[发明专利]基于监测数据与温度应力分析的大跨钢箱梁桥的总应力计算方法及安全预警方法

摘要

本发明公开了一种基于监测数据与温度应力分析的大跨钢箱梁桥的总应力计算方法及安全预警方法，其中总应力计算方法包括步骤一、通过健康监测系统采集到的桥梁的应变与温度；步骤二、从实测应变中分离出温度应变；步骤三、计算钢箱梁上截面上的均匀温度和梯度温度；步骤四、轴向约束应力计算；步骤五、弯曲约束应力计算；步骤六、温度自应力计算；步骤七、从有限元模型中获取自重应力；步骤八、大跨桥梁在运营期间总应力计算。相比传统预警方法而言，本发明预警指标明确、力学模型清晰，并考虑了温度荷载对大跨桥梁结构的影响，适合于工程界推广。

主权项

一种基于监测数据与温度应力分析的大跨钢箱梁桥的结构总应力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过健康监测系统采集到的桥梁的应变与温度：顶板应变εU1,εU2,…εUi…εUn，底板应变εL1,εL2,…εLi…εLn，顶板温度TU1,TU2,…TUi…TUn，底板温度TL1,TL2,…TLi…TLn；式中，εUi和εLi分别表示第i截面顶板和底板的监测应变数据；TUi和TLi表示第i个截面顶板和底板的监测温度数据；步骤二、从实测应变中分离出温度应变：顶板温度应变εTU1,εTU2,…εTUi…εTUn，底板温度应变εTL1,εTL2,…εTLi…εTLn，以及顶板车载应变εVU1,εVU2,…εVUi…εVUn，底板车载应变εVL1,εVL2,…εVLi…εVLn；步骤三、计算钢箱梁上截面上的均匀温度和梯度温度：截面均匀温度TAvgi＝TLi其中，TAvgi表示第i截面的均匀温度；截面梯度温度Tyi＝TUi‑TLi其中，Tyi表示第i截面的梯度温度；步骤四、轴向约束应力计算：均匀温度产生的无约束变形δT＝αLTAvgi其中，δT是钢箱梁在均匀温度下产生的轴向变形；α表示钢箱梁材料的膨胀系数；L表示桥梁结构有效跨径；由实测顶板和底板温度应变计算有轴向约束情况下的变形δl=ΣN=1nϵTUi+ϵTLi2Δl]]>其中，δl是钢箱梁在有轴向约束下产生的实际变形；n表示传感器布置了n截面；Δl表示按传感器数目将钢箱梁跨径划分为长度，Δl＝L/n；非线性温度梯度产生的无约束轴向变形σRT(y)＝E·α·TyiNTy=∫-h0/2h0/2σRT(y)·b(y)dy]]>ϵTN=NTEA]]>其中，σRT(y)表示非线性梯度温度完全转化为的温度应力；NTy表示温度应力等效的轴力；表示等效轴力下产生的应变；h0表示截面上表面距离截面中心轴的距离；b(y)表示截面宽度，且随截面高度变化；A表示截面面积；E表示结构材料的弹性模量；最后非线性温度梯度产生的无约束轴向变形可以计算为；δTy=LϵTN]]>轴向约束应力计算σ′N=E(δT+δTy-δl)L]]>其中，σ′N表示钢箱梁的轴向约束应力；步骤五、弯曲约束应力计算非线性温度梯度产生的无约束弯曲应变及梁端转角MT=∫-h0/2h0/2σRT(y)·b(y)·ydy]]>ϵTM=MT·y0EI]]>θT＝MTL/2EI其中，MT表示非线性温度梯度产生的温度应力等效为弯矩；表示等效弯矩产生的应变；θT表示等效弯矩在无约束状态下产生的梁端转角；EI表示截面抗弯刚度；由实测顶板和底板温度应变计算梁端的实际转角θU=(ϵTUi-ϵTLi)L2h]]>其中，h表示钢箱梁截面高度；那么，实际被约束的转角以及与边界约束弯矩的关系表示为θ′R＝θT‑θUθR′=MSL2EI]]>其中，θ′R表示被约束住的梁端转角；Ms表示边界约束引起的转动弯矩，那么转动弯矩引起的弯曲约束应力σ′M=h(θT-θU)L]]>其中，σ′M表示转动约束应力；步骤六、温度自应力计算σ′SE(y)=EϵTN+EϵTM-σRT(y)]]>车载应力计算σ′V＝EεVLi步骤七、从有限元模型中获取自重应力σ′G；步骤八、大跨桥梁在运营期间总应力计算：σ′Total＝σ′N+σ′M+σ′V其中，σ′Total为总应力。