CN102767133B - 一种钢箱梁桥疲劳应力监测的传感器布置方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种钢箱梁桥疲劳应力监测的传感器布置方法

技术领域

本发明主要应用于土木工程桥梁或结构健康监测领域，涉及桥梁的应变传感器布置方法，尤其是一种钢箱梁桥疲劳应力监测的传感器布置方法。

背景技术

钢箱梁桥的钢正交异性桥面既作为桥面系直接承受交通荷载，又参与构成横梁甚至是纵梁的上翼缘，从而成为主梁的一部分，其结构受力复杂，桥面板的焊接细节较易发生疲劳开裂，关于钢箱梁正交异性桥面的疲劳评估研究是当前桥梁工程领域的热点之一。在钢箱梁的疲劳评估中，疲劳应力的获取至关重要。近年来，随着结构健康监测研究的兴起，利用设置在桥梁关键部位的应变传感器直接采集应力时程已成为一种重要的疲劳应力的获取方式。

在实际桥梁中，钢箱梁结构构造复杂，在服役期内可能发生疲劳破坏的局部焊缝细节数量众多，而应力传感器的数量总是有限的，工程师不可能在每个潜在破坏区域都安装上应力传感器。在钢箱梁的疲劳监测工作中就存在传感器位置的选择问题，必须建立一种可行的方法使得有限的传感器能够安装在钢箱梁最有可能发生疲劳破坏的位置，因此，疲劳应力测点的选择成为钢箱梁疲劳评估的关键。然而，目前结构健康监测中传感器布置方法大多是关注于动力响应监测的加速度传感器优化布置，而适用于疲劳评估的应力传感器布置方法仍未见报道，疲劳应力传感器的布置大多是基于工程经验或简单选取应力值较大的构件。因此，有必要提供一种疲劳应力监测传感器布置方法来满足钢箱梁桥疲劳评估的需要。

发明内容

本发明要解决的问题是：对于钢箱梁结构的桥梁，缺少用于疲劳评估的应力传感器布置方法，需要提供一种疲劳应力监测传感器布置方法来满足钢箱梁桥疲劳评估的需要。

本发明的技术方案为：一种钢箱梁桥疲劳应力监测的传感器布置方法，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)：

$D_i=\underset{j=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}$

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。

步骤2)中，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为：将局部区段的精细化有限元模型中的单元尺寸设定为整体有限元模型中单元尺寸的1/2～1/4之间。

针对钢箱梁桥疲劳应力监测传感器布置中的不足，本发明综合应用有限元子模型分析技术、雨流计数法、S-N曲线和Miner线性损伤累积理论提供了一种钢箱梁桥疲劳应力监测传感器的布置方法，重点解决如何构建一种应力传感器布置位置的选择指标，从而为疲劳应力传感器的布置提供合理的依据。本发明一方面通过有限元子模型分析技术获取钢箱梁候选测点区域的精确应力分布状态，分析钢箱梁的疲劳应力，保证了计算精度，另一方面基于S-N曲线和Miner线性损伤累积理论建立了候选测点的疲劳损伤程度指标，作为应力传感器布置位置的选择依据，具有物理意义明确、实施性强的优点，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，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2是本发明所述实施例涉及桥梁的总体布置示意图。

图3是本发明所述实施例涉及桥梁的标准断面结构示意图。

图4是本发明所述实施例涉及桥梁整体有限元计算模型。

图5是本发明所述实施例涉及桥梁钢箱梁局部区段精细有限元计算模型。

图6是本发明所述实施例涉及桥梁主跨跨中有限元模型加载示意图。

图7是本发明所述实施例涉及桥梁候选测点1工况10作用下的疲劳应力时程曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明是一种钢箱梁桥疲劳应力监测的传感器优先布置位置的选择方法，总体可以表述为以下几个步骤：

(1)选择钢箱梁应力传感器的候选测点，分别建立钢箱梁桥整体有限元模型和候选测点所在的局部区段精细有限元模型，在局部区段精细模型中，需对候选测点焊缝区域的单元进行细分，使其能精确反映焊缝区域的疲劳应力状态；

(2)采用子模型的方法建立钢箱梁整体有限元模型和局部有限元模型的关系，提取各相同工况作用下所有候选测点的疲劳应力时程曲线；

(3)采用雨流计数法对疲劳应力时程曲线进行处理，得到相应的等效应力范围和循环次数，在此基础上，依据S-N曲线和Miner线性损伤累积理论计算各工况作用下候选测点的疲劳损伤；

(4)以各工况疲劳损伤的总和作为候选测点的疲劳损伤程度指标，将所有候选测点的疲劳损伤程度指标从大到小依次进行排序，根据指标的排列顺序确定钢箱梁应力传感器的布置位置的选择顺序，也就是传感器的优先布置位置。

具体地说，本发明所述的钢箱梁桥疲劳应力监测传感器布置方法，包括以下详细的步骤：

1)确定传感器候选布置测点。由于钢箱梁结构构造复杂，且可能发生疲劳破坏的焊接细节数量众多，在确定钢箱梁疲劳应力监测传感器候选测点时需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，考虑选择主跨跨中、边跨跨中、桥墩支承等关键截面的焊接细节作为候选测点，同时，由于横隔板间距对钢箱梁疲劳性能影响显著，因此考虑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，ANSYS软件为一种通用有限元分析软件，采用ANSYS的shell63单元对钢箱梁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。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，使其能精确反映焊缝区域的疲劳应力状态，根据桥梁结构分析的经验，这时可将局部精细模型中的单元尺寸设定为整体有限元模型中单元尺寸的1/2～1/4之间，这样即可满足候选测点焊缝区域精确应力状态分析的需要；

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，假定移动集中荷载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将沿着划分后的区隔沿桥面纵向移动，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。子模型方法的计算过程是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3)和步骤4)确定的车辆荷载；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，雨流计数法为一种广泛应用的疲劳应力数据分析方法，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。英国桥梁疲劳设计规范BS5400:Part10提供了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，Miner线性损伤累积理论为一种公知理论，广泛应用的疲劳设计与评估理论：

$D_{\mathrm{ij}}=\frac{N_{\mathrm{ij}}\·S_{\mathrm{ij}}^m}{K_i}$

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。取各工况计算所得的疲劳损伤的总和作为候选测点的疲劳损伤程度指标D_i(i＝1，2，...，n)：

$D_i=\underset{j=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}$

将D_i从大到小排列，D_i越大，表明候选测点发生疲劳破坏的危险性水平越高，因此，本发明以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。。

以下将结合附图详细地说明本发明技术方案在金匮大桥中的应用。金匮大桥位于无锡市区境内，桥梁为55m+105m+55m的钢桁架桥，总体布置见图2，桥面总宽为46m。桁架由两片主桁组成，主桁上弦高度采用二次抛物线变化，两边跨矢高为3m，中跨矢高为10.5m，跨中桁高为5.7m，中支点处桁高17m。主桁上下弦杆均采用焊接整体节点结构形式，主桁上下弦杆采用焊接箱型截面。桥梁主梁采用钢箱梁结构，如图3，图中钢箱梁两侧桁架下弦杆中心线距离为33m，钢箱梁在桥梁中心线处高度为2449mm，在与下弦杆连接位置处高度为2195mm，桥面按双向八车道设计，设计时速为60km/h，1/2桥面实际车道总宽为15m。桥面采用钢正交异性桥面板，桥面板厚16毫米，下设U形纵向加劲肋，间距为600mm，U形肋高为280mm，板厚8mm。底板厚14mm，上设U形纵向加劲肋，间距为800mm，U形肋高为200mm，板厚8mm。

传感器候选测点的选择需要综合考虑桥梁整体刚度和横隔板间距变化两方面的因素。对于金匮大桥，在桥梁整体刚度方面，可以选择的钢箱梁截面有主跨跨中、边跨跨中和桥中两个支承位置。同时，全桥钢箱梁横隔板的间距有2.3mm和2.8mm两种尺寸，因此，在选择候选测点时应综合考虑上述因素。

为了简化实施例的计算过程，在主跨跨中和边跨跨中截面相同车道位置处各挑选了一个U形肋-顶板焊缝和U形肋对接焊缝作为传感器候选布置测点，主跨跨中横隔板间距为2.8m，边跨跨中横隔板间距为2.3m，候选测点编号见表1。在本发明实施过程中，对于U形肋-顶板焊缝需提取横桥向应力，对于U形肋对接焊缝则需提取顺桥向应力，对于钢箱梁其他类型的候选测点，则需根据其实际受力状态提取相应方向的应力。

表1实施例桥梁应力传感器候选布置测点

金匮大桥的整体有限元模型根据桥梁实际尺寸建模，钢箱梁及桁架下弦杆均采用shell63单元，桁架上弦杆和竖杆均采用beam4单元，见图4，图4中虚线框表示主跨跨中和边跨跨中局部区域。在这两个区域分别截取3个横隔板间隔长度的钢箱梁建立局部区域精细有限元模型，精细模型采用shell63单元，在精细模型中，为了获得候选测点附近精确的应力分布状态，需要对U形肋、顶板、横隔板构件的网格进行细分，见图5。

在实施例中，车辆荷载的加载范围设定为：(1)桥面横向为桥面半幅的15m宽行车道；(2)桥面纵向为局部精细有限元模型所在的3个横隔板间距，对主跨跨中局部模型，宽度为8.4m，对边跨跨中局部模型，宽度为6.9m。

车辆荷载简化为沿桥梁纵向移动的10kN移动集中荷载，荷载移动速度为60m/s，将车辆荷载的加载范围沿桥面横向划分为20个移动集中荷载作用区隔，每个区隔宽750mm，从而可以得到20个加载工况，编号为1～20。图6给出了主跨跨中局部模型的加载示意图，边跨跨中模型的加载情况与之类似，只是横隔板间距为2.3m。如图6所示，每个工况加载时，从局部模型的南端开始，移动集中荷载通过主跨跨中局部模型将耗时0.504s，通过边跨跨中局部模型将耗时0414s。

采用子模型方法计算所有加载工况下候选测点的疲劳应力时程曲线。子模型方法是获取模型局部区域中更加精确解的有限元技术，又称为切割边界位移法，切割边界就是子模型从整个较为粗糙的模型分隔开的边界。整体模型在切割边界的计算位移值即为子模型的边界条件。在本实施例中，较粗糙的模型即为图4给出的整体模型，子模型即为图5给出的局部精细模型。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再详述。

图7举例给出了主跨跨中工况10作用下测点1计算横桥向应力时程曲线。每个候选测点都可以计算得到20条疲劳应力时程曲线，采用雨流计数法对每条曲线进行处理，得到等效应力范围S_ij和循环次数N_ij，在本实施例中，i＝1，2，3，4，j＝1，2，...，20。查阅BS5400:Part10确定U形肋-顶板焊缝和U形肋对接焊缝两种候选测点的疲劳细节类型分别为W和E，从而确定两种候选测点的疲劳强度系数分别为0.16×10¹²N/mm²和1.04×10¹²N/mm²。在此基础上，就可以根据Miner线性损伤累积理论计算各候选测点每个工况的疲劳损伤D_ij。

取20个工况疲劳损伤D_ij的平均值为候选测点的疲劳损伤程度指标D_i(i＝1，2，3，4)，本实施例的计算结果为D₁＞D₃＞D₂＞D₄，从中可以得出两点结论：(1)U形肋-顶板焊缝发生疲劳破坏的风险要大于U形肋对接焊缝；(2)主跨跨中区域候选测点发生疲劳破坏的风险要大于边跨跨中区域。由此，可以确定表1四个位置布置传感器的优先顺序为位置1、位置3、位置2和位置4。

以上结合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 (2)

1.一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)：

$D_i=\underset{j=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{ij}}$

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。

2.根据权利要求1所述的一种钢箱梁桥疲劳应力监测的传感器布置方法，其特征是步骤2)中，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：将局部区段的精细化有限元模型中的单元尺寸设定为整体有限元模型中单元尺寸的1/2～1/4之间。