基于线性加权和选解法的桥梁联合静动力模型修正

作     者：王永强 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王伯昕

授予年度：2021年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：桥梁结构 健康监测 模型修正 多目标优化 线性加权和选解法 

摘      要：桥梁结构受到环境侵蚀等不利因素影响,整体安全性会逐渐降低,为确保其安全运行,通常会定期对一些重要桥梁进行结构安全检测、损伤诊断以及性能评价。它们通常都需要建立结构的有限元模型来辅助分析与评价,而依据原始设计资料建立的初始有限元模型会受到各种误差的影响而不能准确地反映结构的真实性态,因此需结合结构实测静动力响应及特性对初始有限元模型进行修正。本文依托吉林省科技发展计划项目(20180201083SF)的资助,开展了以下几项研究工作:1)针对多目标优化时Pareto前沿上协调最优解的选取问题,提出了线性加权和选解法,与传统选解方法相比具有一定的优越性,且其同样适用于三目标及以上更高维的多目标优化时协调最优解的选取问题。2)针对大型桥梁结构有限元模型修正这一复杂多目标优化问题,提出了一种基于线性加权和选解法的桥梁联合静动力模型修正方法。它首先利用NSGA-Ⅱ算法求解出该多目标优化问题的Pareto最优解集,然后再利用线性加权和选解法选出Pareto最优解集内的协调最优解以完成模型修正。它将NSGA-Ⅱ算法优良的全局多目标搜索寻优能力与线性加权和法的高效选解能力相结合,既避免了线性加权和法对该复杂多目标优化问题直接求解困难的问题,又解决了多目标优化中Pareto前沿协调最优解的选取问题,有效地避免了某些传统方法在选解时的随机性与波动性,提高了整个模型修正过程的优化效率。3)为对桥梁结构有限元模型的修正效果做出定量分析,提出了一种新的模型修正结果评价机制。利用整体误差平均值(δ)和联合静动力整体误差平均值(δ)这两个指标,可以对桥梁结构模型修正结果中的静动力响应及特性的误差进行单一评价以及综合评价,有利于定量地对实际结构的模型修正效果做出评判,更具说服力。4)将本文方法应用于一座钢桁架桥算例的有限元模型修正与评价过程中,取得了较好的修正效果,同时也验证了在模型修正过程中进行参数灵敏度的分析与筛选对降低模型修正复杂程度的有效性。5)将本文方法应用于一座预应力混凝土斜拉桥结构和一座钢管混凝土异型拱桥结构的有限元模型修正与评价过程中,结构的整体静动力修正效果较好。与静力模型修正法和动力模型修正法的修正结果对比后发现,本文方法同时兼顾了静力修正与动力修正两个优化目标,并以一个优化目标修正效果的轻微损失为代价来换取另一个优化目标修正效果的显著提高,且其联合静动力整体误差平均值(δ)更小、静动力目标间的协调性更好、优化率更高,结构的整体修正效果也更好,可以为相关桥梁结构的有限元模型修正与评价工作提供参考。