实测动力响应

2024-05-02

实测动力响应（精选三篇）

实测动力响应篇1

关键词：有限元模型修正,ANSYS,桥梁动力特性

1有限元模型修正的方法和原理

1)有限元模型修正的流程见图1。

2)参数分析。

影响桥梁有限元模型整体计算精度的关键是几何尺寸和刚度,选取各单元截面尺寸和单元节点的竖向弯曲刚度作为待修正参数。

3)状态变量。

对于连续梁—连续刚构组合结构桥把前三阶竖向弯曲振动频率和每跨四分点的竖向挠度作为状态变量。

4)目标函数。

设:待修正参数X=[x1,x2,…,xn];目标函数fr=f(x1,x2,…,xn);采用加权平方和的方法进行构造:

$f = \sum_{i = 1}^{k} w_{i} (\frac{ω_{i} - \bar{ω}_{i}}{\bar{ω}_{i}})^{2} + \sum_{i = 1}^{n} w_{i^{'}} (\frac{u_{i} - \bar{u}_{i}}{\bar{u}_{i}})^{2}$ (1)

式中:ωi——自振频率的计算值;

$\bar{ω}_{i}$ ——自振频率的实测值;

ui——挠度的计算值;

$\bar{u}_{i}$ ——挠度的实测值;

wi,wi′——权重系数。

5)参数灵敏度分析。

设状态变量fr=f(x1,x2,…,xn),各修正参数的灵敏度为:

$V f_{r} = {\frac{\partial f_{r}}{\partial x^{1}} ‚ \frac{\partial f_{r}}{\partial x^{2}} ‚ \dots ‚ \frac{\partial f_{r}}{\partial x^{n}}}$ (2)

根据式(2),计算出各个参数的灵敏度。

2有限元模型参数修正

2.1 ANSYS的优化分析

ANSYS程序提供了两种优化分析方法:

1)零阶方法;2)一阶方法。

2.2 桥梁的有限元模型修正

1)桥梁的有限元模型见图2。

只要每个截面的刚度和节点质量与实际一致,就能得到比较精确的结果。桥梁可离散为图3所示。

2)桥梁的静载试验。

对桥梁进行静载和动载试验,车辆参数和加载工况如图4～图6和表1所示,测得桥梁的前三阶竖向弯曲振动频率和每跨四分点的竖向挠度。

3)待修正的结构参数。

把截面尺寸和混凝土弹性模量作为结构待修正的参数,使用APDL语言参数化建模以方便下一步优化分析。

4)使用状态变量构造目标函数。

将静载试验中的静力工况(如图4～图6所示),测试得到的1号～15号测点的竖向位移和动载试验中实测前3阶自振频率作为状态变量按式(1)构造目标函数,权重系数均取 $\frac{1}{18}$ ,则目标函数为:

$f = \frac{1}{18} (\frac{S_{1} + 1.226}{- 1.226})^{2} + \frac{1}{18} (\frac{S_{2} + 1.232}{- 1.232})^{2} + \frac{1}{18} (\frac{S_{3} + 3.361}{- 3.361})^{2} + \frac{1}{18} \times (\frac{S_{4} + 1.846}{- 1.846})^{2} + \frac{1}{18} (\frac{S_{5} + 6.017}{- 6.017})^{2} + \frac{1}{18} (\frac{S_{6} + 1.728}{- 1.728})^{2} + \frac{1}{18} \times (\frac{S_{7} + 1.450}{- 1.450})^{2} + \frac{1}{18} (\frac{S_{8} + 5.172}{- 5.172})^{2} + \frac{1}{18} (\frac{S_{9} + 1.504}{- 1.504})^{2} + \frac{1}{18} \times (\frac{S_{10} + 1.791}{- 1.791})^{2} + \frac{1}{18} (\frac{S_{11} + 6.040}{- 6.040})^{2} + \frac{1}{18} (\frac{S_{12} + 1.767}{- 1.767})^{2} + \frac{1}{18} \times (\frac{S_{13} + 3.381}{- 3.381})^{2} + \frac{1}{18} (\frac{S_{14} + 1.290}{- 1.290})^{2} + \frac{1}{18} (\frac{S_{15} + 1.154}{- 1.154})^{2} + \frac{1}{18} \times (\frac{w_{1} - 0.769}{- 0.769})^{2} + \frac{1}{18} (\frac{w_{2} - 0.898}{- 0.898})^{2} + \frac{1}{18} (\frac{w_{3} - 1.130}{- 1.130})^{2} (3)$

其中,S1～S15分别为1号～15号测点竖向挠度的计算值,mm;w1,w2,w3分别为桥梁前三阶竖向弯曲振动频率的计算值,Hz。

使用有限元软件ANSYS的优化分析功能分别进行静力工况和模态分析工况求解,得到15个S1～S15参数和3个w1,w2,w3参数,经过多次优化循环计算后,使目标函数取得最小值后得到优化分析的结果。

5)有限元数值模型的修正结果见表2,表3。

通过表2,表3结果可见,实测值和理论值非常接近,桥梁的整体竖向抗弯刚度比设计值偏大。

3结语

以能反映桥梁整体力学性能的两种参数,竖向挠度和竖向频率为状态变量,构造目标函数,使用通用有限元软件ANSYS的优化分析功能,对某连续梁—连续刚构桥的有限元数值模型进行修正,大幅提高了有限元模型的计算精度,在不增加试验投入的前提下,实质上提高了计算精度。

参考文献

[1]宋一凡.公路桥梁动力学[M].北京:人民交通出版社,2000.

[2][美]R.克拉夫,J.彭津.结构动力学[M].王光远,译.北京:高等教育出版社,2006.

[3]宋一凡,贺拴海.弯桥结构动力性能评估分析理论与方法研究[D].西安:长安大学,2008.

[4]郑亮.高墩大跨桥梁车桥耦合振动模型试验研究[D].西安:长安大学硕士论文,2011.

岩溶地带公路隧道地震动力响应研究篇2

基于土-结构相互作用模型,利用粘-弹性边界条件,运用时程分析方法研究了岩溶地带公路隧道地震动力响应.探讨了溶洞发育程度和位置对隧道地震动力响应的.影响,总结了岩溶地区公路隧道结构位移场、围岩塑性区等的地震动力响应分布规律.

作者：姚春艳张学军张万里作者单位：姚春艳,张万里(沈阳地铁有限公司,沈阳,110011)

张学军(中铁隧道勘测设计院有限公司,天津,300133)

实测动力响应篇3

1 实测方案与测试步骤

1.1 多功能演播厅台口梁简介

安徽广播电视新中心桁架梁为净跨36 m, 净高44.3 m的大型预应力混凝土结构。它由两侧立柱, 中间立杆1～3, 1层梁～4层梁, 以及斜杆4～斜杆7组成, 详见图1, 其中斜杆4、斜杆5为预应力杆件。台口梁主体结构在平面内对称于1F轴, 平面外仅两侧立柱与局部楼板相连。

1.2 试验仪器设备和测点的布置

东华DHDAS_5920动态信号采集分析系统一套;加速度传感器;笔记本电脑一台;测试专用传输电缆线若干根。

在传感器的合理化布设中, 应根据试验的目的和被测结构的结构形式来确定测点布设的方案。一般来讲, 对传感器的布置需遵循以下3个原则:1) 传感器数量最优, 用尽可能少的传感器获取较为全面的结构参数信息;2) 测点定位最合理, 布设在便于分析计算和具有代表性的关键部位 (如最大挠度处) , 使模态的实测值与理论值相接近;3) 传感器布设应使试验结果具有良好的可视性、鲁棒性和抗噪性, 有利于测试结果的分析。

基于以上布置原则, 并结合台口梁自身结构形式特点、施工现场的复杂性以及实测时工作空间的限制等因素, 将传感器的布置方案设计如图2所示。

2 测试结果与分析

2.1 信号实测结果

依照上述要求, 测试可以得到各个测点的加速度时程记录曲线, 图3为部分测点的加速度时程图。

2.2 信号分析方法

该工程针对采集的加速度信号, 为了研究其频域内动力特性, 可对信号进行频谱分析, 通过得出功率谱密度运用峰值法确定出主要的频率。

具体的分析过程可依照图4的流程进行。

图5为利用Welch法得出的某测点自功率谱图, 其余测点的处理方法均参照该文所论述方法, 与所选示例测点处理方法相同。

2.3 实测结果

台口梁自身频率内的自振频率值通过下述方法确定:排除实测的异常数据后, 对各测点实测值取平均, 得出台口梁平面内基频值。基于上述模态参数识别方法, 可以得出此次实测的台口梁平面内基:7.38 Hz。通过半功率宽带法[2]确定的基频所对应的阻尼比为0.27%。

3 有限元分析结果及对比

3.1 分析方法

采用有限元分析软件, 结合台口梁的施工设计图纸, 按照梁的实际边界条件, 建立了有限元整体式模型。

模型的单元采用Beam188单元, 模型材料参数根据结构设计图纸内容来确定。钢筋混凝土台口梁中各混凝土“杆件”的等级为C40, 弹性模量为2.67×104 MPa, 泊松比采用0.166 7, 密度采用2 600 kg/m3。各参数在建模输入时需注意各单位应该保持一致, 且需要根据实际工程情况对参数进行合理调整。

在模拟预应力的施加时, 对桁架中施加预应力的斜梁, 可以简化为对该斜梁施加轴向压力这一方式来模拟预应力的作用[3]。施加轴向压力的大小根据实际的预应力张拉值确定, 在施加轴力过程中, 对该力的取值应该注意要扣除相关的预应力损失。

根据以上条件, 建立起来的预应力钢筋混凝土桁架梁的有限元空间模型见图6。

3.2 结果与对比

依照选用模态分析方法的不同, 结构的主自由度的确定也不相同。本次进行模态分析时, 考虑到结构的复杂性, 可采用分块兰索斯法 (Lanczos method) 进行台口梁的模态分析, 对主自由度的选择让程序自动选择, 这样既可以避免人工选择主自由度不当带来的误差影响, 又可以满足工程要求。

基于上述方法, 经过有限元模态分析可以得出台口梁平面内的基频和振型。计算模态分析得出的台口梁平面内基频值为7.46 Hz。与实测值7.38Hz相比, 两者相差1.07%, 在可接受范围内 (5%以内) 。

从对比结果可以看出, 本次对动力实测方案合理, 结果与计算值吻合度较好, 实测结果可以作为台口梁的“动力指纹”为今后对其健康监测与损伤识别提供数据参考。

4 结论与建议

通过对现场动力实测数据分析, 可以得出以下结论与认识, 希望能够对其它同类问题提供借鉴和参考。

a.从基频的实测值与计算值吻合程度来看, 本次动力实测方案切实可行, 可以为今后同类动测研究提供参考与借鉴, 得出的基频值可以作为台口梁的“动力指纹”, 为今后的进一步研究提供动力数据参考。

b.本次实测对象为一对称结构 (几何对称、边界对称等) , 在进行频率识别时, 一个频率可以对应两个振型 (一个特征值对应两个特征向量, 或者说重频) , 即会产生频率密集现象, 在识别基频时应该引起注意。

c.该文研究的是梁平面内的模态情况, 对实际情况来讲, 梁平面外的刚度比平面内要小很多, 虽然在结构服役时, 平面外有相应约束, 但是在结构施工过程中, 平面外的模态应该引起足够重视, 防止施工出现险情。此外, 台口梁的高阶次频率无法通过实测得知, 可以通过正确的有限元模型获取。

摘要：预应力钢筋混凝土桁架是一种应用广泛的结构形式, 由于结构复杂性, 目前对其动力特性方面的研究很少有人涉及。该文以安徽广电中心多功能演播厅台口梁为研究对象, 实测了其振动频率值, 采用有限元方法计算了结构的动力特性, 确定出了相关的动力特性参数。