一种钢箱梁桥疲劳应力监测的传感器布置方法

摘要

本发明公开了一种基于疲劳损伤程度指标的钢箱梁桥疲劳应力监测传感器布置方法，该方法通过有限元子模型技术计算钢箱梁候选测点区域的疲劳应力，基于设计规范提供的S-N曲线和Miner线性损伤累积理论构建钢箱梁候选测点的疲劳损伤程度指标，根据疲劳损伤程度指标的大小确定钢箱梁桥疲劳应力监测传感器的布置位置。本发明通过采用有限元子模型分析技术，有效地保证了钢箱梁疲劳应力分析的精度，在此基础上构建了钢箱梁桥的疲劳损伤程度指标，为传感器布置位置的选择提供了合理的依据，有效地克服了传统钢箱梁疲劳应力传感器布置的主观性、经验性和盲目性，必将得到广泛的应用和推广。

主权项

一种钢箱梁桥疲劳应力监测的传感器布置方法，其特征是包括以下步骤：1)确定传感器候选布置测点：在确定钢箱梁疲劳应力监测传感器候选测点时，综合桥梁整体刚度和钢箱梁横隔板间距变化两方面的因素，对于桥梁整体刚度的变化，选择主跨跨中截面、边跨跨中截面和桥墩支承截面的焊接细节作为候选测点，对于钢箱梁横隔板间距变化，分别选择不同横隔板间距的钢箱梁中的焊接细节作为候选测点；2)建立有限元计算模型：采用ANSYS软件分别建立钢箱梁桥的整体有限元模型和候选测点所在局部区段的精细化有限元模型，采用ANSYS的shell63单元对钢箱梁各焊接板件进行模拟，在精细化有限元模型中对候选测点焊缝区域的单元进行细分；3)车辆荷载的简化：采用移动集中荷载P作为简化的车辆荷载，在ANSYS软件中计算时，设移动集中荷载P以速度V沿桥纵向匀速通过桥面，且在整个通过过程中，移动集中荷载P在桥面上的横向位置保持恒定；4)确定车辆荷载的加载方案：钢箱梁桥的横截面均为左右对称，选取半幅桥面进行分析，将半幅桥面沿横向等间距划分为l个区隔，移动集中荷载P沿着划分后的区隔沿桥面纵向移动，通过桥面，共得到l个荷载作用工况；5)采用ANSYS子模型方法计算候选测点的疲劳应力时程曲线：首先对全桥整体模型进行加载，然后在整体模型中提取局部模型边界位置的位移计算值作为局部模型的边界条件，再在局部模型上施加步骤4)确定的车辆荷载作用工况，设全桥候选测点数为n，则共可得到n×l条疲劳应力时程曲线；6)计算候选测点的疲劳损伤：首先采用雨流计数法提取疲劳应力时程曲线的等效应力范围和循环次数，对于候选测点i(i＝1，2，...，n)，其在工况j(j＝1，2，...，l)作用下的等效应力范围和循环次数分别为S_ij和N_ij，按照英国桥梁疲劳设计规范BS5400:Part10提供的不同疲劳细节类型的S‑N曲线：N×S^m＝K其中，N为疲劳应力幅S作用下某种类型疲劳细节发生破坏时的所经历的循环次数，m为常数，K为疲劳强度系数，m和K根据候选测点的疲劳细节类型查阅BS5400:Part10确定，确定m和K之后，依据Miner线性损伤累积理论计算出疲劳损伤D_ij：$D_{\mathrm{ij}}=\frac{N_{\mathrm{ij}}·S_{\mathrm{ij}}^m}{K_i}$其中，D_ij为测点i在工况j作用下所产生的疲劳损伤，K_i为候选测点i疲劳强度系数；7)构造候选测点的疲劳损伤程度指标，确定候选测点在考虑传感器布置时的优先顺序：取候选测点在各工况下的疲劳损伤的总和作为该候选测点的疲劳损伤程度指标D_i(i＝1，2，...，n)：$D_i=\underset{j=1}{\overset{l}{\Sigma }}{D}_{\mathrm{ij}}$将D_i从大到小排列，D_i越大，表明该候选测点发生疲劳破坏的危险性水平越高，以D_i作为候选测点的疲劳破坏风险水平，根据D_i的排列顺序确定应力传感器布置时的位置优先顺序。