基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與溫度應(yīng)力分析的大跨鋼箱梁橋的總應(yīng)力計(jì)算方法及安全預(yù)警方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與溫度應(yīng)力分析的大跨鋼箱梁橋的總應(yīng)力計(jì)算方法及安全預(yù)警方法，其中總應(yīng)力計(jì)算方法包括步驟一、通過健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的橋梁的應(yīng)變與溫度；步驟二、從實(shí)測(cè)應(yīng)變中分離出溫度應(yīng)變；步驟三、計(jì)算鋼箱梁上截面上的均勻溫度和梯度溫度；步驟四、軸向約束應(yīng)力計(jì)算；步驟五、彎曲約束應(yīng)力計(jì)算；步驟六、溫度自應(yīng)力計(jì)算；步驟七、從有限元模型中獲取自重應(yīng)力；步驟八、大跨橋梁在運(yùn)營(yíng)期間總應(yīng)力計(jì)算。相比傳統(tǒng)預(yù)警方法而言，本發(fā)明預(yù)警指標(biāo)明確、力學(xué)模型清晰，并考慮了溫度荷載對(duì)大跨橋梁結(jié)構(gòu)的影響，適合于工程界推廣。
【專利說明】
基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與溫度應(yīng)力分析的大跨鋼箱梁橋的總應(yīng)力計(jì)算 方法及安全預(yù)警方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及土木與交通工程的大跨橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)警領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 橋梁結(jié)構(gòu)的安全預(yù)警是一個(gè)復(fù)雜的研究課題，不僅涉及橋梁領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，還 涉及到系統(tǒng)科學(xué)、管理學(xué)、決策學(xué)等多門學(xué)科，只有將眾多最新學(xué)科知識(shí)綜合應(yīng)用到橋梁結(jié) 構(gòu)安全監(jiān)控領(lǐng)域，才能對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)警問題有更加深入和全面的了解。近年來(lái)，在振動(dòng)模 態(tài)分析和參數(shù)識(shí)別基礎(chǔ)上的預(yù)警方法得到了廣泛的研究，但是由于橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特性， 使得這些技術(shù)在應(yīng)用于大型橋梁結(jié)構(gòu)尚有諸多問題。隨著社會(huì)信息化的推進(jìn)及計(jì)算機(jī)、網(wǎng) 絡(luò)等技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，特別是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝運(yùn)營(yíng)，研究高效的橋梁預(yù) 警系統(tǒng)對(duì)于提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)狀況十分必要。
[0003] 結(jié)構(gòu)應(yīng)力可以作為預(yù)警指標(biāo)來(lái)對(duì)大跨橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。應(yīng)力就是結(jié)構(gòu)構(gòu)件 某一截面上內(nèi)力的集度，可以用于判斷結(jié)構(gòu)是否因強(qiáng)度不足而破壞。結(jié)構(gòu)應(yīng)力真實(shí)的反應(yīng) 了結(jié)構(gòu)在外部荷載下的受力情況。在大跨橋梁預(yù)警系統(tǒng)中，目前工程人員只是將車載應(yīng)力 作用預(yù)警指標(biāo)，并沒有完全考慮結(jié)構(gòu)的總應(yīng)力。其原因在于:大跨橋梁在服役狀態(tài)下，其結(jié) 構(gòu)反應(yīng)是非常復(fù)雜的，而長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)的成份更為復(fù)雜。車輛荷載引起的應(yīng)變是較為 容易提取的，將車輛荷載應(yīng)變直接乘以彈性模量就可以得到車載應(yīng)力，故工程人員習(xí)慣用 車輛荷載應(yīng)力作為預(yù)警指標(biāo)。但是，橋梁并非只受到車輛荷載作用，溫度荷載的作用是不容 忽視的，特別是在大跨橋梁上。此時(shí)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算變得更為復(fù)雜，而不是簡(jiǎn)單的用實(shí)測(cè) 應(yīng)變?nèi)コ艘詮椥阅Ａ俊１热?，江陰大橋在日常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，其應(yīng)變監(jiān)測(cè)值可達(dá)200με，換成應(yīng) 力大約為42MPa，2014年7月，江陰大橋進(jìn)行了卡車靜載試驗(yàn)，當(dāng)主梁跨中加載52輛重型卡車 (相當(dāng)于17689kN)時(shí)，主梁應(yīng)變達(dá)到156με，應(yīng)力達(dá)到32MPa。從數(shù)據(jù)計(jì)算上來(lái)看，江陰大橋在 正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，主梁服役狀態(tài)就達(dá)到了卡車靜載階段，顯然這是不對(duì)的。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)受 到了溫度荷載的干擾，并且溫度荷載作用在主梁上并沒有完全轉(zhuǎn)化為應(yīng)力。也就是說傳統(tǒng) 應(yīng)力計(jì)算方法不能直接用來(lái)解決長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的，更不能用來(lái)預(yù)警。
[0004] 大跨橋梁預(yù)警參數(shù)和模型很多，主要包括位移/撓度預(yù)警、車載應(yīng)力預(yù)警(疲勞預(yù) 警）、頻率預(yù)警、能量預(yù)警，灰色系統(tǒng)理論預(yù)測(cè)模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型、小波包能量譜等 等。倪一清等人利用GPS數(shù)據(jù)對(duì)青馬大橋進(jìn)行了預(yù)警設(shè)定;李兆霞等人利用鋼箱梁頻率應(yīng)力 進(jìn)行預(yù)警；孫宗光等探討了應(yīng)用前饋BP網(wǎng)絡(luò)(Feed-forward back propagation network) 實(shí)現(xiàn)新奇檢測(cè)技術(shù)的方法，以結(jié)構(gòu)自振頻率作為網(wǎng)絡(luò)的基本輸入，對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損 傷預(yù)警的模擬研究。小波包能量譜，丁幼亮等系統(tǒng)的闡述了以小波包能量譜為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu) 損傷預(yù)警方法的理論基礎(chǔ)和本質(zhì)，并開展了Benchmark結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警的試驗(yàn)研究。
[0005] 這些預(yù)警方法具有以下幾點(diǎn)不足：1.傳統(tǒng)預(yù)警參數(shù)(比如結(jié)構(gòu)頻率等)容易受到環(huán) 境引起，特別是溫度變化的影響;2.傳統(tǒng)預(yù)警參數(shù)往往都是宏觀指標(biāo)(比如結(jié)構(gòu)撓度），宏觀 指標(biāo)只反映了結(jié)構(gòu)整體狀況，事實(shí)上，結(jié)構(gòu)區(qū)域或構(gòu)件的損壞是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞甚至垮塌的 直接原因，這些宏觀指標(biāo)無(wú)法反應(yīng)結(jié)構(gòu)局部特征;3.傳統(tǒng)預(yù)警方法理論復(fù)雜，不易在工程界 推廣。相比基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力預(yù)警來(lái)說，其物理概念、力學(xué)模型更加清晰，適合于工程人員操作， 但是該方法用于大跨橋梁預(yù)警還存在如前面所述的一些問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供考慮溫度應(yīng) 變對(duì)載荷應(yīng)變影響的精度更好的一種求解大跨橋梁在服役狀態(tài)下的總應(yīng)力的方法和將總 應(yīng)力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的預(yù)警方法。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0008] 一種基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與溫度應(yīng)力分析的大跨鋼箱梁橋的結(jié)構(gòu)總應(yīng)力計(jì)算方法，其特 征在于，包括以下步驟：
[0009] 步驟一、通過健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的橋梁的應(yīng)變與溫度：
[0010] 頂板應(yīng)變8111，8112，，"81^"8 1]11，底板應(yīng)變8[1義2，，"81^"81^，頂板溫度1'111，1'112廣· Tui"_Tun，底板溫度TL1，TL2,…TLi"_TLn;式中，￡ui和 〖Li分別表不第i截面頂板和底板的監(jiān)測(cè)應(yīng) 變數(shù)據(jù);TudPTu表示第i個(gè)截面頂板和底板的監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)；
[0011] 步驟二、從實(shí)測(cè)應(yīng)變中分離出溫度應(yīng)變：
[0012] 頂板溫度應(yīng)變?chǔ)纽应驭?，ετ?，…ετυ?··· ετυη，底板溫度應(yīng)變?chǔ)纽应搔?，ε?2，…ετ??··· ετ?η，以及頂 ?δ-?^]?Ζ^ενυι, ενυ2, ?evui---evun,/SiS.^iS(iiiZ^evLi, ￡vl2, ?-eVLi---evLn；
[0013] 步驟三、計(jì)算鋼箱梁上截面上的均勻溫度和梯度溫度：
[0014] 截面均勻溫度
[0015] TAvgi = TLi
[0016] 其中，TAvgi表示第i截面的均勻溫度；
[0017] 截面梯度溫度
[0018] Tyi = Tui-TLi
[0019] 其中，Tyl表示第i截面的梯度溫度；
[0020]步驟四、軸向約束應(yīng)力計(jì)算：
[0021] 均勻溫度產(chǎn)生的無(wú)約束變形
[0022] 5x=aLTAvgi
[0023] 其中，δτ是鋼箱梁在均勻溫度下產(chǎn)生的軸向變形;a表示鋼箱梁材料的膨脹系數(shù);L 表不橋梁結(jié)構(gòu)有效跨徑；
[0024] 由實(shí)測(cè)頂板和底板溫度應(yīng)變計(jì)算有軸向約束情況下的變形
[0026] 其中，31是鋼箱梁在有軸向約束下產(chǎn)生的實(shí)際變形;n表示傳感器布置了n截面；Δ 1表示按傳感器數(shù)目將鋼箱梁跨徑劃分為長(zhǎng)度，A l = L/n;
[0027] 非線性溫度梯度產(chǎn)生的無(wú)約束軸向變形
[0028] 〇Ri(y) =E · a · Tyi

[0031] 其中，〇RT(y)表示非線性梯度溫度完全轉(zhuǎn)化為的溫度應(yīng)力;NTy表示溫度應(yīng)力等效 的軸力；ε#表示等效軸力下產(chǎn)生的應(yīng)變;ho表示截面上表面距離截面中心軸的距離;b(y)表 示截面寬度，且隨截面高度變化;A表示截面面積;E表示結(jié)構(gòu)材料的彈性模量。最后非線性 溫度梯度產(chǎn)生的無(wú)約束軸向變形可以計(jì)算為；
[0032] dTy = Let
[0033] 軸向約束應(yīng)力計(jì)算
[0035]其中，《rf表示鋼箱梁的軸向約束應(yīng)力；
[0036] 步驟五、彎曲約束應(yīng)力計(jì)算
[0037]非線性溫度梯度產(chǎn)生的無(wú)約束彎曲應(yīng)變及梁端轉(zhuǎn)角
[0040] 0t=MtL/2EI
[0041] 其中，Μτ表示非線性溫度梯度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力等效為彎矩；ε#表示等效彎矩產(chǎn)生 的應(yīng)變;θτ表示等效彎矩在無(wú)約束狀態(tài)下產(chǎn)生的梁端轉(zhuǎn)角;ΕΙ表示截面抗彎剛度；
[0042] 由實(shí)測(cè)頂板和底板溫度應(yīng)變計(jì)算梁端的實(shí)際轉(zhuǎn)角
[0044]其中，h表示鋼箱梁截面高度；
[0045] 那么，實(shí)際被約束的轉(zhuǎn)角以及與邊界約束彎矩的關(guān)系表示為
[0046] 0^=01-0〇
[0048]其中，表示被約束住的梁端轉(zhuǎn)角;Ms表示邊界約束引起的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩，那么轉(zhuǎn)動(dòng)彎 矩引起的彎曲約束應(yīng)力
[0050] 其中，σ'Μ表示轉(zhuǎn)動(dòng)約束應(yīng)力；
[00511步驟六、溫度自應(yīng)力計(jì)算 [0052] (y'scXy) - Εε1γ -i- Ee.j - <τ,97(ν)
[0053] g)車載應(yīng)力計(jì)算
[0054] 〇/v=EevLi
[0055] 步驟七、從有限元模型中獲取自重應(yīng)力c;
[0056] 步驟八、大跨橋梁在運(yùn)營(yíng)期間總應(yīng)力計(jì)算：
[0057] σ7 τ〇?3ι = 0^+0^+0%
[0058] 其中，為總應(yīng)力。
[0059] 通過在鋼箱梁1/4截面、1/2截面和3/4截面內(nèi)頂板和底板分別布置應(yīng)變傳感器和 溫度傳感器，用以監(jiān)測(cè)鋼箱梁各個(gè)截面的應(yīng)變和溫度，在橋梁η個(gè)截面上布置2η個(gè)應(yīng)變傳感 器，其中η應(yīng)變傳感器分別布置于鋼箱梁頂板和底板，且每個(gè)應(yīng)變傳感器位置處也布置一個(gè) 溫度傳感器。
[0060] 通過EEMD技術(shù)從實(shí)測(cè)應(yīng)變中分離出溫度應(yīng)變。
[0061] -種基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與溫度應(yīng)力分析的大跨鋼箱梁橋的安全預(yù)警方法，其特征在 于，采用上述結(jié)構(gòu)總應(yīng)力計(jì)算方法計(jì)算的總應(yīng)力作為預(yù)警的指標(biāo)。
[0062] 鋼箱梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下?lián)p傷預(yù)警，定義如下公式為預(yù)警計(jì)算值，
[0064]其中，SF表示橋梁結(jié)構(gòu)正常狀態(tài)下的應(yīng)力預(yù)警值，μ表示總應(yīng)力放大系數(shù);Rn表示 結(jié)構(gòu)容許應(yīng)力，或者是設(shè)計(jì)值應(yīng)力;預(yù)警上下區(qū)間則可以根據(jù)結(jié)構(gòu)或者關(guān)鍵區(qū)域的重要性 來(lái)設(shè)定預(yù)警閾值。
[0065] 有益效果
[0066] 1.本發(fā)明提供了一種基于結(jié)構(gòu)重應(yīng)力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于直 接利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域和構(gòu)件的總應(yīng)力計(jì)算，直接反應(yīng)了當(dāng)前結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)階 段的下工作性能指標(biāo)。同時(shí)本發(fā)明大大減小了關(guān)鍵區(qū)域以及難于檢測(cè)區(qū)域的定期人工檢測(cè) 成本。本發(fā)明適合所有橋型，特別是長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的大跨橋梁。
[0067] 2.本發(fā)明中提出的溫度應(yīng)力相關(guān)計(jì)算方法，不僅可以得到主梁截面的應(yīng)力大小和 分布，同時(shí)還可以反演橋梁結(jié)構(gòu)在溫度荷載下的變形，這大大提高了橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效 利用率與深層次挖掘力度。
【附圖說明】
[0068]圖1是應(yīng)力預(yù)警方法流程圖。
[0069] 圖2是附有軸向約束結(jié)構(gòu)在均勻溫度下的反應(yīng)。圖a表示均勻溫度作用于含有軸向 約束的簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，圖b表示無(wú)軸向約束的簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)在均勻溫度下的變形，圖c表示有軸向約 束的簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)在均勻溫度下的變形
[0070] 圖3是附有轉(zhuǎn)動(dòng)約束結(jié)構(gòu)在梯度溫度下的反應(yīng)。圖a表示梯度溫度作用于含有轉(zhuǎn)動(dòng) 約束的簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，圖b表示無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)約束的簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)在梯度溫度下的變形，圖c表示有轉(zhuǎn)動(dòng)約 束的簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)在梯度溫度下的變形
[0071 ]圖4是跨中截面應(yīng)變和溫度傳感器布置圖。
[0072]圖5是溫度應(yīng)變分離圖。圖a表示實(shí)測(cè)應(yīng)變，圖b表示利用EEMD技術(shù)分從實(shí)測(cè)應(yīng)變中 分離出的溫度應(yīng)變，圖c表示車輛荷載應(yīng)變，圖d表示主梁一天的溫度的變化。
[0073]圖6是江陰大橋跨中某一時(shí)刻下溫度應(yīng)力。圖a表示溫度引起的軸向約束應(yīng)力，圖b 表示溫度引起的自約束應(yīng)力，圖c表示總溫度應(yīng)力
[0074]圖7實(shí)時(shí)預(yù)警模型。圖a表示跨中頂板實(shí)時(shí)預(yù)警模型，圖b表示跨中底板實(shí)時(shí)預(yù)警模 型
【具體實(shí)施方式】：
[0075]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些施例僅用于說明本 發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域計(jì)算人員對(duì)本發(fā)明的各種 等價(jià)形式的修改均落雨本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0076] 1.軸向約束逐步釋放理念，如圖2。
[0077]如圖2(a)，已簡(jiǎn)支梁受到太陽(yáng)輻射，結(jié)構(gòu)內(nèi)部為均勻溫度TAvg，且梁端附加有剛度 為kR的軸向約束。如圖2 (b)釋放邊界軸向約束，則梁端會(huì)產(chǎn)生δτ的軸向變形。如圖2 (c )，有實(shí) 際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以計(jì)算結(jié)構(gòu)實(shí)際變形心，那么被邊界約束所壓縮的變形可以表示為 5 Λ =和-爲(wèi)，通過被約束的變形即可計(jì)算溫度引起的邊界產(chǎn)生的軸向約束應(yīng)力。
[0078] 2.溫度引起的軸向約束應(yīng)力計(jì)算
[0079] a)通過健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的橋梁的應(yīng)變與溫度。頂板應(yīng)變?chǔ)纽搔?,ευ2, ***ευ?**·ευη?/? 板應(yīng)變eLi，eL2，…eLi···eLn，頂板溫度Τυι，Τυ2，…Tui'"Tu n，底板Tli，Tl2，…TLi'"TLn;式中，ε??和 eu分別表示第i截面頂板和底板的監(jiān)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù);TudPTu表示第i個(gè)截面頂板和底板的監(jiān) 測(cè)溫度數(shù)據(jù)。
[0080] 通過EEMD(Ensemble Empirical Mode Decomposition)技術(shù)從實(shí)測(cè)應(yīng)變中分離出 溫度應(yīng)變。頂板溫度應(yīng)變￡1111，ετυ2, '"eTUi…ετυη，底板應(yīng)變?chǔ)纽应搔? ετ?2, '"ετ??…ετ?η，以及頂板車 ^]^^ενυι, eVu2, ???evui---evun,/E￡^^iS(；iiZ^evLi, eVL2, ??-eVLi---evLn〇
[0081] b)根據(jù)監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算鋼箱梁上截面上的均勻溫度和梯度溫度。本發(fā)明將截 面溫度分為均勻溫度和梯度溫度。
[0082]截面均勻溫度
[0083] TAvgi = TLi (1)
[0084] 其中，TAvgi表示第i截面的均勻溫度；
[0085]截面梯度溫度
[0086] Tyi = Tui-TLi (2)
[0087] 其中，Tyl表示第i截面的梯度溫度；
[0088] c)軸向約束應(yīng)力計(jì)算
[0089]均勻溫度產(chǎn)生的無(wú)約束變形
[0090] 5T=aLTAvgi (3)
[0091] 其中，δτ是鋼箱梁在均勻溫度下產(chǎn)生的軸向變形;a表示鋼箱梁材料的膨脹系數(shù);L 表不橋梁結(jié)構(gòu)有效跨徑；
[0092] 由實(shí)測(cè)頂板和底板溫度應(yīng)變計(jì)算有軸向約束情況下的變形
[0093]
[0094] 其中，3:是鋼箱梁在有軸向約束下產(chǎn)生的實(shí)際變形;n表示傳感器布置了n截面；Δ 1表示按傳感器數(shù)目將鋼箱梁跨徑劃分為長(zhǎng)度，A l = L/n;
[0095] 非線性溫度梯度產(chǎn)生的無(wú)約束軸向變形
[0096] 〇RT(y)=E · a . Tyi (5)
[0097]

[0099]其中，式(5)表示非線性梯度溫度完全轉(zhuǎn)化為的溫度應(yīng)力；式(6)表示溫度應(yīng)力等 效的軸力;式(7)表示等效軸力下產(chǎn)生的應(yīng)變;h〇表示截面上表面距離截面中心軸的距離;b (y)表示截面寬度，且隨截面高度變化;A表示截面面積;最后非線性溫度梯度產(chǎn)生的無(wú)約束 軸向變形可以計(jì)算為；
[0101]軸向約束應(yīng)力計(jì)算
[0103]其中，表示鋼箱梁的軸向約束應(yīng)力。
[0104] 3.轉(zhuǎn)動(dòng)約束逐步釋放理念，如圖3。
[0105]如圖3(a)，已簡(jiǎn)支梁受到太陽(yáng)輻射，結(jié)構(gòu)內(nèi)部為梯度溫度Ty，且梁端附加有剛度為 ks的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。如圖3(b)釋放邊界轉(zhuǎn)動(dòng)約束，則梁端會(huì)產(chǎn)生θτ的轉(zhuǎn)角變形。如圖3(c)，有實(shí)際 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以計(jì)算結(jié)構(gòu)實(shí)際梁端轉(zhuǎn)角變形θυ，那么被邊界約束所壓縮的轉(zhuǎn)角變形可以表示 為θ^ιθτ-θυ，通過被壓縮的轉(zhuǎn)動(dòng)變形即可計(jì)算梯度溫度引起的邊界產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)約束應(yīng)力。
[0106] 4.溫度引起的彎曲約束應(yīng)力計(jì)算
[0107] 非線性梯度溫度產(chǎn)生的無(wú)約束彎曲應(yīng)變及梁端轉(zhuǎn)角
[0108]
[0110] 0t=MtL/2EI (12)
[0111] 其中，Μτ表示非線性溫度梯度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力等效為彎矩；ε#表示等效彎矩產(chǎn)生 的應(yīng)變;θτ表示等效彎矩在無(wú)約束狀態(tài)下產(chǎn)生的梁端轉(zhuǎn)角;ΕΙ表示截面抗彎剛度；
[0112] 由實(shí)測(cè)頂板和底板溫度應(yīng)變計(jì)算梁端的實(shí)際轉(zhuǎn)角
[0113]
[0114]其中，h表示鋼箱梁截面高度；
[0115] 那么，實(shí)際被約束的轉(zhuǎn)角以及與邊界約束彎矩的關(guān)系可以表示為
[0116] θ/κ=θτ-θυ (14)
[0117]
[0118] 其中，θ' R表示被約束住的梁端轉(zhuǎn)角;Ms表示邊界約束引起的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩，那么轉(zhuǎn)動(dòng)彎 矩引起的彎曲約束應(yīng)力可以由式(12-15)計(jì)算
[0119]
[0120] 其中，σ'μ表示轉(zhuǎn)動(dòng)約束應(yīng)力。
[0121] 基于考慮溫度應(yīng)力影響的大跨橋梁鋼箱梁損傷預(yù)警方法，其具體步驟如下：
[0122] 步驟1:提取橋梁應(yīng)變及溫度數(shù)據(jù)
[0123] 通過健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的橋梁的應(yīng)變與溫度。頂板應(yīng)變?chǔ)纽驭?，ε?,…￡ui…ε υη，底板 應(yīng)變 eLl，8L2，…8Li··· ￡Ln，頂板溫度 Tui，Tu2，…Tui，"Tun，底板 TLl，TL2，…?Υ?···?1η;式中，8ui 和￡Li 分別表示第i截面頂板和底板的監(jiān)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù);TudPTu表示第i個(gè)截面頂板和底板的監(jiān)測(cè) 溫度數(shù)據(jù)。
[0124] 步驟2:監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理
[0125] 通過EEMD(Ensemble Empirical Mode Decomposition)技術(shù)從實(shí)測(cè)應(yīng)變中分離出 溫度應(yīng)變。頂板溫度應(yīng)變￡1111，ετυ2,…ετυ?！ぁう纽应驭?，底板應(yīng)變?chǔ)纽应搔? ε·?2, '"ετ?Γ··8·!!!!，以及頂板車 _;]^Ζ$ενυι, ενυ2, ''_εν??''_ενυη，/^；^$_；]^Ζ$εν?ι, eVL2, ''_￡VLi''_eVLno
[0126] 步驟3:溫度應(yīng)力計(jì)算
[0127] a)溫度荷載引起的軸向約束應(yīng)力計(jì)算，采用公式(9)
[0128] b)溫度荷載引起的彎曲約束應(yīng)力計(jì)算，采用公式(16)
[0129] c)溫度荷載引起自應(yīng)力計(jì)算
[0130]
[0131] d)車載應(yīng)力計(jì)算
[0132] e)〇/v=EeVLi (18)
[0133] f)大跨橋梁自重應(yīng)力計(jì)算
[0134] (/ c，自重應(yīng)力可以根據(jù)有限元模型獲得
[0135] 步驟4:總應(yīng)力計(jì)算及預(yù)警
[0136] 結(jié)構(gòu)總應(yīng)力：σ'Tc)tai = 0^+0^+0% (19)
[0137] 鋼箱梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下?lián)p傷預(yù)警，定義如下公式為預(yù)警計(jì)算值，
[0138]
[0139]其中，SF表示橋梁結(jié)構(gòu)正常狀態(tài)下的應(yīng)力預(yù)警值，μ表示總應(yīng)力放大系數(shù);RN表示 結(jié)構(gòu)容許應(yīng)力，或者是設(shè)計(jì)值應(yīng)力;預(yù)警上下區(qū)間則可以根據(jù)結(jié)構(gòu)或者關(guān)鍵區(qū)域的重要性 來(lái)設(shè)定預(yù)警閾值。
[0140]本發(fā)明計(jì)算方法的具體步驟是：
[0141] 步驟1:橋梁應(yīng)變及溫度傳感器的布置
[0142] 在鋼箱梁1/4截面、1/2截面、3/4截面內(nèi)頂板和底板布置應(yīng)變傳感器和溫度傳感 器，用以監(jiān)測(cè)鋼箱梁各個(gè)截面的應(yīng)變和溫度;在橋梁η個(gè)截面上布置2n個(gè)應(yīng)變傳感器，其中η 應(yīng)變傳感器分別布置于鋼箱梁頂板和底板，且每個(gè)應(yīng)變傳感器位置處也布置一個(gè)溫度傳感 器;步驟2:監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理
[0143] a)通過健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的橋梁的應(yīng)變與溫度。頂板應(yīng)變?chǔ)纽驭?,ευ2, ***ευ?**·ευη?/? 板應(yīng)變以1，￡1^，"_￡1^"_￡1^，頂板溫度!'1]1，1'1]2，"1'1^"_1'1]11，底板溫度111，112，"1'1^"_1111;式中， eudPeu分別表示第i截面頂板和底板的監(jiān)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù);TudPTu表示第i個(gè)截面頂板和底板 的監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)。
[0144] b)實(shí)測(cè)應(yīng)變中主要包含高頻部分和低頻部分，高頻部分主要由車輛荷載引起，低 頻部分主要由溫度荷載引起。通過EEMD技術(shù)從實(shí)測(cè)應(yīng)變中分離出溫度應(yīng)變。頂板溫度應(yīng)變 ετυι, ετυ2, ··· ετυ?··· ετυη,底板應(yīng)變?chǔ)纽应搔?，￡tl2 , ???ETLi'.iTLn,以及頂板車載應(yīng)變?chǔ)纽挺驭? ενυ2, ???ενυ?··· evun,/?iS.^iS(iiiZ^evLi, ￡vl2, ?-eVLi---evLn〇
[0145] c)根據(jù)監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算鋼箱梁上截面上的均勻溫度和梯度溫度。本發(fā)明將截 面溫度分為均勻溫度和梯度溫度。
[0146] 截面均勻溫度
[0147] TAvgi = TLi
[0148] 其中，TAvgi表示第i截面的均勻溫度；
[0149] 截面梯度溫度
[0150] Tyi = Tui-TLi
[0151 ]其中，Tyl表示第i截面的梯度溫度；
[0152] d)軸向約束應(yīng)力計(jì)算
[0153] 均勻溫度產(chǎn)生的無(wú)約束變形
[0154] 5x=aLTAvgi
[0155] 其中，δτ是鋼箱梁在均勻溫度下產(chǎn)生的軸向變形;a表示鋼箱梁材料的膨脹系數(shù);L 表不橋梁結(jié)構(gòu)有效跨徑；
[0156] 由實(shí)測(cè)頂板和底板溫度應(yīng)變計(jì)算有軸向約束情況下的變形
[0158] 其中，31是鋼箱梁在有軸向約束下產(chǎn)生的實(shí)際變形;n表示傳感器布置了n截面；Δ 1表示按傳感器數(shù)目將鋼箱梁跨徑劃分為長(zhǎng)度，A l = L/n;
[0159] 非線性溫度梯度產(chǎn)生的無(wú)約束軸向變形。非線性溫度梯度作用效應(yīng)可以等價(jià)為一 個(gè)彎矩和一個(gè)軸力。
[0160] 〇Ri(y) =E · a · Tyi
[0163] 其中，〇RT(y)表示非線性梯度溫度完全轉(zhuǎn)化為的溫度應(yīng)力;NTy表示溫度應(yīng)力等效 的軸力;表示等效軸力下產(chǎn)生的應(yīng)變;ho表示截面上表面距離截面中心軸的距離;b(y)表 示截面寬度，且隨截面高度變化;A表示截面面積;最后非線性溫度梯度產(chǎn)生的無(wú)約束軸向 變形可以計(jì)算為；
[0164] δΤγ ：= LSj
[0165] 軸向約束應(yīng)力計(jì)算
[0167] 其中，表示鋼箱梁的軸向約束應(yīng)力。
[0168] e)彎曲約束應(yīng)力計(jì)算
[0169] 非線性溫度梯度產(chǎn)生的無(wú)約束彎曲應(yīng)變及梁端轉(zhuǎn)角
[0172] 0T=MxL/2EI
[0173] 其中，Μτ表示非線性溫度梯度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力等效為彎矩;表示等效彎矩產(chǎn)生 的應(yīng)變;θτ表示等效彎矩在無(wú)約束狀態(tài)下產(chǎn)生的梁端轉(zhuǎn)角;ΕΙ表示截面抗彎剛度；
[0174] 由實(shí)測(cè)頂板和底板溫度應(yīng)變計(jì)算梁端的實(shí)際轉(zhuǎn)角
[0176] 其中，h表示鋼箱梁截面高度；
[0177] 那么，實(shí)際被約束的轉(zhuǎn)角以及與邊界約束彎矩的關(guān)系可以表示為
[0178] 0^=01-0〇
[0180]其中，表示被約束住的梁端轉(zhuǎn)角;|^表示邊界約束引起的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩，那么轉(zhuǎn)動(dòng)彎 矩引起的彎曲約束應(yīng)力可以計(jì)算
[0182] 其中，σ'表示轉(zhuǎn)動(dòng)約束應(yīng)力。
[0183] f)溫度自應(yīng)力計(jì)算
[0185] g)車載應(yīng)力計(jì)算
[0186] o' v=EeVLi
[0187] h)從有限元模型中獲取自重應(yīng)力
[0188] i)大跨橋梁在運(yùn)營(yíng)期間總應(yīng)力計(jì)算
[0189] σ7 τ〇?3ι = 0^+0^+0%
[0190] 步驟3:建立預(yù)警模型
[0191] 鋼箱梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下?lián)p傷預(yù)警，定義如下公式為預(yù)警計(jì)算值，
[0193] 其中，SF表示橋梁結(jié)構(gòu)正常狀態(tài)下的應(yīng)力預(yù)警值，μ表示總應(yīng)力放大系數(shù);Rn表示 結(jié)構(gòu)容許應(yīng)力，或者是設(shè)計(jì)值應(yīng)力;預(yù)警上下區(qū)間則可以根據(jù)結(jié)構(gòu)或者關(guān)鍵區(qū)域的重要性 來(lái)設(shè)定預(yù)警閾值。
[0194] 實(shí)施例：
[0195] 下面以江陰大橋懸索橋在車輛荷載和溫度共同作用下的應(yīng)力預(yù)警計(jì)算分析為例， 說本發(fā)明的具體實(shí)施過程：
[0196] (1)在橋梁應(yīng)變傳感器、溫度傳感器的布置過程中，傳感器數(shù)量、位置及參數(shù)的設(shè) 置可視橋型、跨徑、橋面寬度以及橋址的環(huán)境等具體情況而定。江陰大橋鋼箱梁共分為8等 分，在9個(gè)截面共布置了 7 2個(gè)順橋向光纖應(yīng)變傳感器，36個(gè)光纖溫度計(jì)。其跨中截面應(yīng)變與 溫度傳感器布置如圖4;江陰大橋?yàn)閱慰鐟宜鳂?，其支座形式為滑?dòng)支座，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)約束限制， 故算例中不考慮邊界轉(zhuǎn)動(dòng)約束情況。
[0197] (2)數(shù)據(jù)預(yù)處理與預(yù)警
[0198] a)選取每個(gè)截面第3個(gè)和7個(gè)應(yīng)變傳感器作為分析對(duì)象。通過健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到 的橋梁的應(yīng)變與溫度。頂板應(yīng)變?chǔ)拧?, ，底板應(yīng)變?chǔ)拧?, ...4...￡〖9，頂板溫 度Tui，Tu2, ???TuiH.Tun，底板TLl，TL2，."TLi…TLn;式中，eui和￡Li分另|J表不第i截面頂板和底板的 監(jiān)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù);TudPTu表示第i個(gè)截面頂板和底板的2個(gè)溫度計(jì)的平均值。圖5給出了跨中 截面實(shí)測(cè)應(yīng)變、溫度應(yīng)變、車載應(yīng)變、溫度的曲線。
[0199] b)通過EEMD技術(shù)從實(shí)測(cè)應(yīng)變中分離出溫度應(yīng)變。頂板溫度應(yīng)變4n,s?U2,...e?m...s| U9， 底板應(yīng)變￡|1_1.，碎1_2，....:￡：^:.....碎 ￡9，以及頂板車載應(yīng)變8\〇11，8\〇12，'" 8\〇1廣_8期，底板車載應(yīng)變 ￡vli, ￡vl2, ***evLi***evL9〇
[0200] c)根據(jù)公式（1)(2)，計(jì)算鋼箱梁上截面上的均勻溫度和梯度溫度。
[0201] d)軸向約束應(yīng)力計(jì)算
[0202] 均勻溫度產(chǎn)生的無(wú)約束變形，
[0204] 其中，δτ是鋼箱梁在均勻溫度下產(chǎn)生的軸向變形;α表示鋼箱梁材料的膨脹系數(shù);L 表示橋梁結(jié)構(gòu)有效跨徑;溫度荷載沿橋梁跨徑方向分布是不均勻的，所以每個(gè)截面的伸長(zhǎng) 量是不一樣的，所以第一截面和第九截面上的傳感器的A L為87m，其用截面的△ L為173m， 這樣就可以計(jì)算出鋼箱梁在無(wú)約束的情況下均勻溫度所產(chǎn)生的軸向變形。
[0205] 事實(shí)上，橋梁在軸向上不可能是完全自由無(wú)約束狀態(tài)的，邊界存在一定的軸向約 束剛度，則就會(huì)產(chǎn)生軸向的約束應(yīng)力。首先由頂板和底板的溫度應(yīng)變計(jì)算有軸向約束下的 變形，
[0207] 其中，31是鋼箱梁在有軸向約束下產(chǎn)生的實(shí)際變形；同樣，第一截面和第九截面上 的傳感器的Δ L為87m，其用截面的Δ L為173m，
[0208] 不僅均勻溫度會(huì)使鋼箱梁產(chǎn)生軸向變形，非線性溫度梯度也會(huì)使其產(chǎn)生軸向變 形，利用公式(5)(6)(7)(8)，則非線性梯度溫度產(chǎn)生的軸向?yàn)椋?br>[0210]同樣，第一截面和第九截面上的傳感器的Δ L為87m，其用截面的Δ L為173m，
[0211]最后，軸向約束應(yīng)力可根據(jù)公式(9)計(jì)算。
[0212] e)溫度自應(yīng)力可按公式（17)計(jì)算，車載應(yīng)力可按公式（18)計(jì)算，總應(yīng)力可按公式 (19)計(jì)算。跨中截面在最高溫度下截面的溫度應(yīng)力，如圖6,圖6(a)表示均勻溫度下江陰大 橋鋼箱梁軸向約束應(yīng)力，圖6(b)表示梯度溫度下鋼箱梁自約束應(yīng)力，圖6(c)表示鋼箱梁溫 度總應(yīng)力。
[0213] f)鋼箱梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下?lián)p傷預(yù)警，采用公式(20)
[0214] 江陰大橋主梁采用了歐洲標(biāo)準(zhǔn)鋼材S355J2G3，國(guó)標(biāo)代替為Q345D，其拉伸允許應(yīng)力 1為230MPa，軸向壓縮許用應(yīng)力為230MPa。本文已用有限元得到了江陰大橋的近似恒載，約 為60MP。本算例選取35% (或根據(jù)當(dāng)前橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)力值計(jì)算）的承載能力利用率作為預(yù)警 值。算例結(jié)果見圖7。圖7(a)給出了跨中頂板的承載能力利用率。其中承載能力的負(fù)是由于 頂板壓應(yīng)力導(dǎo)致的。截面承載能力富余程度高，安全狀態(tài)良好。圖7(b)也表明底板實(shí)際應(yīng)力 離安全閾值距離較遠(yuǎn)，承載能力富余程度高，橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與溫度應(yīng)力分析的大跨鋼箱梁橋的結(jié)構(gòu)總應(yīng)力計(jì)算方法，其特征 在于，包括W下步驟： 步驟一、通過健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的橋梁的應(yīng)變與溫度： 頂板應(yīng)變?chǔ)纽驭?，ε?2，... eui…ευη，底板應(yīng)變Eli，EL2，... ELi... ELn，頂板溫度Tui，TU2，.. .Tui.. .Tun， 底板溫度化1，化2,…化ι···?Υη;式中，ε化和Eli分別表示第i截面頂板和底板的監(jiān)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)； Tui和化1表示第i個(gè)截面頂板和底板的監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)； 步驟二、從實(shí)測(cè)應(yīng)變中分離出溫度應(yīng)變： 頂板溫度應(yīng)變?chǔ)纽应驭?，ετ?2,…ETUi··· ετυη，底板溫度應(yīng)變etli , ετ?2,…exLi··· ετιη，U及頂板車 載應(yīng)變?chǔ)纽挺驭? evu2, '''￡vui'''evun,底板車載應(yīng)變?chǔ)呕?, ε化2, ''·ε化Γ'·ε化η; 步驟Ξ、計(jì)算鋼箱梁上截面上的均勻溫度和梯度溫度： 截面均勻溫度 TAvgi 二 Tli 其中，TAvgi表示第i截面的均勻溫度； 截面梯度溫度 Tyi = Tu廣Tli 其中，Tyi表不束i截面的梯度溫度； 步驟四、軸向約束應(yīng)力計(jì)算： 均勻溫度產(chǎn)生的無(wú)約束變形 δτ 二口 LTAvgi 其中，δτ是鋼箱梁在均勻溫度下產(chǎn)生的軸向變形;α表示鋼箱梁材料的膨脹系數(shù);L表示 橋梁結(jié)構(gòu)有效跨徑； 由實(shí)測(cè)頂板和底板溫度應(yīng)變計(jì)算有軸向約束情況下的變形其中，δι是鋼箱梁在有軸向約束下產(chǎn)生的實(shí)際變形;η表示傳感器布置了η截面；Δ1表示 按傳感器數(shù)目將鋼箱梁跨徑劃分為長(zhǎng)度，A l = L/n; 非線性溫度梯度產(chǎn)生的無(wú)約束軸向變形其中，ORT(y)表示非線性梯度溫度完全轉(zhuǎn)化為的溫度應(yīng)力;Ντγ表示溫度應(yīng)力等效的軸 力；ef表示等效軸力下產(chǎn)生的應(yīng)變;ho表示截面上表面距離截面中屯、軸的距離;b(y)表示截 面寬度，且隨截面高度變化;A表示截面面積;E表示結(jié)構(gòu)材料的彈性模量； 最后非線性溫度梯度產(chǎn)生的無(wú)約束軸向變形可W計(jì)算為；其中，σ常表示鋼箱梁的軸向約束應(yīng)力； 步驟五、彎曲約束應(yīng)力計(jì)算 非線性溫度梯度產(chǎn)生的無(wú)約束彎曲應(yīng)變及梁端轉(zhuǎn)角其中，Μτ表示非線性溫度梯度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力等效為彎矩;表示等效彎矩產(chǎn)生的應(yīng) 變;θτ表示等效彎矩在無(wú)約束狀態(tài)下產(chǎn)生的梁端轉(zhuǎn)角;ΕΙ表示截面抗彎剛度； 由實(shí)測(cè)頂板和底板溫度應(yīng)變計(jì)算梁端的實(shí)際轉(zhuǎn)角其中，h表示鋼箱梁截面高度； 那么，實(shí)際被約束的轉(zhuǎn)角W及與邊界約束彎矩的關(guān)系表示為其中，0/r表示被約束住的梁端轉(zhuǎn)角;Ms表示邊界約束引起的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩，那么轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩引 起的彎曲約束應(yīng)力其中，〇/ Μ表示轉(zhuǎn)動(dòng)約束應(yīng)力； 步驟六、溫度自應(yīng)力計(jì)算g)車載應(yīng)力計(jì)算 v = EevLi 步驟屯、從有限元模型中獲取自重應(yīng)力曰/ C ; 步驟八、大跨橋梁在運(yùn)營(yíng)期間總應(yīng)力計(jì)算：其中，0'Total為總應(yīng)力。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)總應(yīng)力計(jì)算方法，其特征在于，通過在鋼箱梁1/4截面、1/ 2截面和3/4截面內(nèi)頂板和底板分別布置應(yīng)變傳感器和溫度傳感器，用W監(jiān)測(cè)鋼箱梁各個(gè)截 面的應(yīng)變和溫度，在橋梁η個(gè)截面上布置化個(gè)應(yīng)變傳感器，其中η應(yīng)變傳感器分別布置于鋼 箱梁頂板和底板，且每個(gè)應(yīng)變傳感器位置處也布置一個(gè)溫度傳感器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)總應(yīng)力計(jì)算方法，其特征在于，通過EEMD技術(shù)從實(shí)測(cè)應(yīng)變 中分離出溫度應(yīng)變。4. 一種基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與溫度應(yīng)力分析的大跨鋼箱梁橋的安全預(yù)警方法，其特征在于， 采用權(quán)利要求1-3任一所述結(jié)構(gòu)總應(yīng)力計(jì)算方法計(jì)算的總應(yīng)力作為預(yù)警的指標(biāo)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的的安全預(yù)警方法，其特征在于，鋼箱梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下?lián)p傷預(yù)警， 定義如下公式為預(yù)警計(jì)算值，其中，SF表示橋梁結(jié)構(gòu)正常狀態(tài)下的應(yīng)力預(yù)警值，μ表示總應(yīng)力放大系數(shù);Rn表示結(jié)構(gòu)容 許應(yīng)力，或者是設(shè)計(jì)值應(yīng)力;預(yù)警上下區(qū)間則可W根據(jù)結(jié)構(gòu)或者關(guān)鍵區(qū)域的重要性來(lái)設(shè)定 預(yù)警闊值。
【文檔編號(hào)】G01L5/00GK106092402SQ201610373912
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日
【發(fā)明人】張建, 夏琪, 劉森林
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)