CN103759868B - 一种基于应力比重的桥梁横向联接实时评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于应力比重的桥梁横向联接实时评估方法，通过应变传感器实时获取跨中梁底应变值，计算各片梁实测应力比重，视为应力比重实测值；利用数值仿真技术进行损伤模拟，得到健康状态下以及横向连接的不同部位，发生不同程度损伤时的各片梁应力比重的变化趋势以及范围，视为应力比重计算值，将实测值与计算值进行比较，从而识别结构横向联接的损伤。本发明有益效果：结合光纤光栅应力监测系统，使监测精度大大提高，用应力比重的指标，使误报率低，提供实时的结构健康评估使结构监测连续性好。相比传统结构健康评估手段，该方法不必借助静载试验，不干扰正常交通，成本低、精度高、实时性好，适用于各类中小跨径装配式桥梁的监测。

Description

一种基于应力比重的桥梁横向联接实时评估方法

技术领域

本发明涉及一种基于应力比重的桥梁横向联接实时评估方法。

背景技术

近几年来，梁桥的健康监测及损伤识别得到了广泛的研究。中国专利申请200910053434.7提出了一种基于动测法的偏心直线预应力混凝土梁桥承载力评估方法，通过对桥梁结构进行强迫振动，获取单点振动响应，通过数值优化手段，并用数值计算的结果对结构健康状态进行识别与承载力评估。中国专利申请201210062742.8提出了一种评价板梁桥铰缝损伤程度的方法，利用铰缝相对位移与铰缝剪力及铰缝刚度之间的关系，根据桥梁静载试验中的荷载大小、位置及实测板梁挠度等信息得到铰缝剪力和铰缝刚度，从而定量地评判铰缝的损伤程度。此类梁桥的损伤评估技术均需借助荷载试验，这不仅耗费大量的人力物力，准备工作比较繁琐，而且试验周期较长，需要封闭交通，由此带来了诸多不便，在实际运用中存在着较大的局限性。中国专利申请201310148682.6提出了一种基于裂缝开展高度的桥梁损伤评估预警方法及预警系统，通过监测梁桥主梁上的裂缝开展高度来对结构进行损伤评估。中国专利申请201110326223.3发明了一种铰接板梁桥铰缝检测方法及监测装置，通过将电阻式位移计安装于铰缝处，通过监测铰缝两侧的板梁的竖向位移相对值，并与可允许范围对比进行铰缝损伤评估。此类损伤评估的技术和手段需借助独立的物理量监测装置及外部电源，成本较高，且系统服役的耐久性也有待验证。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于应力比重的桥梁横向联接实时评估方法，以克服现有技术存在的需借助独立的物理量监测装置及外部电源、成本较高等上述不足。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种基于应力比重的桥梁横向联接实时评估方法，包括以下步骤：

1）在跨中梁底安装光纤光栅应变传感器。

2）通过系统集成，实时获取梁底应变分布信息。

3）将实时获取的应变数据点进行高斯平滑处理，然后再对这条光滑曲线通过导数判别法捕捉荷载引起的应变峰值，获取车辆荷载通过时梁底的应变增量，进而得到各片梁分别对应的应力比重，视为实测值。

4）利用数值仿真技术对该上部结构进行损伤模拟，得到健康状态下以及横向连接的不同部位，发生不同程度损伤时的各片梁应力比重的变化趋势以及范围，视为计算值，在数值仿真的结果判别中，选取荷载所在半边的主梁应力比重作为特征参数，通过两个边梁应力比重的大小进行荷载位置的判别。

5）比较实测应力比重与计算应力比重的大小，获取横向联接的损伤程度，并根据与理论计算结果的对比，将损伤程度按仅湿接缝损伤、仅中横隔梁损伤以及多横隔梁损伤归为轻度损伤、中度损伤和重度损伤三类，所述应力比重为无量纲值，大小由荷载在横向的位置、横向联接的刚度决定。

下面对应力比重可反映装配式梁桥的横向联接损伤状况进行证明：

设应力比重为Si。

1）若结构某点的截面的内力影响面用双值函数h(x , y)来表示，则该面的内力值可表示为S=P×h(x , y)。对于某根主梁某一界面的内力值可表示为：

(式1)

式1中S为某根主梁某一截面的内力值；

h₁(x)为单梁在桥面纵向（x轴方向）某一截面的内力影响线；

h₂(y)为单位荷载沿桥面横向（y轴方向）作用在不同位置时，某梁所分配的荷载比值变化曲线，也称作某梁的荷载横向分布影响线。

即表示当P作用于a(x , y)点时沿横向分布给某梁的荷载，以表示，则定义max= m，其中P为轮轴重，m为横向分布系数，它直接反映了横向连接的刚度强弱。

2）设装配式桥梁中指定分析截面为Ω，令其内力为S*，当横向由n片主梁构成时，每一片主梁Ω截面的梁底正应力为确定每一片主梁Ω截面的梁底正应力：

(式2)

式2中 σ_i为某根主梁在Ω截面处的梁底正应力；

S^*为第i根主梁在在Ω截面处的弯矩值；

K_i为与第i根主梁材料特性及截面惯性矩有关的刚度系数。

通常装配式桥梁各片中梁的截面几何特性是一致的，边梁截面稍有差异，但是差异主要由翼缘长度不同引起，且绝对数值较小，此处截面差异对刚度影响忽略不计，材料特性也认为是一致的，则上式的就可以用统一的刚度系数来替代。

将(1)式代入(2)式得到：

(式3)

定义活载应力比重，又由于在实际测量中，实际可捕捉的应变峰值往往对应着荷载位于该测试跨，由纵向影响线理论可知，这种情况下荷载位于测试断面所在跨，即可近似认为，则由(式3)得：

(式4)

由上式可知，对于指定的主梁来说，其应力比重直接的影响因素是荷载在横向的布置及横向联接的刚度，当结构完全健康时，某根主梁测量所得的应力比重系数会随着荷载横向位置的不同在一定区域内浮动，当结构横向联系弱化时，应力比重系数变化的范围就会扩大。因此，在进行了上述的转化之后，我们就将比较抽象的系数(y)转化为具体的活载应力比重。

是个无量纲的值，它的测量时比较容易实现的，通过在跨中截面Ω底部埋设应力传感器，对所测得的应力数据进行高斯平滑，再通过导数判别法捕捉荷载引起的应变峰值，即可以实时求得各片主梁的，通过在对应横向联接损伤情况下变化趋势的分析，即可设计相应的横向损伤预警系统。

本发明的有益效果为：本发明结合先进的光纤光栅应力监测系统，使得监测精度大大提高，采用应力比重的指标，使得误报率有所降低，同时该系统可以提供实时的结构健康评估，使得对于结构监测具有较好的连续性。此外，相比于传统的结构健康评估手段，本发明所采用的评估方法不必借助静载试验，对正常交通不产生干扰，具有低成本、高精度、实时性等特点，适合于各类中小跨径装配式梁桥的监测运用。

附图说明

图1 为装配式小箱梁横断面示意图；

图2 为横向联接无损伤情况下各片梁底应力比重随荷载作用位置的变化趋势示意图；

图3为 1号梁与2号梁间损伤情况下1号梁梁底应力比重随荷载作用位置的变化趋势示意图；

图4 为1号梁与2号梁间损伤情况下2号梁梁底应力比重随荷载作用位置的变化趋势示意图；

图5 为1号梁与2号梁间损伤情况下3号梁梁底应力比重随荷载作用位置的变化趋势示意图；

图6为 1号梁与2号梁间损伤情况下4号梁梁底应力比重随荷载作用位置的变化趋势示意图；

图7 为2号梁与3号梁间损伤情况下1号梁梁底应力比重随荷载作用位置的变化趋势示意图；

图8为 2号梁与3号梁间损伤情况下2号梁梁底应力比重随荷载作用位置的变化趋势示意图；

图9 为2号梁与3号梁间损伤情况下3号梁梁底应力比重随荷载作用位置的变化趋势示意图；

图10为 2号梁与3号梁间损伤情况下4号梁梁底应力比重随荷载作用位置的变化趋势示意图；

图11为通过应变传感器获取实时数据并计算应力比重的流程图；

图12为损伤评估策略流程图。

具体实施方式

下述内容为本发明的一个应用实例，目的在于是本领域人员更好的理解本发明内容，但本发明内容并不局限于下述实例。

以下结合实例，说明本发明的具体实施方式，共分为五个主要步骤。

第一步：如图1所示装配式小箱梁，在跨中四片梁底均装有光纤光栅应变传感器。

第二步：通过系统集成，可以实时获取梁底应变分布信息。

第三步：将实时获取的应变数据点进行高斯平滑处理，然后再对这条光滑曲线通过导数判断波峰，获取车辆荷载通过时，梁底的应变增量，进而得到各片梁分别对应的应力比重，视为实测值。

第四步：利用数值仿真技术对该上部结构进行损伤模拟，得到健康状态下以及横向连接的不同部位发生不同程度损伤时的各片梁应力比重的变化趋势以及范围，视为计算值。

第五步：比较实测应力比重与计算应力比重的大小，获取横向联接的损伤程度，并根据与理论计算结果的对比，将损伤程度按仅湿接缝损伤、仅中横隔梁损伤以及多横隔梁损伤归为轻度损伤、中度损伤和重度损伤三类。

如图2所示，其中，健康状况下四片梁应力比重的变化所示。由于结构具有对称性，应力比重分布也是横向对称的，取一半进行分析。1号梁和4号梁这两片边梁，当荷载处于靠近某一边梁侧时，其应力比重或的变化范围约为[0.2, 0.43]，2号梁和3号梁这两片中梁，当荷载处于靠近某一中梁侧时，其应力比重或的变化范围约为[0.27, 0.32]，变化幅度非常小。

如图3-6所示，在横向联接发生损伤时，随着损伤程度的不同，各梁应力比重的变化范围也随之变大。当1号梁与2号梁之间产生损伤时，损伤两侧两片梁的应力比重反映特别敏感，当仅湿接缝发生5米的损伤时，当车辆荷载位于道路右侧时，可监测到2号梁最小0.2，最大0.4的应力比重，远大于健康时[0.27, 0.32]的变化范围，且随着损伤的加大，应力比重变化也越大。1号梁也有相应的应力比重变化趋势。

如图7-10所示，当2号梁与3号梁之间产生损伤时，损伤两侧两片梁的应力比重反映也比较敏感，当仅湿接缝发生5米的损伤时，当车辆荷载位于道路右侧时，可监测到2号梁最大0.39的应力比重，远大于健康时[0.27, 0.32]的变化范围，且随着损伤的加大，应力比重变化也越大。3号梁的变化趋势与2号梁对称。

以上查看应力比重时，都是利用荷载所在侧的信息，实际判别中，可以利用两片边梁1号梁和4号梁的应力比重大小判断荷载所处的位置，且这一判别方法不受结构损伤程度的影响。

如图11所示，根据应变传感器所测得的数据得到1号梁到4号梁的应变波峰增量，利用公式计算得到应力比重实测值。

如图2所示，在横向联接无损伤的情况下，梁1的应力比重的变化范围为[0.11,0.43],梁2的应力比重的变化范围为[0.18,0.33],梁3的应力比重的变化范围为[0.18,0.33],梁4的应力比重的变化范围为[0.11,0.43]；

如图12所示，若得到的各梁的应力比重实测值分别在落在如图2所示的横向联接无损伤情况下对应的各片梁底应力比重的范围之内，则各梁结构安全；若不在横向联接无损伤情况下对应的各片梁底应力比重的范围之内，则进入损伤评估，可利用损伤评估策略一：

若得到的应力比重实测值 ，则：

若 0.33且 0.3,则1号梁与2号梁之间损伤；且若0.2 0.3,则损伤为轻度损伤，若0.15 0.2,则损伤为中度损伤，若 0.15，则损伤为重度损伤。

若 0.33且 0.3,则2号梁与3号梁之间损伤；且若0.33 0.4，则损伤为轻度损伤，若0.4 0.45，则损伤为中度损伤，若 0.45，则损伤为重度损伤。

若得到的应力比重实测值 ，则：

若 0.33且 0.3，则3号梁与4号梁之间损伤；且若0.2 0.3,则损伤为轻度损伤，若0.15 0.2,则损伤为中度损伤，若 0.15，则损伤为重度损伤。

若 0.33且 0.3，则2号梁与3号梁之间损伤，且若0.33 0.4，则损伤为轻度损伤，若0.4 0.45，则损伤为中度损伤，若 0.45，则损伤为重度损伤。

若不在横向联接无损伤情况下对应的各片梁底应力比重的范围之内，则进入损伤评估，可利用损伤评估策略二：

若 0.45,则1号梁与2号梁之间损伤，且若0.45 0.51，则损伤为轻度损伤，若0.51 0.63，则损伤为中度损伤，若 0.63，则损伤为重度损伤。

若 0.25，则1号梁与2号梁之间损伤，且若0.18 0.25，则损伤为轻度损伤，若0.13 0.18，则损伤为中度损伤，若 0.13，则损伤为重度损伤。

若 0.25，则3号梁与4号梁之间损伤，且若0.18 0.25，则损伤为轻度损伤，若0.13 0.18，则损伤为中度损伤，若 0.13，则损伤为重度损伤。

若 0.45，则3号梁与4号梁之间损伤，且若0.45 0.51，则损伤为轻度损伤，若0.51 0.63，则损伤为中度损伤，若 0.63，则损伤为重度损伤。

通过将该评估方法结合到结构实时健康监测系统中，即可实现对装配式梁桥横向联接损伤状况的实时评估与预警。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种装配式桥梁横向联接损伤程度的实时评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在桥梁跨中各片梁底安装应变传感器；

2）通过系统集成，实时获取梁底应变分布信息；

3）将实时获取的应变数据点进行高斯平滑处理，然后再捕捉这条光滑曲线荷载引起的应变峰值，获取车辆荷载通过时梁底的应变增量，进而得到各片梁分别对应的应力比重，将测得的应力比重视为实测值；

4）利用数值仿真技术对桥梁跨中各片梁结构进行损伤模拟，得到健康状态下及横向联接的不同部位，发生不同程度损伤时的各片梁应力比重的变化趋势以及范围，将计算得到的应力比重视为计算值。

2.根据权利要求1所述的一种装配式桥梁横向联接损伤程度的实时评估方法，其特征在于：所述应变传感器为光纤光栅传感器。

3.根据权利要求2所述的一种装配式桥梁横向联接损伤程度的实时评估方法，其特征在于：所述应力比重为无量纲值，其大小由荷载在横向的位置、横向联接的刚度决定，所述应力比重的定义公式为：

式中，i为第i根主梁；

为某根主梁在某截面处的梁底正应力；

为应力比重。

4.根据权利要求3所述的一种装配式桥梁横向联接损伤程度的实时评估方法，其特征在于：在数值仿真的结果判别中，选取荷载所在半边的主梁应力比重作为特征参数，通过两个边梁应力比重的大小进行荷载位置的判别。

5.根据权利要求4所述的一种装配式桥梁横向联接损伤程度的实时评估方法，其特征在于：所述应力比重由高斯平滑导数法对实测应变数据分析，从而获取应变峰值而计算出来。