[发明专利]一种针对异形钢管混凝土系杆拱桥结构的传感器布设方法

说明书

技术领域

本发明属于桥梁工程中桥梁结构分析、结构监测系统设计领域，特别涉及大跨异形钢管混凝土系杆拱桥的结构健康监测传感器测点优化布设、监测策略。

背景技术

结构健康监测及安全评价系统的基本监测功能是通过传感器系统来实现的，合理布置传感器是保证结构监测质量的前提。目前，关于桥梁监测传感器布点多是基于经验，对于异形系杆钢管拱桥这样的复杂结构，经验不能保证传感器的布点质量。一般来说，传感器应布置在应力集中点、结构支承点、对结构荷载重新分配影响比较大的构件、对动力响应的敏感点以及一些经验测点。

目前在健康监测和状态评估研究中，传感器优化布置研究大多是针对动力监测项目的加速度传感器的优化布置，包括：基于模态分量线性独立性分析进行结构传感器测点优化的有效独立法；基于模态动能较大的自由度上的响应分析进行结构传感器测点优化的模态应变能法；遗传算法等。对于静动力监测项目的应变传感器研究较少，常常是按常规布置。而实际的异形复杂结构中需要关心的区域是不同的。

另一方面，传感器的优化布设依赖于准确的结构分析。在进行桥梁结构整体分析时，通常用较粗的网格划分整体结构，不考虑局部一些细节构造，主梁通常采用脊骨梁模型来模拟。因此无法对局部受力状态做出精确分析。整体结构分析可以满足结构整体性态监测传感器布设的要求，难以满足局部性态监测传感器布设的要求以及复杂结构安全评估的要求。

目前，国内外的桥梁健康监测系统主要是针对大跨缆索支承型特大桥梁，关于系杆拱桥、预应力混凝土桥梁的健康监测系统则较少。随着我国基础建设的快速发展，钢管混凝土系杆拱桥等规模越来越大，而在拱桥在长期运营中普遍存在吊杆损伤、系杆内力松弛、预应力松弛或失效、裂缝等病害现象。 

本发明针对的异形钢管混凝土系杆拱桥结构组成为：主拱是由三根线形均为抛物线的空间钢管拱肋组合而成；中间主拱肋和两侧副拱肋在拱脚处交汇在一起，形成上宽下窄的空间拱肋体系；三根钢管拱肋之间横向由斜撑和横撑联系。拱脚、梁、墩在交汇处为固结，并与悬臂半孔形成倒三角形刚架结构，纵横梁、拱肋相互交错、受力复杂，而且又为材料不同的复合结构。体外水平系杆索在桥面连续箱梁和钢箱梁内。吊杆为桥面中心竖直吊杆和两侧斜吊杆组成的三索面，为了保证运营期间大桥各构件正常工作，及时发现桥梁发生的变化和病害，采取有效的维护措施，有必要建立一套有效的健康监测系统以评定其安全状况。

因此，针对异形钢管混凝土系杆拱桥，研究不同目标的结构分析方法、不同尺度有限元模型之间的相互验证与衔接、传感器优化布设方法，对于建立大跨异形钢管混凝土系杆拱桥健康监测系统具有重要的意义。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种可保证健康监测系统传感器的鲁棒性、有效性、经济合理性的针对异形钢管混凝土系杆拱桥结构的传感器布设方法。

技术方案：本发明的针对异形钢管混凝土系杆拱桥结构的传感器布设方法，包括以下步骤：

1）根据异形钢管混凝土系杆拱桥结构，采用通用有限元程序建立全桥结构的整体有限元模型、倒三角形刚架精细子模型，并在全桥结构的整体有限元模型中定义倒三角形刚架精细子模型的切割边界节点； 

2）对步骤1）中建立的全桥结构的整体有限元模型分别进行恒载和交通荷载作用下的全桥结构响应分析，然后根据该响应分析的结果确定整体性受力构件的易损性，继而确定结构受力整体分析层次上的传感器布设项目和传感器布设位置； 

3）调用步骤2）中全桥结构整体响应分析的结果，采用插值法计算步骤1）中定义的精细子模型切割边界节点的自由度数值，再用单元形函数将这些自由度数值插值到精细子模型切割边界节点上；

4）对步骤3）中已在切割边界节点上插值自由度数值的精细子模型分别进行恒载和交通荷载作用下的子模型结构响应分析；然后根据该响应分析的结果确定倒三角形刚架上的精细子模型受力构件的易损性，继而确定精细子模型上的传感器布设项目和传感器布设位置。 

本发明中，步骤1）中的建立全桥结构的整体有限元模型中，采用空间杆单元模拟空间钢管拱肋、吊杆、系杆、主拱肋与副拱肋之间的联系构件，采用空间梁单元模拟其他构件。