而，车辆和环境温度使得桥梁频率发生显著变异，导致桥梁状态评估结果误差大，有时甚至会给出错误的评估结论。因此，揭示车辆、温度对桥梁频率的影响机理，掌握其影响规律，剔除车辆、温度对桥梁固有频率的影响具有重要的理论意义和工程应用价值。本项目采用数值模拟计算与室内实验相结合的研究手段，揭示了车辆对桥梁频率的影响机理，得到了其影响规律；提炼了车辆作用导致桥梁频率变异的主要表征参数，建立了车辆作用下桥梁频率的理论计算模型，进而构建了固有频率与受车辆影响桥梁频率的函数关系；归纳分析了温度对混凝土材料力学性能的影响规律，剖析了截面温度梯度对桥梁受力特性的影响，揭示了温度对桥梁频率的影响机理，建立了温度作用下桥梁频率的理论分析方法；引入车辆变异系数和温度变异系数分别表征车辆对桥梁频率的影响程度与温度对桥梁频率的影响程度，借助于列文伯格优化算法，结合车辆、温度对桥梁频率的影响规律，形成了车辆和温度耦合作用下桥梁固有频率的分析方法，实现桥梁固有频率的“提纯”，基本解决了车辆和温度两大外界因素对桥梁固有频率影响分析的技术难题，为动力荷载试验在桥梁检测、桥梁技术状况评定等方面的应用奠定了理论基础。依托长春市前进大街立交桥和安龙泉互通立交桥实体工程，验证了本项目理论方法的正确性和可靠性。通过变截面梁式结构动力特性精确求解方法的研究，建立了车辆、温度作用下变截面桥梁结构动力特性的准确求解方法；通过车辆作用下裂缝桥梁结构动力特性求解方法研究，提出了仅基于低阶动力特性的车辆作用下桥梁结构裂缝病害的损伤诊断方法，拓展和深化了本项目研究。