CN113127957A - 基于温度影响修正的拱桥挠度监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于温度影响修正的拱桥挠度监测方法，主要是对钢箱或钢管拱桥的拱肋挠度进行高精度监测的方法，包括以下步骤：步骤一，时间为t₁时，测量拱肋任意截面上下左右测点温度值T₁，测量拱桥拱肋的高程或坐标Δ₁；步骤二，时间为t₂时或荷载变化后，测量肋任意截面上下左右测点温度值T₂，测量拱桥拱肋的高程或坐标Δ₂；步骤三，时间为t₁时及时间t₂时日照变化作用下等效整体温度作用拱肋相对高程或坐标Δ₃；步骤四，计算主拱肋在荷载作用下剔除日照温度影响后的实测真实挠度值Δ＝Δ₂‑Δ₁‑Δ₃。本发明通过消除日光照射温差带来对主拱肋挠度的影响测量，提高拱肋挠度测量精度，利于开展拱肋受力技术状况的精细化评价。

Description

基于温度影响修正的拱桥挠度监测方法

技术领域

本发明属于桥梁监测技术领域，具体涉及了一种基于温度影响修正的拱桥挠度监测方法。

背景技术

为了掌握桥梁的技术状态和了解其承载能力，定期对桥梁进行检测或监测十分必要，而载荷试验是最直接的判断桥梁承载能力的检测方法，试验时主拱肋的挠度是非常重要的判断依据之一，因此准确测量主拱肋的挠度是否必要。

通常钢箱或钢管拱肋由于长期暴露于室外环境下，其表面的温度场不可避免的受到外部环境的影响，尤其是在光照作用下，圆钢管构件的温度分布呈现非均匀的特点，随着光照条件的变化，拱肋表面的温度场也会随之变化。特别是对于空心钢管拱肋拱桥而言的温差变形更加明显。一般在检测桥梁时，往往会忽略空心钢管拱肋变形造成的测量误差，而为了降低这种误差经常会选择在晚上温度影响较低时进行；但这些操作增加了操作难度的同时，依然无法有效消除影响，检测数据精度无法得到进行进一步提高。

专利CN201410160000.8公开一种精确测量吊索(杆)拱桥主拱肋挠度的方法及其装置，包括以下步骤：在桥址附近稳定的地基上埋设方便水准测量的基准点；在主拱肋的测试截面悬吊一根钢绞线，钢绞线下端挂一重锤使钢绞线绷紧；在重锤侧面捆绑位移计，位移计指针抵触在水平牢固粘在桥面的钢垫板上，用以测量加载时桥面和主拱肋的相对挠度Δ1；在钢垫板上布设有桥面挠度观测点，使用精密水准仪，在试验加载前后分别按照二等水准测量标准，选用闭合路线从基准点引测，两次测量计算出其高程的变化量Δ2；根据几何关系，计算主拱肋试验加载时的挠度Δ＝Δ2-Δ1。上述方案虽然提供了一种主拱肋挠度的测量方案，但依然没有消除光照带来的温差影响，特别是该方案操作明显只能在白天进行，温差影响是否明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于温度影响修正的拱桥拱肋挠度监测方法。本发明通过消除测量拱肋的挠度时的光照温差带来的变形影响，提高挠度测量精度。

本发明采用了以下技术方案：

一种基于温度影响修正的拱桥挠度监测方法，主要是对钢箱或钢管拱桥的拱肋挠度进行监测的方法，包括以下步骤：

步骤一，时间为t₁时，测量肋任意截面上下左右测点的温度值T₁，T₁为温度序列；测量拱桥拱肋的高程或坐标Δ₁，Δ₁为高程或坐标序列，高程或坐标测量采用高精度测量机器人，高程或坐标的测点布置在跨度L的L/8、L/4、3L/4、L/2、5L/8、6L/8、7L/8处；

步骤二，时间为t₂时或荷载变化后，测量肋任意截面上下左右测点温度值T₂，T₂为温度序列，测量拱桥拱肋的高程或坐标Δ₂，Δ₂为高程或坐标序列；测点布置及测试手段与步骤一一致；

步骤三，基于时间为t₁时及时间为t₂时日照变化，根据拱肋表面在日照下的稳态温度场表达式计算稳态等效整体温度，通过建立有限元模型并将等效整体温度变化量Δu＝u₀-u_a作为等效整体温度作用对模型进行数值模拟，u₀为等效整体温度，u_a为环境大气温值，计算模拟得到的拱肋相对高程或坐标Δ₃，Δ₃为高程或坐标序列；

步骤四，计算主拱肋在荷载作用下剔除日照温度影响后的实测真实挠度值Δ＝Δ₂-Δ₁-Δ₃；

在有限元软件中，建立拱桥有限元模型，求得在荷载作用下拱肋的理论计算挠度值Δ_L；实测真实挠度值Δ与理论计算挠度值Δ_L的比值为Δ_b，既是Δ_b＝Δ/Δ_L；当0.85≤Δ_b≤1.05时，拱桥拱肋受力技术状态处于正常状态范围；当Δ_b>1.05时，应进行详细检查桥梁结构及监测系统、分析原因，监测系统无异常时判断拱桥拱肋存在缺陷，拱桥拱肋受力技术状态处于异常状态范围；当Δ_b＜0.85，应详细检查位移监测系统，是否为监测系统故障所致。

本发明进一步说明，步骤一中温度值T₁和步骤二中温度值T₂采用表贴式热电偶或非接触式温度测量方法。

本发明进一步说明，所述的稳态温度场表达式，具体为：

等效整体温度

测量点钢管拱肋的最大温差Δu＝u_b(0)-u_c(π)

其中：

在上述式子中：R为钢管拱肋的外半径；θ为钢管拱肋截面外径上的任意两点间的圆心角；u_b(θ)为正对阳光面钢管拱壁表面温度；u_c(θ)为背对阳光面钢管拱壁表面温度；

为一个代数，具体指代

为一个代数，具体指代

u_a为气温值；J_n为钢管拱肋截面外径上光照直射点n的光照强度；β为空气对流热交换系数；ξ为太阳辐射吸收系数；λ为一个代数，具体指代

k(x,y,z)为x,y,z为方向的热传导系数，钢材取48W/(m.℃)；c为微元体的定压热容，钢材取0.475kJ/(kg.℃)；ρ为微元体的密度，钢材取7850kJ/m³。

本发明进一步说明，所述的稳态温度场表达式是利用傅里叶定律推导光照条件下钢箱或空心钢管拱肋截面表面温度分布解析式，具体为：

1)以空心钢管为例说明，阳光相对于钢管截面水平线角度的影响，忽略阳光的方位角，在仅考虑阳光高度角的情况下设钢管拱截面圆心与日心连线交钢管拱外径于n点，钢管拱截面外径上的任一点m与n点间的圆心角为θ，则两点受到的光照强度间的关系式为J_m＝J_ncosθ；

2)在dt的时间内，在圆心角为dθ内的拱壁吸收的热量：

其中，R为钢管拱的外半径；

在光线的照射下，钢结构会产生由外到内的不均匀升温，使结构产生弯曲；依照傅里叶定律，钢管在光照下存在以下关系：

当物体内的热量为稳态时有

q(c,t)+p_v＝q(θ)+p_v＝0 (6)

式中：c表示钢管拱壁线长度，J_T为截面法向的热流密度[kj/(M.h.℃)]；R为钢管拱的外半径；T为物体的瞬态温度℃；

为物体相对方向温度梯度；k(x,y,z)为x,y,z为方向的热传导系数，钢材取48W/(m.℃)；c为微元体的定压热容，钢材取0.475kJ/(kg.℃)；ρ为微元体的密度，钢材取7850kJ/m³；p_v为内热源强度；

3)在以北京时间为标准记录的24小时中，太阳辐射在同一时段的强度和方向会随地球上的四季变化而变化；按照经验解析式，太阳的最大辐射强度J_n的表示如式(7)～(16)所示：

I₀＝1367×[1+0.033cosN](kW/m²) (7)

δ＝23.45°sin[284+N] (8)

t_d＝0.165sin2θ_N-0.025sinθ_N-0.123cosθ_N (10)

θ_N＝360°×(N-81)/364 (11)

τ＝(12-t)×15° (12)

sinθ_h＝sinδsinω+cosτcosωcosδ (13)

cosθ_l＝(sinωcosτcosδ-cosωsinδ)/cosθ_h (14)

J_n＝I₀cosγ (16)

式中，I₀为太阳常数，N为日序数，δ为太阳倾角，t为真太阳时，t_d为时差，t_b为北京时间，θ_h为太阳高度角，θ_l为太阳方位角，ω为建筑所在地理纬度，γ为太阳入射角，σ为拱肋截面高度角，μ为拱肋截面方位角；

4)当钢管处于热平衡状态即钢管上各点的温度都处于稳态时，根据光照条件，可以解算出两个边界条件解析式分别为：

q(θ)＝β[u(θ)-u_a] (18)

当拱肋温度处于稳态时，有q(c,t)＝q(θ)。

根据式(18)可以得到方程：

式中，β表示空气对流热交换系数，根据经验解析式

其中ΔT为物体表面与空气温度差，v为风速；u_a表示气温；

根据式(6)及式(18)及式(19)可以得到解析式：

加入代数进行换算，换算表为：

依照式(17)～式(20)，可以推导钢管表面的稳态温度：

钢管拱表面的换算整体温度通过以下解析式计算：

钢管拱肋的最大温度差为：

Δu＝u_b(0)-u_c(π) (24)

以上的解析式都是假定钢管拱肋在光照条件下瞬间达到稳态作为前提条件。

本发明的优点：

本发明中通过构建钢管拱肋在光照下的稳态温度场表达式，能够快速获取得到拱肋挠度测量时的拱肋的温差，并结合midas civil有限元软件计算模拟得到拱肋竖直方向变形数据，从而在计算拱肋试验加载时的挠度时减去该值的影响，使得检测数据的精度更高且试验作业不受时间限制，试验环境更加安全。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明。

实施例：

一种基于温度影响修正的拱桥挠度监测方法，主要是对钢箱或钢管拱桥的拱肋挠度进行监测的方法，包括以下步骤：

步骤一，时间为t₁时，测量肋任意截面上下左右测点的温度值T₁，T₁为温度序列；测量拱桥拱肋的高程或坐标Δ₁，Δ₁为高程或坐标序列，高程或坐标测量采用高精度测量测量机器人，高程或坐标的测点布置在跨度L的L/8、L/4、3L/4、L/2、5L/8、6L/8、7L/8处；

步骤二，时间为t₂时或荷载变化后，测量肋任意截面上下左右测点温度值T₂，T₂为温度序列，测量拱桥拱肋的高程或坐标Δ₂，Δ₂为高程或坐标序列；测点布置及测试手段与步骤一一致；

步骤三，基于时间为t₁时及时间为t₂时日照变化，根据拱肋表面在日照下的稳态温度场表达式计算稳态等效整体温度，通过建立有限元模型并将等效整体温度变化量Δu＝u₀-u_a作为等效整体温度作用对模型进行数值模拟，u₀为等效整体温度，u_a为环境大气温值，计算模拟得到的拱肋相对高程或坐标Δ₃，Δ₃为高程或坐标序列；

步骤四，计算主拱肋在荷载作用下剔除日照温度影响后的实测真实挠度值Δ＝Δ₂-Δ₁-Δ₃；

在有限元软件中，建立拱桥有限元模型，求得在荷载作用下拱肋的理论计算挠度值Δ_L；实测真实挠度值Δ与理论计算挠度值Δ_L的比值为Δ_b，既是Δ_b＝Δ/Δ_L；当0.85≤Δ_b≤1.05时，拱桥拱肋受力技术状态处于正常状态范围；当Δ_b>1.05时，应进行详细检查桥梁结构及监测系统、分析原因，监测系统无异常时判断拱桥拱肋存在缺陷，拱桥拱肋受力技术状态处于异常状态范围，；当Δ_b＜0.85，应详细检查位移监测系统，是否为监测系统故障所致。

上述步骤一中温度值T₁和步骤二中温度值T₂采用表贴式热电偶或非接触式温度测量方法。

本实施例采用的稳态温度场表达式，具体为：

等效整体温度

测量点钢管拱肋的最大温差Δu＝u_b(0)-u_c(π)

其中：

在上述式子中：R为钢管拱肋的外半径；θ为钢管拱肋截面外径上的任意两点间的圆心角；u_b(θ)为正对阳光面钢管拱壁表面温度；u_c(θ)为背对阳光面钢管拱壁表面温度；

为一个代数，具体指代

为一个代数，具体指代

u_a为气温值；J_n为钢管拱肋截面外径上光照直射点n的光照强度；β为空气对流热交换系数；ξ为太阳辐射吸收系数；λ为一个代数，具体指代

k(x,y,z)为x,y,z为方向的热传导系数，钢材取48W/(m.℃)；c为微元体的定压热容，钢材取0.475kJ/(kg.℃)；ρ为微元体的密度，钢材取7850kJ/m³。

工程实例：

某主跨150m的钢箱拱桥，在L/2、7L/8、6L/8分布布置挠度测点1、测点2、测点3，时间为t₁时换算等效温度为20℃，测点1、测点2和测点3的竖向坐标Δ₁分别为99.548m、99.354m、99.158m；时间为t₂时换算等效温度为28℃，测点1、测点2和测点3的竖向坐标Δ₁分别为99.598m、99.396m、99.188m；根据有限元计算获得测点1、测点2和测点3等效温度作用下的挠度分别为0.015m、0.009m、0.006m，荷载作用下测点1、测点2和测点3的理论计算挠度分别为0.055m、0.045m、0.030m；求测点1、测点2和测点3的Δ_b分别为0.91、0.93、1.00，可见该拱桥拱肋受力技术状态处于正常状态范围。计算结果详见表1。若是不考虑等效整体温度换算进行修正时，则对桥梁受力状态评价得出的结果是错误的，既是实测挠度和理论计算挠度的比值分别是1.39、1.31和1.20。

表1拱桥拱肋受力技术状态参数计算表

参数	Δ<sub>1</sub>(m)	T<sub>1</sub>(℃)	Δ<sub>2</sub>(m)	T<sub>2</sub>(℃)	Δ<sub>3</sub>(m)	Δ(mm)	Δ<sub>L</sub>(mm)	Δ<sub>b</sub>
									测点1	99.548	20	99.598	28	0.015	35	36	0.97
测点2	99.354	20	99.396	28	0.009	33	32	1.03
									测点3	99.158	20	99.188	28	0.006	24	25	0.96

通过上述工程实例，可以知道按照本发明实施后可以取得良好的技术效果。

显然，上述实施例仅仅是为了清楚的说明本发明所作的举例，而并非对本发明实施的限定。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动；这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举；而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种基于温度影响修正的拱桥挠度监测方法，主要是对钢箱或钢管拱桥的拱肋挠度进行监测的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，时间为t₁时，测量肋任意截面上下左右测点的温度值T₁，T₁为温度序列；测量拱桥拱肋的高程或坐标Δ₁，Δ₁为高程或坐标序列，高程或坐标测量采用高精度测量机器人，高程或坐标的测点布置在跨度L的L/8、L/4、3L/4、L/2、5L/8、6L/8、7L/8处；

步骤二，时间为t₂时或荷载变化后，测量肋任意截面上下左右测点温度值T₂，T₂为温度序列，测量拱桥拱肋的高程或坐标Δ₂，Δ₂为高程或坐标序列；测点布置及测试手段与步骤一一致；

步骤三，基于时间为t₁时及时间为t₂时日照变化，根据拱肋表面在日照下的稳态温度场表达式计算稳态等效整体温度，通过建立有限元模型并将等效整体温度变化量Δu＝u₀-u_a作为等效整体温度作用对模型进行数值模拟，u₀为等效整体温度，u_a为环境大气温值，计算模拟得到的拱肋相对高程或坐标Δ₃，Δ₃为高程或坐标序列；

步骤四，计算主拱肋在荷载作用下剔除日照温度影响后的实测真实挠度值Δ＝Δ₂-Δ₁-Δ₃；

在有限元软件中，建立拱桥有限元模型，求得在荷载作用下拱肋的理论计算挠度值Δ_L；实测真实挠度值Δ与理论计算挠度值Δ_L的比值为Δ_b，既是Δ_b＝Δ/Δ_L；当0.85≤Δ_b≤1.05时，拱桥拱肋受力技术状态处于正常状态范围；当Δ_b>1.05时，应进行详细检查桥梁结构及监测系统、分析原因，监测系统无异常时判断拱桥拱肋存在缺陷，拱桥拱肋受力技术状态处于异常状态范围；当Δ_b＜0.85，应详细检查位移监测系统，是否为监测系统故障所致。

2.根据权利要求1所述的基于温度影响修正的拱桥挠度监测方法，其特征在于：步骤一中温度值T₁和步骤二中温度值T₂采用表贴式热电偶或非接触式温度测量方法。

3.根据权利要求1所述的基于温度影响修正的拱桥挠度监测方法，其特征在于：所述的稳态温度场表达式，具体为：

等效整体温度

测量点钢管拱肋的最大温差Δu＝u_b(0)-u_c(π)

其中：

在上述式子中：R为钢管拱肋的外半径；θ为钢管拱肋截面外径上的任意两点间的圆心角；u_b(θ)为正对阳光面钢管拱壁表面温度；u_c(θ)为背对阳光面钢管拱壁表面温度；

为一个代数，具体指代

为一个代数，具体指代

u_a为气温值；J_n为钢管拱肋截面外径上光照直射点n的光照强度；β为空气对流热交换系数；ξ为太阳辐射吸收系数；λ为一个代数，具体指代

k(x,y,z)为x,y,z为方向的热传导系数，钢材取48W/(m.℃)；c为微元体的定压热容，钢材取0.475kJ/(kg.℃)；ρ为微元体的密度，钢材取7850kJ/m³。