CN101769913B - 铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统 - Google Patents

铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁路钢桁架桥梁结点累积疲劳损伤的自诊断系统，其在列车上桥时通过应变传感器自动采集列车经过时与所测结点相连的桁架杆件的中间截面的应力响应时程信号，由弯矩与轴力时程转换模块将应力响应时程信号转换成弯矩与轴力时程信号，再由动应力分析模块将根据结点焊缝的施工工艺确定的节点焊接残余应力场作为初始应力场，迭加上由弯矩与轴力时程信号确定的节点列车行走动应力场，获得桥梁节点焊缝的最危险点的位置和应变状态，最后由疲劳累积分析模块根据所述最危险点的位置和应变状态并通过应变疲劳的临界面法确定列车经过时最危险点的疲劳损伤累积程度，再由人机交互界面告知用户。因此本系统能自动将铁路钢桁架桥梁结点焊缝的疲劳信息及时告知用户，以及时修复铁路钢桁架桥梁，保证铁路钢桁架桥梁的安全。

Description

铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统
技术领域
本发明涉及桥梁结构工程领域，特别涉及列车行车所引起的铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统。
背景技术
铁路钢桁架桥梁是一种常见的铁路桥梁型式。由于铁路列车行走是周期性的长期作用，它会引起桁架结构整体结点，特别是结点焊缝累积疲劳损伤的发生。考虑到疲劳损伤是一种累积效应，整体结点焊缝在损伤累积开始直至萌生裂纹的整个过程中是没有任何症兆的，因此无法预先知道整体结点焊缝破坏，即结点裂纹的萌生会在何时发生，从而无法及时预警，并及时修复。
为此，有必要提供一种铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统来克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统能在列车上桥时自动告知桥梁节点危险点处累积疲劳损伤的程度，进而及时修复铁路钢桁架桥梁，保证铁路钢桁架桥梁的安全。
为了实现上述目的，本发明提供了一种铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统，所述铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统包括应变传感器、数据库、弯矩与轴力时程转换模块、动应力分析模块、疲劳累积分析模块以及人机交互界面。所述应变传感器位于每个桁架杆件的中间截面，用于当列车上桥时自动采集列车经过时所述桁架杆件的中间截面的应力响应时程信号以及当列车下桥时自动停止采集信号；所述弯矩与轴力时程转换模块与所述应变传感器以及所述数据库连接，用于将所述应变传感器采集的应力响应时程信号转换成弯矩与轴力时程信号，并发送所述弯矩与轴力时程信号至所述数据库；所述动应力分析模块与所述数据库连接，用于将根据结点焊缝的施工工艺确定的结点焊接残余应力场作为初始应力场，迭加上由所述数据库中的弯矩与轴力时程信号确定的节点列车行走动应力场，获得桥梁节点焊缝的最危险点的位置和状态，并将所述最危险点的位置和应变状态发送至所述数据库；所述疲劳累积分析模块与所述数据库连接，用于根据所述数据库中最危险点的位置和应变状态并通过应变疲劳的临界面法确定列车经过时最危险点的疲劳损伤累积程度，并将所述最危险点的疲劳损伤累积程度发送至所述数据库，所述人机交互界面与所述数据库连接，用于将数据库中最危险点的疲劳损伤累积程度通知用户以实现铁路钢桁架桥梁结点疲劳损伤程度的预警。
在本发明的一个实施例中，所述动应力分析模块包括应力和应变场数据获取单元、最危险点确定单元以及第一发送单元。所述应力和应变场数据获取单元与所述数据库连接，用于将根据结点焊缝的施工工艺并通过精确有限元模型确定的节点焊接残余应力场(考虑部分消除)作为初始应力场，迭加上根据所述数据库中的弯矩与轴力时程信号并通过精确有限元模型确定的节点列车行走动应力场，获得桥梁节点的应力和应变场数据；所述最危险点确定单元与所述应力和应变场数据获取单元连接，用于根据所述应力和应变场数据获取单元获取的应力和应变场数据并通过米塞斯等效应力准则(Von-mise)确定桥梁节点的最危险点；所述第一发送单元与所述最危险点确定单元连接，用于发送所述最危险点确定单元确定的桥梁节点的最危险点的位置和应变状态至所述数据库。
在本发明的另一实施例中，所述疲劳累积分析模块包括疲劳损伤临界面确定单元、最大损伤临界面确定单元、疲劳损伤累积程度确定单元以及第二发送单元。所述疲劳损伤临界面确定单元与所述数据库连接，用于根据所述数据库中最危险点的位置和应变状态确定最大剪应变平面，进而确定每个时刻最危险点的疲劳损伤临界面；所述最大损伤临界面确定单元与所述疲劳损伤临界面确定单元连接，用于根据所述疲劳损伤临界面确定单元确定的每个时刻最危险点的疲劳损伤临界面确定最大损伤临界面；所述疲劳损伤累积程度确定单元与所述最大损伤临界面确定单元连接，用于根据所述最大损伤临界面确定单元确定的最大损伤临界面的等效应变时程并通过多轴疲劳寿命估算曼森-科芬(Manson-Conffin)公式确定列车经过时桥梁结点的最危险点的疲劳损伤累积程度；所述第二发送单元与所述疲劳损伤累积程度确定单元连接，用于将所述疲劳损伤累积程度确定单元确定的所述最危险点的疲劳损伤累积程度发送至所述数据库。
在本发明的再一实施例中，所述应变传感器位于每个桁架杆件中间截面之受力平面的上下位置。
在本发明的又一个实施例中，所述铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统还包括传输系统，所述传输系统与所述应变传感器以及所述弯矩与轴力时程转换模块连接，用于将所述应变传感器采集的应力响应时程信号传输至所述弯矩与轴力时程转换模块。可选所述传输系统为有线传输系统或无线传输系统。
由上述技术方案可知，本发明铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统通过应变传感器采集列车经过时所述桁架杆件的中间截面的应力响应时程信号，由弯矩与轴力时程转换模块将应力响应时程信号转换成弯矩与轴力时程信号，再由动应力分析模块将根据结点焊缝的施工工艺确定的节点焊接残余应力场作为初始应力场，迭加上由弯矩与轴力时程信号确定的节点列车行走动应力场，获得桥梁节点焊缝的最危险点的位置和应变状态，最后由疲劳累积分析模块根据所述最危险点的位置和应变状态并通过应变疲劳的临界面法确定列车经过时最危险点的疲劳损伤累积程度，再由人机交互界面告知用户。因此本发明的系统能自动将铁路钢桁架桥梁结点焊缝的疲劳信息及时告知用户，以及时修复铁路钢桁架桥梁，保证铁路钢桁架桥梁的安全。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为本发明铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统的结构框图。
图2展示了图1所示铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统在结点与杆件受力平面内的应变传感器的安装位置。
图3a为图1所示铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统的动应力分析模块的框图。
图3b为图1所示铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统的疲劳累积分析模块的框图。
图4展示了图1所示铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统的工程应用实例。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明新型的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
如图1所示，铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统包括应变传感器11、传输系统(图未示)、弯矩与轴力时程转换模块12、数据库13、动应力分析模块14、疲劳累积分析模块15以及人机交互界面16。
如图2所示，铁路钢桁架桥梁的桥梁结点2连接多个桁架杆件1，每个桁架杆件1具有沿所述桁架杆件长度方向的中间截面3，所述应变传感器11位于每个桁架杆件1的中间截面3，用于采集列车经过时所述桁架杆件1的中间截面3的应力响应时程信号。在本实施例中，所述应变传感器11位于每个桁架杆件1中间截面之受力平面的上下位置。
所述传输系统与所述应变传感器11以及所述弯矩与轴力时程转换模块12连接，用于将所述应变传感器11采集的应力响应时程信号传输至所述弯矩与轴力时程转换模块12。所述传输系统为有线传输系统或无线传输系统。
所述弯矩与轴力时程转换模块12与所述数据库13连接并通过所述传输系统与所述应变传感器11连接，用于将所述应变传感器11采集的应力响应时程信号转换成弯矩与轴力时程信号，并发送所述弯矩与轴力时程信号至所述数据库13。
所述动应力分析模块14与所述数据库13连接，用于将根据结点焊缝的施工工艺确定的结点焊接残余应力场作为初始应力场，迭加上由所述数据库13中的弯矩与轴力时程信号确定的节点列车行走动应力场，获得桥梁节点焊缝的最危险点的位置和状态，并将所述最危险点的位置和应变状态发送至所述数据库13。
如图3a，所述动应力分析模块13包括应力和应变场数据获取单元141、最危险点确定单元142以及第一发送单元143。所述应力和应变场数据获取单元141与所述数据库13连接，用于将根据结点焊缝的施工工艺并通过精确有限元模型确定的节点焊接残余应力场(考虑部分消除)作为初始应力场，迭加上根据所述数据库13中的弯矩与轴力时程信号并通过精确有限元模型确定的节点列车行走动应力场，获得桥梁节点的应力和应变场数据；所述最危险点确定单元142与所述应力和应变场数据获取单元141连接，用于根据所述应力和应变场数据获取单元141获取的应力和应变场数据并通过米塞斯等效应力准则确定桥梁节点的等效应力最大值位置，即最危险点；所述第一发送单元143与所述最危险点确定单元142连接，用于发送所述最危险点确定单元142确定的桥梁节点的最危险点的位置和应变状态至所述数据库13。
所述疲劳累积分析模块15与所述数据库13连接，用于根据所述数据库13中最危险点的位置和应变状态并通过应变疲劳的临界面法确定列车经过时最危险点的疲劳损伤累积程度，并将所述最危险点的疲劳损伤累积程度发送至所述数据库13。
如图3b所示，所述疲劳累积分析模块15包括疲劳损伤临界面确定单元151、最大损伤临界面确定单元152、疲劳损伤累积程度确定单元153以及第二发送单元154。所述疲劳损伤临界面确定单元151与所述数据库13连接，用于根据所述数据库13中最危险点的位置和应变状态确定最大剪应变平面，进而确定每个时刻最危险点的疲劳损伤临界面；所述最大损伤临界面确定单元152与所述疲劳损伤临界面确定单元151连接，用于根据所述疲劳损伤临界面确定单元151确定的疲劳损伤临界面确定最大损伤临界面，具体地，改变描述疲劳损伤临面的空间位置坐标γ(θ，
Figure G2010100290237D00061
)的角度参数θ和
Figure G2010100290237D00062
(范围值均为0°至360°)，获取每个时刻的最大剪应变平面，权值平均最大剪应变平面即为每列列车经过所述最危险点的最大损伤临界面。利用米塞斯准则将最大损伤临界面上的最大剪应变值γmax和正应变εn这两个参数合成一个等效应变时程εeq。所述疲劳损伤累积程度确定单元153与所述最大损伤临界面确定单元152连接，用于根据所述最大损伤临界面确定单元152确定的最大损伤临界面的等效应变时程εeq并通过多轴疲劳寿命估算曼森-科芬公式确定所述列车经过时桥梁结点的最危险点的疲劳损伤累积程度；所述第二发送单元154与所述疲劳损伤累积程度确定单元153连接，用于将所述疲劳损伤累积程度确定单元153确定的所述最危险点的疲劳损伤累积程度发送至所述数据库13。
所述人机交互界面16与所述数据库13连接，用于将数据库13中最危险点的疲劳损伤累积程度通知用户以实现铁路钢桁架桥梁结点疲劳损伤程度的预警。
需要指出的是，本发明系统配置在桁架桥梁结点附近的桥墩上。
图4展示了图1所示铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统的工程应用实例。其中铁路钢桁架桥的各个桥梁结点按照图2所示原理布置有应变传感器。应变传感器采集的应力响应时程信号传输至信号传输与控制子系统，所述信号传输与控制子系统按某一个阀值(列车上桥或下桥)控制应力响应时程信号采集工作的开始与结束，并进行信号降噪处理，进而将降噪处理后的信号通过无线传输网络传输至诊断计算机，所述诊断计算机对所述应力响应时程信号进行弯矩与轴力时程转换、确定桥梁节点之最危险点的位置和应变状态、进而确定述最危险点的疲劳损伤累积程度，同时进行数据库管理，并由人机交互界面告知用户，实现铁路钢桁架桥梁结点焊缝疲劳损伤程度的预警。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (7)

1.一种铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统，所述桥梁结点连接多个桁架杆件，其特征在于，所述系统包括应变传感器、数据库、弯矩与轴力时程转换模块、动应力分析模块、疲劳累积分析模块以及人机交互界面，其中：
所述应变传感器位于每个桁架杆件的中间截面，用于当列车上桥时自动采集列车经过时所述桁架杆件的中间截面的应力响应时程信号以及当列车下桥时自动停止采集信号；
所述弯矩与轴力时程转换模块与所述应变传感器以及所述数据库连接，用于将所述应变传感器采集的应力响应时程信号转换成弯矩与轴力时程信号，并发送所述弯矩与轴力时程信号至所述数据库；
所述动应力分析模块与所述数据库连接，用于将根据结点焊缝的施工工艺确定的结点焊接残余应力场作为初始应力场，迭加上由所述数据库中的弯矩与轴力时程信号确定的节点列车行走动应力场，获得桥梁节点焊缝的最危险点的位置和状态，并将所述最危险点的位置和应变状态发送至所述数据库；
所述疲劳累积分析模块与所述数据库连接，用于根据所述数据库中最危险点的位置和应变状态并通过应变疲劳的临界面法确定列车经过时最危险点的疲劳损伤累积程度，并将所述最危险点的疲劳损伤累积程度发送至所述数据库；
所述人机交互界面与所述数据库连接，用于将数据库中最危险点的疲劳损伤累积程度通知用户以实现铁路钢桁架桥梁结点疲劳损伤程度的预警。
2.如权利要求1所述的铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤实时诊断系统，其特征在于，所述动应力分析模块包括应力和应变场数据获取单元、最危险点确定单元以及第一发送单元，其中：
所述应力和应变场数据获取单元与所述数据库连接，用于将根据结点焊缝的施工工艺并通过精确有限元模型确定的节点焊接残余应力场作为初始应力场，迭加上根据所述数据库中的弯矩与轴力时程信号并通过精确有限元模型确定的节点列车行走动应力场，获得桥梁节点的应力和应变场数据；
所述最危险点确定单元与所述应力和应变场数据获取单元连接，用于根据所述应力和应变场数据获取单元获取的应力和应变场数据并通过米塞斯等效应力准则确定桥梁节点的最危险点；
所述第一发送单元与所述最危险点确定单元连接，用于发送所述最危险点确定单元确定的桥梁节点的最危险点的位置和应变状态至所述数据库。
3.如权利要求1所述的铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统，其特征在于，所述疲劳累积分析模块包括疲劳损伤临界面确定单元、最大损伤临界面确定单元、疲劳损伤累积程度确定单元以及第二发送单元，其中：
所述疲劳损伤临界面确定单元与所述数据库连接，用于根据所述数据库中最危险点的位置和应变状态确定最大剪应变平面，进而确定每个时刻最危险点的疲劳损伤临界面；
所述最大损伤临界面确定单元与所述疲劳损伤临界面确定单元连接，用于根据所述疲劳损伤临界面确定单元确定的每个时刻最危险点的疲劳损伤临界面确定最大损伤临界面；
所述疲劳损伤累积程度确定单元与所述最大损伤临界面确定单元连接，用于根据所述最大损伤临界面确定单元确定的最大损伤临界面的等效应变时程并通过多轴疲劳寿命估算曼森-科芬公式确定列车经过时桥梁结点的最危险点的疲劳损伤累积程度；
所述第二发送单元与所述疲劳损伤累积程度确定单元连接，用于将所述疲劳损伤累积程度确定单元确定的所述最危险点的疲劳损伤累积程度发送至所述数据库。
4.如权利要求1所述的铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统，其特征在于，所述应变传感器位于每个桁架杆件中间截面之受力平面的上下位置。
5.如权利要求1所述的铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统，其特征在于，还包括：
传输系统，与所述应变传感器以及所述弯矩与轴力时程转换模块连接，用于将所述应变传感器采集的应力响应时程信号传输至所述弯矩与轴力时程转换模块。
6.如权利要求1所述的铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统，其特征在于，所述传输系统为有线传输系统或无线传输系统。
7.如权利要求1所述的铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统，所述诊断系统的诊断方法是：在列车上桥时通过应变传感器自动采集列车经过时与所测结点相连的桁架杆件的中间截面的应力响应时程信号，由所述弯矩与轴力时程转换模块将应力响应时程信号转换成弯矩与轴力时程信号，再由所述动应力分析模块将根据结点焊缝的施工工艺确定的节点焊接残余应力场作为初始应力场，迭加上由弯矩与轴力时程信号确定的节点列车行走动应力场，获得桥梁节点焊缝的最危险点的位置和应变状态，最后由所述疲劳累积分析模块根据所述最危险点的位置和应变状态并通过应变疲劳的临界面法确定列车经过时最危险点的疲劳损伤累积程度，再由所述人机交互界面告知用户。
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