评估大型斜拉桥拉索力外文翻译资料

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评估大型斜拉桥拉索力

Sara Casciati 和Lorenzo Elia

关键词：斜拉桥，拉索拉力，灾难性事件，结构健康监测，台风

摘要：复杂边界条件的出现，使得当利用传统的基于模型的力识别方法时，评估斜拉桥的拉索拉力变得十分地困难。一个记录加速度信号的大数据集可用于香港的汀九大桥（TKB）。该数据集和这座桥的一个数值模型被一起用来重建主要拉索上的拉力。数据的一部分被用来调整模型。剩余的数据是用来验证的。创建出的数值模型可用来研究在台风作用下，斜拉桥的拉力分配情况，原理是基于在这种极端事件下观测到的某些桥梁频率的提高。

绪论

当结构健康监测技术被运用到斜拉桥时，拉索拉力的评估程序依赖于监测系统的精确度。实际上，结构的模态特性，比如频率，振型，和阻尼比都被提出过，用于研究拉索中的拉力分配情况。尽管在一些监测系统中采用了一些公式，获得的结果由于忽略了初始变形，自然频率修正和振动拉索初始曲率减小的情况，还是不够精确的[1]。为了建立实用但近似的公式，一些模型已经被阐述，用以评估拉索拉力，其中比如Ren等[2]，Kim和Park [3]，Choi和Park [4]，还有Wang等[5]。然而，拉索通常是由靠近桥面和索塔锚固区的钢管所覆盖。此外，在评估桥梁缆索中的拉力时，抗弯刚度也是十分重要的因素。这个问题引起了一些研究者的广泛讨论：举例如下，Shinke 等[6]提出了提出了第一个估算公式，公式考虑了抗弯刚度对拉力计算的影响。Zui 等[7]也提出了一些修正公式，其中利用了弯曲拉索的第一，第二和更高阶的固有频率。Utsuno 等[8]介绍了一个方法，它可以同时确定弯曲拉索的拉力和抗弯刚度。日本以外的其他研究人员，比如Robert 等[9]提议了一个简单的估算公式，它能够在计算拉索拉力时考虑到抗弯刚度的影响。这个方法已经被Mehrabi和Tabatabai [10]修正，还另外考虑了拉索的垂度效应。环境的加速度数据通常被用来进行桥梁的模态识别和评估拉索拉力[11]。当出现台风条件时，会观测到斜拉索动力特性的十分显著的变化[12]。

最近，位于香港的汀九大桥（TKB）出现了一个基准问题，也提出了它的模态识别[13]，[14]。试验数据要么在标准环境条件下（也即，微风条件）记录，或者在一种极端事件下记录，比如台风，以用于解决基准问题。从后者的数据集中，观测到了一些桥梁频率的增大。这种增大很有可能与斜拉索在台风作用下导致的拉力分布的改变有关联。以在极端事件下控制结构的角度看，一个对这样一种原理的准确无误的理解是需要的。然而，这个结构的复杂性（它有着总长度达到1177米长，桥面由384条斜拉索支撑的特点），使得我们不能以一个直截了当的方式来识别出，是哪一些拉索直接引起了频率的改变。

所以，笔者做了一个尝试用来验证拉索的拉力在极端的事件下发生的可能变化。为了这个目标，在标准条件和特别事件下的信号记录都要考虑到。目前的工作的目标是检测出拉索的拉力的变化，就是它导致了在台风条件下观测到的频率改变。这个是通过适当地更新和调整一个复杂的有限元模型得到的，该模型是在MSCreg; Marc Mentat环境中开发出来的[15]。

首先，建立了一个很可靠的结构有限元模型，该模型是能够在标准的环境条件下充分地体现出拉索的动力特性的。在大应变条件下逐步地引入了重力荷载和拉索张力，并在结果配置上进行模态分析。第二，拉索上的张拉力是多种多样的，基于估算出合理频率的值的结果这一目的，进行了一种灵敏度分析。为了达到这个目的，斜拉索可以方便地分为基于它们几何特征的集群。通过分析得到结果，就识别出与所观测的频率变化相对应的张力增加的拉索集群。

案例研究：汀九大桥

汀九大桥（见图1）是一座位于香港的建造完成于1998年的三索塔式斜拉桥。它的总长度是1177米，它有四个跨：边跨有127米长，然而两个中央主跨跨径分别有448米和475米长[16]。这样一座桥连接着西北部的新界与香港岛。这座桥的总体布置给在图2中。

Figure 1香港汀九大桥

两条宽达18.8米的行车道和位于它们之间的三座纤细的索塔形成了这座桥梁。三座单腿索塔的高度分别是170米，198米，和158米，便于一个观察者看到从汀九到青衣之间的桥梁。两条钢主梁沿着桥面的边缘，每隔4.5米有一条钢横梁，一块位于顶部的混凝土板形成了每条行车道。两条行车道由每13.5米一条的横梁连接在一起。384条斜拉索支撑着整个桥面。

Figure 2汀九大桥的总体布局

三座索塔的特殊化布置，通过横向和纵向的拉索来加强，是这座桥梁十分独特的特点。横向的拉索的主要功能是来稳定整个结构。然后，安装8条纵向稳定拉索，来对角连接中心索塔与左右的索塔。这样的拉索长度达到了465米。用64根拉索来加固三座索塔的横向方向[13]。

由于工程的建设，根据香港SAR政府高速公路局设想的一个长期的结构健康监测任务，汀九大桥已经安装了超过230个传感器[17]，[18]。

横越过桥梁，一组加速度计，风速表，温度传感器，应变仪，GPS，和重量运动传感器已经安装完好[18]。在本文中，作者考虑认为24个加速度计安装在桥面上。在基准问题中[13]，设备的数量从24降低到16[14]，仍然达到了初始目标，也即正确地识别出了模态信息。这个情况如图3所阐明。

Figure 3沿着桥面的加速度计布置

对于原始的配置，在图3中从A到P的部分中，在纵向钢梁的西侧和东侧布置了一对加速度计。这样的加速度计记录了垂直加速度分量。另一个加速度计放置在中央横梁上来记录横向加速度分量。整套设备的采样频率为25.6赫兹。

收集可用数据

获得了不一样的数据集，然后它们被用于模态识别。这种场测量包括有10组监测节点的加速度和已知激励力的风速。这些数据集被细分为两个组：在第一组中，一组是依赖于微风条件下得到的6套数据；在第二组中，给出的是在台风条件下收集的剩余4套数据，如表1所示。另外一组称为“盲数据集”的数据，由于激励条件是未知的，也是可用的。

表格 1在微风条件（WC）和台风条件（TC）下的数据样本

拉索张力评估

有限元模型

研究的桥梁完全是由有限元软件MSCreg; Marc Mentat[16]建模。这个软件是特别选择的，因为它允许去考虑到拉索动力特性固有的几何非线性性质。

尽管TKB桥已经成为数个科学和技术出版物的核心[16-20]，有时收集在特殊问题中，但几个设计参数并不是公开的。为了建立一个数值模型，作者从编写参考文献[22]的科学家们在网络上提供的可用ABAQUS模型[21]开始。值得注意的一点是，该模型提供了一组固有频率，而其中只有第一个频率与[17]中记录信号里面所阐述的值相一致。

以模型为基础，在Marc Mentat中创建了一个增强的模型。从ABAQUS模型中，作者推导出了材料性质和几何性质的范围，分别列在表2和表3中。在分析和处理现有的模型这个初始阶段之后，在Marc Mentat软件中进行建模，如下所述。作者在Marc Mentat环境中导入了ABAQUS模型[15]，但是有几个细节丢失了。特别地，ABAQUS模型中没有关于初始拉索张力的信息。

表格 2原始ABAQUS有限元模型的材料特性范围

表格 3原始ABAQUS有限元模型几何特性的范围

在这个阶段，作者决定要从ABAQUS模型中提取出无可争议的数据，然而对于其他一些基本数据的推断，还需要做进一步的研究。在新创建的Marc Mentat模型中，材料特性被分配到与之相对应的单元上，如表4中所列。混凝土的质量密度的值是不同的，是为了区分出索塔和桥面单元。对于拉索，采用了更轻的钢，它的特性是来源于文献，是精确的未知。

表格 4在Marc Mentat有限元模型中的材料特性

为了分配几何性质，则必须采用不同的方法。事实上，一些单元的几何形状还没有被指定，以至于几何性质的校准是必须进行的，以便能够在ABAQUS模型

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