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2011二级结构工程师:桥梁结构系统研究2

时间:2011-03-17 15:15:18  来源:金路教育集团  作者:
 

三、桥架结构的系统研究思路

1.系统识别与健康监测

结构系统识别是通过试验和计算机来实现对结构的建模。桥梁结构可以看作一?quot;灰箱“系统,处于一定环境中的桥梁结构,一定的输入对应一定的输出,通过对系统输出和输入的分析,可以实现对结构系统的判断和识别。对这样一个灰箱的识别首先应确立一个由梁整体监测的许多困难,对桥梁在使用年限内工作特性的变化缺乏全面深入的研究,难以建立客观同一的桥梁状态评估标准。所以整个技术的成功开发乃至系统目标的最终实现有赖于更好地结合系统自身的要素、结构和系统工作环境。

具体实现桥梁结构系统的健康监测与状态评估,当前主要有以下几方面的工作「2」

(1)针对系统输出:开发和应用以无线通讯技术为手段的数据采集系统;开发能适用于交通荷载风荷载及定点测试荷载的传感器最优布设技术;

(2)针对系统输入和输出的反向分析:采用动态边界子结构原理,开发以结构模型修正法为基础的结构损伤识别技术;研究非线性结构模型的时域评估方法及系统识别技术;寻找更适合桥梁监测的新指纹;开发桥梁观察与监测收据管理系统及决策专家系统;综合良态建模技术,改善有限元模型修正方法;

(3)系统分析的终端应用:根据观察与监测的结果分析实桥的剩余承载能力;建立桥梁安全准则及能用于桥梁整个寿命过程经济评价的估价模型。

2.系统控制

古典控制理论起源于本世纪20年代,主要以单变量线性定常系统为研究对象,以频率法为主要方法研究控制系统的动态特性。50年代以来,逐渐出现了多变量系统、系统灵敏度分析、动态系统测试状态空间方法和 Bellman动态规划等现代控制理论方法「5」。

在系统与控制理论中,主要研究动力学系统。桥梁结构在动力荷载作用下,表现为不确定性的随机系统,其非线性行为受到越来越多的关注和研究。尤其在桥梁的抗震和抗风领域,近年来从传统的抗震抗风设计思路发展到结构控制思想。目前的结构控制方式主要有被动控制、主动控制和混合控制,被动控制是通过支座、阻尼器等装置来消耗输入系统的外部环境能量;主动控制的基本思想是通过主动施加外部能量来抵消和消耗环境输入能量,使偏高平衡状态的系统在新的注入能量流作用下找到平衡。

早在1890年,最早的隔震器就产生了,当前已应用的有叠层橡胶、旋转弹簧等多种支座和弹塑性、粘性、干摩擦等阻尼器用于对系统的被动控制。Constantinou在1991年提出了采用位移控制装置和滑动支座相结合的滑动隔震体系,最大限度地减少了输入能量向结构系统的传递[4]。

有些主动控制技术(如AMD)已经进入实用阶段,在日本已经建成了一批主动控制的建筑。通过主动控制,一方面可以用最有效的方法抵抗外部激励,另一方面可以直接减小输入到结构上的激励水平。当前有主动连杆控制技术和主动调质阻尼器系统(AMD)技术实现对系统的主动控制。混合控制系统当前主要有对振动控制系统、混合基础隔震系统和可变阻尼系统。当前的这些技术还处于发展之中,不但在桥梁抗震抗风领域,而且在房屋等建筑领域甚至是整个土木工程都有广阔的应用前景。

3.系统非线性机理

传统自然科学趋向于强调稳定、有序、单一、均匀与平衡,带有线性的色彩,到本世纪70年代前后,自然科学的锋芒开始转向现实世界的失稳、无序、多重性、不均匀和非平衡等方面。非线性系统已成为自然科学的主要研究对象,因为非线性是一切复杂现象的本源[5]。

1973年,费根包姆提出的混饨理论大大推进了非线性理论在系统科学中的应用,混饨理论、分形论、孤波理论共同构成系统动力学理论,探讨系统的非线性机制。桥梁结构系统也是一个混饨系统,具有不可预测性、不可分解性和存在规律性,而且这一混饨系统具有分形性质,即自相似性。这里重点讨论桥梁系统动力学行为特别是桥梁抗震系统中的分形特征。

(1)分形与分维

1977年,Mandelbrot出版了专著《分形、机遇和维数》( Fractal: Form, Chance and Dimension, Freemen, San Francisco,1977),标志着分形理论的诞生。分形是其组成部分以某种方式与整体相似的形,即分形是指一类无规则、混乱而复杂但其局部与整体有相似性的体系。

数学家按一定的规则构造出具有严格自相似性的规则分形集合。如康托尔三分集、谢尔宾斯基垫片、柯曲折线等。柯曲折线的结构,具有严格的自相似性。自然界中被认为是分形系统的海岸线、云层边缘、地球表面、断口表面以及液体湍流等,没有一个严格意义上的分形,其自相似性是近似的或统计意义上的相似,分形自然体在局部和整体的某种相似性通常只是在某些特定的尺度范围内才成立,这些尺度范围被称为”无标度区“,这种只在无标度区内具有自相似性的分形也称随机分形。形态(结构)、信息、功能或时间上具有自相似性的客体称为广义分形[6].

 
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(责任编辑:徐福贵)

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