導(dǎo)讀

華南理工大學(xué)土木學(xué)科海外學(xué)者前沿講座第六十二期，我們邀請到來自香港理工大學(xué)土木及環(huán)境工程學(xué)系的夏勇教授為大家?guī)怼按罂鐟宜鳂蛄簻囟茸饔帽O(jiān)測、模擬和分析”的報(bào)告。本期講座錄播鏈接見文末或點(diǎn)擊閱讀原文。

隨著土木工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，高層建筑和大跨度橋梁越來越多。結(jié)構(gòu)在服役期間不僅要滿足承載力的要求，同時(shí)還要滿足相關(guān)的功能性需求，而近些年隨著全球氣溫的不斷上升，高溫對結(jié)構(gòu)的不利影響愈發(fā)收到人們關(guān)注。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測指通過在結(jié)構(gòu)上加裝傳感器，對其荷載、環(huán)境和響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以評(píng)估其在不同荷載作用下的性能，驗(yàn)證和修正其數(shù)值模型和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，探測可能出現(xiàn)的損傷和老化，知道后期的檢修和維護(hù)。

目前關(guān)于大跨橋梁溫度作用的研究局限于建立結(jié)構(gòu)響應(yīng)與幾個(gè)測點(diǎn)溫度之間的相關(guān)關(guān)系；而對結(jié)構(gòu)整體溫度分布、溫度與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的定量關(guān)系以及溫度作用的機(jī)理研究較少。本次報(bào)告中夏老師以多座大跨及多跨懸索橋?yàn)槔?，主要圍繞以下四個(gè)方面開展：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測簡介、大跨懸索橋梁溫度作用現(xiàn)場監(jiān)測、大跨懸索橋梁溫度作用數(shù)值模擬和大跨懸索橋梁溫度作用理論分析。

01

首先，夏老師簡單向我們介紹了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成主要包括5個(gè)子系統(tǒng)：傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)健廉評(píng)價(jià)系統(tǒng)。土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是土木工程與多學(xué)科交叉的一個(gè)新領(lǐng)域，融合了結(jié)構(gòu)、傳感、通訊、信號(hào)處理、控制、計(jì)算機(jī)、管理等學(xué)科，又與大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等熱門專業(yè)密切相關(guān)。夏老師課題組近些年來參與了較多大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，如香港青馬大橋、香港昂船洲大橋、港珠澳大橋部分橋段和港理工行人天橋監(jiān)測系統(tǒng)、廣州塔和上海中心大廈等。

隨后，夏老師以青馬大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)為例，介紹了大跨懸索橋梁溫度作用現(xiàn)場監(jiān)測，共采用了包括風(fēng)速計(jì)、加速度計(jì)、溫度計(jì)等在內(nèi)的276個(gè)傳感器；其中，共計(jì)115個(gè)溫度傳感器用于測量橋梁的環(huán)境溫度、截面溫度和主纜溫度。夏老師分別介紹了傳感器布置的策略，以及傳感器數(shù)據(jù)分析結(jié)果。主纜溫度傳感器使用光纖制成，并在施工時(shí)將其布置在橋梁主纜之中；環(huán)境傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測大氣溫度，分別布置于主纜、箱梁和底板之上；同時(shí)在橋面板和桁架上也布置了許多溫度傳感器。將溫度傳感器與位移傳感器獲得的數(shù)據(jù)相結(jié)合，對二者的相關(guān)性進(jìn)行分析，進(jìn)而揭示溫度和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化規(guī)律。監(jiān)測結(jié)果表明，橋梁跨中位移最大能達(dá)到兩米。夏老師表示，現(xiàn)場監(jiān)測只能得到傳感器測點(diǎn)處的溫度、響應(yīng)以及它們之間的相關(guān)關(guān)系；但是結(jié)構(gòu)的響應(yīng)是與所有點(diǎn)的溫度有關(guān)的。少量傳感器無法揭示溫度的分布、以及溫度與響應(yīng)之間的定量因果關(guān)系。因此需要通過數(shù)值模擬技術(shù)來研究懸索橋梁的溫度作用。

02

接著，夏老師向我們介紹了他在大跨懸索橋梁溫度作用數(shù)值模擬方面開展的相關(guān)工作。通過熱傳導(dǎo)方程可對橋梁結(jié)構(gòu)的懸索橋梁的溫度作用進(jìn)行模擬，邊界熱交換條件包括對流、熱輻射和日照，其中由于太陽的直射角度在一天中有所不同，因此是最復(fù)雜的變量。

使用有限元對關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行建模并對傳熱過程進(jìn)行模擬，通過與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果較好地反映了溫度隨時(shí)間的變化，證明數(shù)值模型及邊界條件的設(shè)定較為準(zhǔn)確。青馬橋的有限元模型分為橋面板模型(8,932個(gè)節(jié)點(diǎn)、6,720個(gè)單元)、橫向架 (24,242個(gè)節(jié)點(diǎn))、橋塔(23,969個(gè)節(jié)點(diǎn)、20000個(gè)單元)，以橋塔為例，溫度由外向里逐漸變化，中間溫度基本恒定，有限元結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果基本一致。隨后，將局部模型計(jì)算得到的溫度輸入到全橋模型，計(jì)算溫度引起的響應(yīng)，包括位移和應(yīng)力。通過有限元分析得到的橋面梁跨中一天溫度引起位移，發(fā)現(xiàn)縱向位移最大能有200 mm，橫向位移變化不大，豎向位移受溫度影響較為明顯。

夏老師總結(jié)到：相比于對監(jiān)測結(jié)果回歸分析時(shí)只能得到橋梁溫度與響應(yīng)之間的定性關(guān)系的，數(shù)值計(jì)算可以得到全橋任意點(diǎn)的溫度和響應(yīng)，但是，數(shù)值計(jì)算缺乏普遍性，難以分析溫度作用的內(nèi)在機(jī)理，同時(shí)需要大量的計(jì)算時(shí)間或者長時(shí)間的監(jiān)測。因此，需要對大跨懸索橋梁溫度作用進(jìn)行理論分析。

03

在理論分析階段，夏老師首先建立了三跨懸索橋的計(jì)算模型，對溫度變化下的塔頂水平位移、塔頂豎直位移和主纜跨中垂度進(jìn)行了計(jì)算和分析。其中，梁受溫度影響為自由伸縮，通過假定塔伸縮模式，分別推導(dǎo)計(jì)算塔頂水平位移、豎直位移和主纜跨中垂度。夏老師詳細(xì)介紹了主纜跨中豎向位移、主纜長度的推導(dǎo)過程，從而得到主纜跨中垂度的變化和塔頂水平位移的計(jì)算方法。通過簡化，假設(shè)橋塔與主纜溫度變化相同，忽略微量，最終得到了簡化的位移統(tǒng)一計(jì)算公式。

以青馬橋塔頂水平位移和主纜跨中豎向位移為例，夏老師對比了計(jì)算結(jié)果和不同懸索橋的實(shí)測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算和實(shí)際監(jiān)測結(jié)果體現(xiàn)出了較好的一致性，這表明推導(dǎo)的簡化公式具有較高的準(zhǔn)確性。同樣地，明石海峽大橋的數(shù)據(jù)分析結(jié)果也表明了所提出位移計(jì)算公式的適用性，與實(shí)際監(jiān)測誤差在10%以內(nèi)。

除三跨懸索橋外，夏老師采用相似的方法，對多跨懸索橋建立了理論分析模型，得到相應(yīng)的位移統(tǒng)一公式，通過馬鞍山長江大橋，對理論模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

04

最后，夏老師向我們分享了他們所建立的香港理工大學(xué)行人天橋監(jiān)測可視化系統(tǒng)，通過公眾展示平臺(tái)，學(xué)生和行人可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問和了解，對橋梁的設(shè)計(jì)、建造過程以及相關(guān)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行查看。

總結(jié)

夏老師的研究從大跨度懸索橋出發(fā)，通過監(jiān)測+模擬+分析的完整流程，推導(dǎo)出溫度作用下結(jié)構(gòu)變形的普適性公式，拓寬了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的道路，給現(xiàn)有研究提供了很好的參照和思考。他的研究不僅具有非常深的理論深度，還能將研究成果轉(zhuǎn)化為人們?nèi)粘Ｄ軌蚪佑|到的形式，參與到研究結(jié)果的互動(dòng)中，將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測變?yōu)榭吹靡娒弥男问?，增加了人們的參與感和結(jié)構(gòu)安全意識(shí)，非常值得我們學(xué)習(xí)。

在橋梁信息化、智能化的不斷發(fā)展的今天，橋梁監(jiān)測系統(tǒng)在多學(xué)科交叉的背景下，也迎來了新的春天。智慧工具與理論分析的支撐，也將對橋梁安全運(yùn)營、延長橋梁使用壽命起到至關(guān)重要的作用。我們也期待著夏老師描繪的理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，一起成為土木工程學(xué)科發(fā)展的四輪驅(qū)動(dòng)，帶領(lǐng)橋梁工程駛向更遠(yuǎn)的未來。

END

相關(guān)論文請到夏老師主頁下載：

https://www.polyu.edu.hk/cee/people/academic-staff/prof-yong-xia/

講座錄播鏈接：https://b23.tv/LMOwXI3

來源于多樣化結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室VSL

排版 | 李嘉晨

審核 | 胡? ?楠