公路鋼橋面板焊縫疲勞損傷全場監控方法
2023-07-11 17:52:11
專利名稱：公路鋼橋面板焊縫疲勞損傷全場監控方法
技術領域：
本發明是一種應用於公路鋼橋面板的焊縫疲勞損傷監控方法，涉及橋梁工程的無損檢測領域。
背景技術：
公路鋼橋面板由相互垂直的面板、縱肋、橫肋三部分焊接成整體，作為橋面系直接承受車輛荷載的反覆作用，鋼橋面板易發生疲勞開裂。目前，鋼橋面板疲勞開裂的事故在國內外的公路鋼橋中均已出現。德國、英國20世紀60年代建造的鋼橋面板，在80年代就出現了不同程度的疲勞開裂。國內1997年建成通車的廣東虎門大橋從2003年開始鋼橋面板就出現了疲勞裂紋。因此需要對鋼橋面板焊縫的疲勞損傷狀態進行監測和評估，以便準確地發現其損傷的發生，並及時地對焊縫疲勞裂紋進行修復。目前，鋼橋面板疲勞損傷檢測主要採用人工定期檢測的方式，這種方式存在以下的問題(I)鋼橋面板焊縫數量多，並且包括面板-縱肋焊縫、縱肋-縱肋焊縫、縱肋-橫肋焊縫等多種焊縫類型，人工檢測難以對所有焊縫的損傷狀態做出準確判斷；(2)實時性較差，不能及時地發現焊縫疲勞損傷的發生，有可能影響到橋梁結構和橋面鋪裝層的安全；由於需要長期定期的指派維護工人進行現場查看，總體費用較高。因此，針對上述人工檢測的缺點，迫切需要發展一種方法對鋼橋面板焊縫的疲勞損傷狀態進行實時地監測。橋梁結構健康監測技術的發展為實現上述目的提供了契機，工程建設過程中可以在鋼橋面板上敷設應變傳感器，直接對焊縫的疲勞應力及其疲勞損傷進行長期監測。然而，實際工程中橋梁健康監測系統只能安裝少量傳感器對焊縫進行在線疲勞監測，難以實現對鋼橋面板所有焊縫疲勞損傷的全場監控。
發明內容
技術問題本發明針對現有公路鋼橋面板疲勞損傷監測技術的不足，提出了一種公路鋼橋面板焊縫疲勞損傷全場監控方法，重點解決焊縫疲勞監測測點有限的局限性。技術方案為解決上述技術問題，本發明提供了一種公路鋼橋面板焊縫疲勞損傷全場監控方法，該方法包括如下步驟
步驟I :鋼橋面板縱肋應變傳感器的設置
在鋼橋面板跨中截面每個車道的車輪荷載作用位置處設置縱肋順橋向應變傳感器，用以監測車輛通過時引起的縱肋順橋向應變；
步驟2 :鋼橋面板縱肋應變監測數據的處理
以I天為計算區間，對縱肋應變傳感器獲取的應變數據進行處理，採用雨流計數法計算縱肋順橋向應變的應力幅及其循環次數；
步驟3 :計算實際運營車輛的車輪荷載譜
步驟3a :建立以橫肋間距為跨度的三跨連續梁模型作為縱肋順橋向應力的計算模型，其中連續梁中跨的跨中位置對應於實際鋼橋面板的跨中截面位置，步驟3b :令車輪荷載P從5kN 300kN逐級變化，每級變化5kN，計算車輪荷載P通過該連續梁模型時，連續梁中跨的跨中位置產生的應力幅S，
步驟3c :採用線性回歸的方法建立車輪荷載P和應力幅S之間的相關性模型，回歸模型參數由最小二乘方法計算得到，
步驟3d :將步驟2得到的實測縱肋應力幅輸入到相關性模型中，得到實際車輪荷載值，車輪荷載的作用次數等於實測應力幅的循環次數，
步驟3e :對橋梁運營以來所有車道的監測數據均計算實際車輪荷載值及其對應的作用次數，組成各個車道實際運營車輛的車輪荷載譜；
步驟4 :鋼橋面板焊縫疲勞損傷的全場監控
步驟4a :建立鋼橋面板疲勞應力有限元模型；建立公路鋼橋的整體有限元模型和鋼橋面板的精細有限元模型，計算鋼橋面板在車輪荷載作用下的焊縫疲勞應力，
步驟4b :將各個車道的實際車輪荷載譜施加在鋼橋面板疲勞應力有限元模型中計算焊縫的疲勞應力幅及其循環次數，組成疲勞應力幅譜，
步驟4c :計算焊縫的疲勞損傷D ；
步驟4d :對所有焊縫計算疲勞損傷D並且從大到小排列，疲勞損傷D越大，表明焊縫發生疲勞破壞的風險越高，需要重點監控。有益效果針對車輛荷載作用下公路鋼橋面板焊縫極易發生疲勞裂紋損傷的工程實際，本發明綜合採用現場監測、荷載反演、有限元分析等手段提出了公路鋼橋面板焊縫疲勞損傷的全場監控方法，具有以下有益效果
(I)本發明所需安裝的傳感器數量較少，僅需要在公路鋼橋面板的縱肋上設置少量的應變傳感器，就可以反演出公路鋼橋實際運營車輛的車輪荷載譜。同時，該方法簡單易行， 可以在計算機中較為方便地編程實現，方便實際工程的應用。(2)本發明將實際車輪荷載譜和鋼橋面板疲勞應力有限元模型相結合計算鋼橋面板不同截面、不同類型焊縫的疲勞應力幅譜及其疲勞損傷，可以準確地反映實際運營狀態下公路鋼橋面板的疲勞性能。(3)本發明通過在公路鋼橋面板的縱肋上布設少量應變傳感器就可以實現對鋼橋面板不同截面、不同類型焊縫的疲勞損傷監測和評估，具有廣闊的工程應用前景。
圖Ia是本發明所述實施例涉及橋梁的立面圖Ib是本發明所述實施例涉及橋梁的標準斷面示意圖2是本發明所述實施例涉及橋梁跨中截面的縱肋應變傳感器布置圖3是鋼橋面板縱肋順橋向應力的計算模型圖4是本發明所述實施例涉及橋梁的整體有限元模型；
圖5是本發明所述實施例涉及橋梁的鋼橋面板精細化有限元模型。其中，I為面板，2為縱肋，3為橫肋，4為縱向腹板。
具體實施例方式下面將參照附圖對本發明進行說明。
公路鋼橋面板在實際運營車輛作用下極易發生疲勞裂紋損傷，但是，鋼橋面板焊縫類型和焊縫數量眾多，不可能對所有焊縫都安裝疲勞應力監測系統。因此，本發明的基本思想是建立公路鋼橋面板每個車道的縱肋順橋向應力和車輪荷載之間的相關性模型，通過實際監測到的縱肋順橋向應力幅和循環次數，反演得到實際車輪荷載值和作用次數，並進一步施加在鋼橋面板焊縫的疲勞應力有限元模型上計算所需監控焊縫的疲勞應力幅譜和疲勞損傷，實現對鋼橋面板不同截面、不同類型焊縫的疲勞損傷監控。本發明提出的公路鋼橋面板焊縫疲勞損傷全場監控方法為
1)鋼橋面板縱肋應變傳感器的設置
公路鋼橋面板施工建設時，選擇在鋼橋面板跨中截面每個車道的車輪荷載作用位置處設置縱肋順橋向應變傳感器，用以監測車輛通過時引起的縱肋順橋向應變；
2)縱肋應變監測數據的處理
以I天為計算區間，對縱肋應變傳感器獲取的應變數據進行處理，採用雨流計數法(一種廣泛應用的疲勞應力數據分析方法，詳見文獻[I])計算縱肋順橋向應變的應力幅及其循環次數；
3)計算實際運營車輛的車輪荷載譜
a)建立以橫肋間距為跨度的三跨連續梁模型作為縱肋順橋向應力的計算模型，其中連續梁中跨的跨中位置對應於實際鋼橋面板的跨中截面位置，
b)令車輪荷載/7從5kN 300kN逐級變化(每級變化5kN)，計算車輪荷載P通過該連續梁模型時，連續梁中跨的跨中位置產生的應力幅&
c)採用線性回歸的方法建立車輪荷載/^和應力幅^之間的相關性模型，回歸模型參數由最小二乘方法計算得到，最小二乘法的具體過程參閱文獻[2]，
d)將步驟2)得到的實測縱肋應力幅輸入到相關性模型中，得到實際車輪荷載值，車輪荷載的作用次數等於實測應力幅的循環次數，
Ο對橋梁運營以來所有車道的監測數據均計算實際車輪荷載值及其對應的作用次數， 組成各個車道實際運營車輛的車輪荷載譜；
4)鋼橋面板焊縫疲勞損傷的全場監控
a)建立鋼橋面板疲勞應力有限元模型。採用ANSYS軟體(一種通用有限元分析軟體，具體使用方法見文獻[3])分別建立公路鋼橋的整體有限元模型和鋼橋面板的精細有限元模型，並採用ANSYS子模型法計算鋼橋面板在車輪荷載作用下的焊縫疲勞應力，
幻將各個車道的實際車輪荷載譜施加在鋼橋面板疲勞應力有限元模型中計算焊縫的疲勞應力幅及其循環次數，組成疲勞應力幅譜，
c)計算焊縫的疲勞損傷。根據BS5400:PartlO (英國橋梁疲勞設計規範)和Miner線性損傷累積理論(一種廣泛應用的疲勞設計與評估理論，參閱文獻[4])計算焊縫的疲勞損傷久
Λ對所有焊縫計算疲勞損傷D並且從大到小排列A越大，表明焊縫發生疲勞破壞的風險越高，需要重點監控。附圖非限制性地公開了本發明一個實施例的示意圖，以下將結合附圖對本發明的具體實施方案進行進一步的描述
(I)在鋼橋面板縱肋應變傳感器的設置過程中，選擇在鋼橋面板跨中截面每個車道的車輪荷載作用位置處設置縱肋順橋向應變傳感器，即可滿足本發明的需要。圖Ia和圖Ib 給出了某公路鋼橋的立面圖和標準斷面示意圖，圖2給出了鋼橋面板跨中截面的縱肋應變傳感器布置示意圖。(2)將原始應變監測數據作如下處理以I天為計算區間，採用雨流計數法(一種廣泛應用的疲勞應力數據分析方法)計算縱肋順橋向應變的每一級疲勞應力幅5；.及其循環次數應力幅Si從O. IMPa 50MPa逐級變化，每一級變化O. IMPa,則 = 1,2,3,···,500。(3)建立車輪荷載和應力幅的相關性模型。根據車輪荷載作用下縱肋順橋向應力影響線特點(圖3)，建立以橫肋間距為跨度的三跨連續梁模型作為縱肋順橋向應力的計算模型，其中連續梁中跨的跨中位置對應於實際鋼橋面板的跨中截面位置。令車輪荷載/7從 5kr300kN逐級變化(每級變化5kN)，計算不同車輪荷載值P通過該連續梁模型時，連續梁中跨的跨中位置產生的應力幅&採用線性回歸的方法建立車輪荷載產和應力幅^之間的相關性模型，模型表達式為
汶=為+ A戶(I)
式中，Atl和盧i為回歸係數，可通過最小二乘的方法得到
P1 =- —(2)
式中，5·#為應力幅與車輪荷載的協方差為車輪荷載的方差；互和聲分別為應力幅和車輪荷載的均值。(4)計算實際運營車輛的車輪荷載譜。將步驟(2)實測的縱肋每一級疲勞應力幅 Si (^1,2,3,-,500 )輸入到步驟(3)建立的相關性模型中，得到實際車輪荷載值Λ.，並且車輪荷載Λ.的作用次數等於疲勞應力幅的循環次數A。對橋梁運營以來所有車道的監測數據都計算實際車輪荷載值Λ.及其對應的作用次數A (* = 1，2，3，…，500 )，組成各個車道實際運營車輛的車輪荷載譜。(5)建立鋼橋面板疲勞應力有限元模型。採用ANSYS軟體(一種通用有限元分析軟體)分別建立公路鋼橋的全橋整體有限元模型和鋼橋面板的精細有限元模型，如圖4和圖5 所示。採用ANSYS軟體的shell63單元對鋼橋面板各焊接板件進行模擬，橋梁其餘構件模擬時所採用的單元不在本發明涉及範圍，可根據工程實際選擇。鋼橋面板在車輪荷載作用下的焊縫疲勞應力計算採用ANSYS子模型法，首先對全橋整體有限元模型對應的所有車道位置進行車輪加載，然後在整體模型中提取鋼橋面板精細模型邊界位置的位移計算值作為精細模型的邊界條件，再在精細模型上施加車輪荷載，則可計算精細模型中各個焊縫的疲勞應力。子模型分析是目前應用廣泛的成熟的結構有限元分析技術，ANSYS軟體提供了十分方便的子模型計算功能，關於子模型計算的具體流程不在本發明所涉及範圍。(6)計算鋼橋面板焊縫的疲勞應力幅譜。將各個車道的車輪荷載譜參數Λ.和A ( = 1，2，3，…，500 )施加在鋼橋面板疲勞應力有限元模型中計算焊縫的每一級疲勞應力幅及其循環次數A (:= …，500 ),組成疲勞應力幅譜。(7)計算焊縫的疲勞損傷。根據BS5400:Partl0(英國橋梁疲勞設計規範)和Miner 線性損傷累積理論(一種廣泛應用的疲勞設計與評估理論)計算出疲勞損傷D
權利要求
1.一種公路鋼橋面板焊縫疲勞損傷全場監控方法，其特徵在於該方法包括如下步驟步驟I :鋼橋面板縱肋應變傳感器的設置在鋼橋面板跨中截面每個車道的車輪荷載作用位置處設置縱肋順橋向應變傳感器，用以監測車輛通過時引起的縱肋順橋向應變；步驟2 :鋼橋面板縱肋應變監測數據的處理以I天為計算區間，對縱肋應變傳感器獲取的應變數據進行處理，採用雨流計數法計算縱肋順橋向應變的應力幅及其循環次數；步驟3 :計算實際運營車輛的車輪荷載譜步驟3a :建立以橫肋間距為跨度的三跨連續梁模型作為縱肋順橋向應力的計算模型， 其中連續梁中跨的跨中位置對應於實際鋼橋面板的跨中截面位置，步驟3b :令車輪荷載P從5kN 300kN逐級變化，每級變化5kN，計算車輪荷載P通過該連續梁模型時，連續梁中跨的跨中位置產生的應力幅S，步驟3c :採用線性回歸的方法建立車輪荷載P和應力幅S之間的相關性模型，回歸模型參數由最小二乘方法計算得到，步驟3d :將步驟2得到的實測縱肋應力幅輸入到相關性模型中，得到實際車輪荷載值， 車輪荷載的作用次數等於實測應力幅的循環次數，步驟3e :對橋梁運營以來所有車道的監測數據均計算實際車輪荷載值及其對應的作用次數，組成各個車道實際運營車輛的車輪荷載譜；步驟4 :鋼橋面板焊縫疲勞損傷的全場監控步驟4a :建立鋼橋面板疲勞應力有限元模型；建立公路鋼橋的整體有限元模型和鋼橋面板的精細有限元模型，計算鋼橋面板在車輪荷載作用下的焊縫疲勞應力，步驟4b :將各個車道的實際車輪荷載譜施加在鋼橋面板疲勞應力有限元模型中計算焊縫的疲勞應力幅及其循環次數，組成疲勞應力幅譜，步驟4c :計算焊縫的疲勞損傷D ；步驟4d :對所有焊縫計算疲勞損傷D並且從大到小排列，疲勞損傷D越大，表明焊縫發生疲勞破壞的風險越高，需要重點監控。
全文摘要
本發明提供了一種公路鋼橋面板焊縫疲勞損傷全場監控方法，該方法包括如下步驟步驟1鋼橋面板縱肋應變傳感器的設置；在鋼橋面板跨中截面每個車道的車輪荷載作用位置處設置縱肋順橋向應變傳感器，用以監測車輛通過時引起的縱肋順橋向應變；步驟2鋼橋面板縱肋應變監測數據的處理以1天為計算區間，對縱肋應變傳感器獲取的應變數據進行處理，採用雨流計數法計算縱肋順橋向應變的應力幅及其循環次數；步驟3計算實際運營車輛的車輪荷載譜；步驟4鋼橋面板焊縫疲勞損傷的全場監控。本發明有效地解決了公路鋼橋面板焊縫疲勞監測測點有限的局限性，必將得到廣泛的應用和推廣。
文檔編號G01N3/34GK102589993SQ201210027950
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月9日 優先權日2012年2月9日
發明者丁幼亮, 宋永生, 李愛群 申請人:東南大學