CN102589993A - 公路钢桥面板焊缝疲劳损伤全场监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种公路钢桥面板焊缝疲劳损伤全场监控方法，该方法包括如下步骤：步骤1：钢桥面板纵肋应变传感器的设置；在钢桥面板跨中截面每个车道的车轮荷载作用位置处设置纵肋顺桥向应变传感器，用以监测车辆通过时引起的纵肋顺桥向应变；步骤2：钢桥面板纵肋应变监测数据的处理：以1天为计算区间，对纵肋应变传感器获取的应变数据进行处理，采用雨流计数法计算纵肋顺桥向应变的应力幅及其循环次数；步骤3：计算实际运营车辆的车轮荷载谱；步骤4：钢桥面板焊缝疲劳损伤的全场监控。本发明有效地解决了公路钢桥面板焊缝疲劳监测测点有限的局限性，必将得到广泛的应用和推广。

Description

公路钢桥面板焊缝疲劳损伤全场监控方法

技术领域

本发明是一种应用于公路钢桥面板的焊缝疲劳损伤监控方法，涉及桥梁工程的无损检测领域。 

背景技术

公路钢桥面板由相互垂直的面板、纵肋、横肋三部分焊接成整体，作为桥面系直接承受车辆荷载的反复作用，钢桥面板易发生疲劳开裂。目前，钢桥面板疲劳开裂的事故在国内外的公路钢桥中均已出现。德国、英国20世纪60年代建造的钢桥面板，在80年代就出现了不同程度的疲劳开裂。国内1997年建成通车的广东虎门大桥从2003年开始钢桥面板就出现了疲劳裂纹。因此需要对钢桥面板焊缝的疲劳损伤状态进行监测和评估，以便准确地发现其损伤的发生，并及时地对焊缝疲劳裂纹进行修复。 

目前，钢桥面板疲劳损伤检测主要采用人工定期检测的方式，这种方式存在以下的问题：（1）钢桥面板焊缝数量多，并且包括面板-纵肋焊缝、纵肋-纵肋焊缝、纵肋-横肋焊缝等多种焊缝类型，人工检测难以对所有焊缝的损伤状态做出准确判断；（2）实时性较差，不能及时地发现焊缝疲劳损伤的发生，有可能影响到桥梁结构和桥面铺装层的安全；（3）由于需要长期定期的指派维护工人进行现场查看，总体费用较高。因此，针对上述人工检测的缺点，迫切需要发展一种方法对钢桥面板焊缝的疲劳损伤状态进行实时地监测。桥梁结构健康监测技术的发展为实现上述目的提供了契机，工程建设过程中可以在钢桥面板上敷设应变传感器，直接对焊缝的疲劳应力及其疲劳损伤进行长期监测。然而，实际工程中桥梁健康监测系统只能安装少量传感器对焊缝进行在线疲劳监测，难以实现对钢桥面板所有焊缝疲劳损伤的全场监控。 

发明内容

技术问题：本发明针对现有公路钢桥面板疲劳损伤监测技术的不足，提出了一种公路钢桥面板焊缝疲劳损伤全场监控方法，重点解决焊缝疲劳监测测点有限的局限性。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种公路钢桥面板焊缝疲劳损伤全场监控方法，该方法包括如下步骤： 

步骤1：钢桥面板纵肋应变传感器的设置：

在钢桥面板跨中截面每个车道的车轮荷载作用位置处设置纵肋顺桥向应变传感器，用以监测车辆通过时引起的纵肋顺桥向应变；

步骤2：钢桥面板纵肋应变监测数据的处理：

以1天为计算区间，对纵肋应变传感器获取的应变数据进行处理，采用雨流计数法计算纵肋顺桥向应变的应力幅及其循环次数；

步骤3：计算实际运营车辆的车轮荷载谱：

  步骤3a：建立以横肋间距为跨度的三跨连续梁模型作为纵肋顺桥向应力的计算模型，其中连续梁中跨的跨中位置对应于实际钢桥面板的跨中截面位置，

  步骤3b：令车轮荷载P从5kN~300kN逐级变化，每级变化5kN，计算车轮荷载P通过该连续梁模型时，连续梁中跨的跨中位置产生的应力幅S，

步骤3c：采用线性回归的方法建立车轮荷载P和应力幅S之间的相关性模型，回归模型参数由最小二乘方法计算得到，

  步骤3d：将步骤2得到的实测纵肋应力幅输入到相关性模型中，得到实际车轮荷载值，车轮荷载的作用次数等于实测应力幅的循环次数，

步骤3e：对桥梁运营以来所有车道的监测数据均计算实际车轮荷载值及其对应的作用次数，组成各个车道实际运营车辆的车轮荷载谱；

步骤4：钢桥面板焊缝疲劳损伤的全场监控：

步骤4a：建立钢桥面板疲劳应力有限元模型；建立公路钢桥的整体有限元模型和钢桥面板的精细有限元模型，计算钢桥面板在车轮荷载作用下的焊缝疲劳应力，

步骤4b：将各个车道的实际车轮荷载谱施加在钢桥面板疲劳应力有限元模型中计算焊缝的疲劳应力幅及其循环次数，组成疲劳应力幅谱，

步骤4c：计算焊缝的疲劳损伤D；

  步骤4d：对所有焊缝计算疲劳损伤D并且从大到小排列，疲劳损伤D越大，表明焊缝发生疲劳破坏的风险越高，需要重点监控。

有益效果：针对车辆荷载作用下公路钢桥面板焊缝极易发生疲劳裂纹损伤的工程实际，本发明综合采用现场监测、荷载反演、有限元分析等手段提出了公路钢桥面板焊缝疲劳损伤的全场监控方法，具有以下有益效果： 

（1）本发明所需安装的传感器数量较少，仅需要在公路钢桥面板的纵肋上设置少量的应变传感器，就可以反演出公路钢桥实际运营车辆的车轮荷载谱。同时，该方法简单易行，可以在计算机中较为方便地编程实现，方便实际工程的应用。

（2）本发明将实际车轮荷载谱和钢桥面板疲劳应力有限元模型相结合计算钢桥面板不同截面、不同类型焊缝的疲劳应力幅谱及其疲劳损伤，可以准确地反映实际运营状态下公路钢桥面板的疲劳性能。 

（3）本发明通过在公路钢桥面板的纵肋上布设少量应变传感器就可以实现对钢桥面板不同截面、不同类型焊缝的疲劳损伤监测和评估，具有广阔的工程应用前景。 

附图说明

图1a是本发明所述实施例涉及桥梁的立面图； 

图1b是本发明所述实施例涉及桥梁的标准断面示意图；

图2是本发明所述实施例涉及桥梁跨中截面的纵肋应变传感器布置图；

图3是钢桥面板纵肋顺桥向应力的计算模型图；

图4是本发明所述实施例涉及桥梁的整体有限元模型；

图5是本发明所述实施例涉及桥梁的钢桥面板精细化有限元模型。

其中，1为面板，2为纵肋，3为横肋，4为纵向腹板。 

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。 

公路钢桥面板在实际运营车辆作用下极易发生疲劳裂纹损伤，但是，钢桥面板焊缝类型和焊缝数量众多，不可能对所有焊缝都安装疲劳应力监测系统。因此，本发明的基本思想是：建立公路钢桥面板每个车道的纵肋顺桥向应力和车轮荷载之间的相关性模型，通过实际监测到的纵肋顺桥向应力幅和循环次数，反演得到实际车轮荷载值和作用次数，并进一步施加在钢桥面板焊缝的疲劳应力有限元模型上计算所需监控焊缝的疲劳应力幅谱和疲劳损伤，实现对钢桥面板不同截面、不同类型焊缝的疲劳损伤监控。 

本发明提出的公路钢桥面板焊缝疲劳损伤全场监控方法为： 

1）钢桥面板纵肋应变传感器的设置：

公路钢桥面板施工建设时，选择在钢桥面板跨中截面每个车道的车轮荷载作用位置处设置纵肋顺桥向应变传感器，用以监测车辆通过时引起的纵肋顺桥向应变；

2）纵肋应变监测数据的处理：

以1天为计算区间，对纵肋应变传感器获取的应变数据进行处理，采用雨流计数法（一种广泛应用的疲劳应力数据分析方法，详见文献[1]）计算纵肋顺桥向应变的应力幅及其循环次数；

3）计算实际运营车辆的车轮荷载谱：

   a ）建立以横肋间距为跨度的三跨连续梁模型作为纵肋顺桥向应力的计算模型，其中连续梁中跨的跨中位置对应于实际钢桥面板的跨中截面位置，

   b ）令车轮荷载P从5kN~300kN逐级变化（每级变化5kN），计算车轮荷载P通过该连续梁模型时，连续梁中跨的跨中位置产生的应力幅S，

c ）采用线性回归的方法建立车轮荷载P和应力幅S之间的相关性模型，回归模型参数由最小二乘方法计算得到，最小二乘法的具体过程参阅文献[2]，

   d ）将步骤2）得到的实测纵肋应力幅输入到相关性模型中，得到实际车轮荷载值，车轮荷载的作用次数等于实测应力幅的循环次数，

e ）对桥梁运营以来所有车道的监测数据均计算实际车轮荷载值及其对应的作用次数，组成各个车道实际运营车辆的车轮荷载谱；

4）钢桥面板焊缝疲劳损伤的全场监控：

a ）建立钢桥面板疲劳应力有限元模型。采用ANSYS软件（一种通用有限元分析软件，具体使用方法见文献[3]）分别建立公路钢桥的整体有限元模型和钢桥面板的精细有限元模型，并采用ANSYS子模型法计算钢桥面板在车轮荷载作用下的焊缝疲劳应力，

b ）将各个车道的实际车轮荷载谱施加在钢桥面板疲劳应力有限元模型中计算焊缝的疲劳应力幅及其循环次数，组成疲劳应力幅谱，

c ）计算焊缝的疲劳损伤。根据BS5400:Part10（英国桥梁疲劳设计规范）和Miner线性损伤累积理论（一种广泛应用的疲劳设计与评估理论，参阅文献[4]）计算焊缝的疲劳损伤D，

   d ）对所有焊缝计算疲劳损伤D并且从大到小排列，D越大，表明焊缝发生疲劳破坏的风险越高，需要重点监控。

附图非限制性地公开了本发明一个实施例的示意图，以下将结合附图对本发明的具体实施方案进行进一步的描述： 

（1）在钢桥面板纵肋应变传感器的设置过程中，选择在钢桥面板跨中截面每个车道的车轮荷载作用位置处设置纵肋顺桥向应变传感器，即可满足本发明的需要。图1a和图1b给出了某公路钢桥的立面图和标准断面示意图，图2给出了钢桥面板跨中截面的纵肋应变传感器布置示意图。

（2）将原始应变监测数据作如下处理：以1天为计算区间，采用雨流计数法（一种广泛应用的疲劳应力数据分析方法）计算纵肋顺桥向应变的每一级疲劳应力幅S _i 及其循环次数n _i 。应力幅S _i 从0.1MPa~50MPa逐级变化，每一级变化0.1MPa，则 

。 

（3）建立车轮荷载和应力幅的相关性模型。根据车轮荷载作用下纵肋顺桥向应力影响线特点（图3），建立以横肋间距为跨度的三跨连续梁模型作为纵肋顺桥向应力的计算模型，其中连续梁中跨的跨中位置对应于实际钢桥面板的跨中截面位置。令车轮荷载P从5kN~300kN逐级变化（每级变化5kN），计算不同车轮荷载值P通过该连续梁模型时，连续梁中跨的跨中位置产生的应力幅S，采用线性回归的方法建立车轮荷载P和应力幅S之间的相关性模型，模型表达式为： 

                             (1)

式中，β ₀和β ₁为回归系数，可通过最小二乘的方法得到：

，

                     (2)                                 

式中，S _SP 为应力幅与车轮荷载的协方差；S _PP 为车轮荷载的方差；

和

分别为应力幅和车轮荷载的均值。

（4）计算实际运营车辆的车轮荷载谱。将步骤（2）实测的纵肋每一级疲劳应力幅S _i （）输入到步骤（3）建立的相关性模型中，得到实际车轮荷载值P _i ，并且车轮荷载P _i 的作用次数m _i 等于疲劳应力幅的循环次数n _i 。对桥梁运营以来所有车道的监测数据都计算实际车轮荷载值P _i 及其对应的作用次数m _i （），组成各个车道实际运营车辆的车轮荷载谱。 

（5）建立钢桥面板疲劳应力有限元模型。采用ANSYS软件（一种通用有限元分析软件）分别建立公路钢桥的全桥整体有限元模型和钢桥面板的精细有限元模型，如图4和图5所示。采用ANSYS软件的shell63单元对钢桥面板各焊接板件进行模拟，桥梁其余构件模拟时所采用的单元不在本发明涉及范围，可根据工程实际选择。钢桥面板在车轮荷载作用下的焊缝疲劳应力计算采用ANSYS子模型法，首先对全桥整体有限元模型对应的所有车道位置进行车轮加载，然后在整体模型中提取钢桥面板精细模型边界位置的位移计算值作为精细模型的边界条件，再在精细模型上施加车轮荷载，则可计算精细模型中各个焊缝的疲劳应力。子模型分析是目前应用广泛的成熟的结构有限元分析技术，ANSYS软件提供了十分方便的子模型计算功能，关于子模型计算的具体流程不在本发明所涉及范围。 

（6）计算钢桥面板焊缝的疲劳应力幅谱。将各个车道的车轮荷载谱参数P _i 和m _i （

）施加在钢桥面板疲劳应力有限元模型中计算焊缝的每一级疲劳应力幅S _i 及其循环次数n _i （），组成疲劳应力幅谱。 

（7）计算焊缝的疲劳损伤。根据BS5400:Part10（英国桥梁疲劳设计规范）和Miner线性损伤累积理论（一种广泛应用的疲劳设计与评估理论）计算出疲劳损伤D： 

其中，m为常数，K为疲劳强度系数，m和K根据焊缝疲劳细节类型查阅BS5400:Part10确定；S _eq为所有疲劳应力幅S _i 计算的等效应力幅，N _d所有应力幅循环次数n _i 的总和，S _eq和N _d按下式计算：

    

（8）对钢桥面板所有焊缝按步骤（6）和（7）计算疲劳损伤D，并从大到小排列，D越大，表明焊缝发生疲劳破坏的风险越高，需要重点监控。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。 

参考文献 

[1] 高镇同. 疲劳应用统计学[M]. 北京: 国防工业出版社, 1986.

[2] 鲁铁定, 陶本藻, 周世健. 基于整体最小二乘法的线性回归建模和解法[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2008, 33(5): 504-507.

[3] 王新荣, 初旭宏. ANSYS有限元基础教程[M]. 北京：电子工业出版社, 2011

[4] 李兆霞. 损伤力学及其应用[M]. 北京: 科学出版社，2002

Claims (1)

1.一种公路钢桥面板焊缝疲劳损伤全场监控方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤1：钢桥面板纵肋应变传感器的设置：

在钢桥面板跨中截面每个车道的车轮荷载作用位置处设置纵肋顺桥向应变传感器，用以监测车辆通过时引起的纵肋顺桥向应变；

步骤2：钢桥面板纵肋应变监测数据的处理：

以1天为计算区间，对纵肋应变传感器获取的应变数据进行处理，采用雨流计数法计算纵肋顺桥向应变的应力幅及其循环次数；

步骤3：计算实际运营车辆的车轮荷载谱：

步骤3a：建立以横肋间距为跨度的三跨连续梁模型作为纵肋顺桥向应力的计算模型，其中连续梁中跨的跨中位置对应于实际钢桥面板的跨中截面位置，

步骤3b：令车轮荷载P从5kN~300kN逐级变化，每级变化5kN，计算车轮荷载P通过该连续梁模型时，连续梁中跨的跨中位置产生的应力幅S，

步骤3c：采用线性回归的方法建立车轮荷载P和应力幅S之间的相关性模型，回归模型参数由最小二乘方法计算得到，

步骤3d：将步骤2得到的实测纵肋应力幅输入到相关性模型中，得到实际车轮荷载值，车轮荷载的作用次数等于实测应力幅的循环次数，

步骤3e：对桥梁运营以来所有车道的监测数据均计算实际车轮荷载值及其对应的作用次数，组成各个车道实际运营车辆的车轮荷载谱；

步骤4：钢桥面板焊缝疲劳损伤的全场监控：

步骤4a：建立钢桥面板疲劳应力有限元模型；建立公路钢桥的整体有限元模型和钢桥面板的精细有限元模型，计算钢桥面板在车轮荷载作用下的焊缝疲劳应力，

步骤4b：将各个车道的实际车轮荷载谱施加在钢桥面板疲劳应力有限元模型中计算焊缝的疲劳应力幅及其循环次数，组成疲劳应力幅谱，

步骤4c：计算焊缝的疲劳损伤D；

步骤4d：对所有焊缝计算疲劳损伤D并且从大到小排列，疲劳损伤D越大，表明焊缝发生疲劳破坏的风险越高，需要重点监控。

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