[发明专利]基于光纤光栅测试技术的钢桥焊接构件热点应力分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及结构健康监测、光纤光栅测试技术、钢桥焊接构件应力分析等领域，具体为基于光纤光栅实测数据进行钢桥焊接构件的热点应力的分析计算。

背景技术

随着日益增长的人类生产生活的需要和科学技术的发展，新颖大跨度桥梁的建设成为一项艰巨的任务。相比于传统的混凝土结构，焊接结构强度高、结构设计灵活性大、气密性和水密性均优于其他方法建造的结构，并且拥有结构简单、成本低以及周期短等优势，越来越多采用焊接技术的大型钢桥已经建成或正在建设和规划当中。此外，建造钢桥的构件适合大规模生产，便于运输，利用焊接技术安装速度快，从而大大提高钢桥的建造效率，并且钢桥服役后，易于维修和更换构件。但是，焊接结构构造复杂，同时又直接承受结构自重、交通荷载和冲击荷载作用。工程实践表明，服役过程中许多钢桥出现了不同程度局部结构破损问题。因此，进行钢桥焊接结构的应力分布的合理分析和精确计算具有重要的理论价值和现实意义。

目前，对于钢桥焊接结构的应力分析主要由有限元分析和现场实测两种方式获得。其中，有限元模拟分析方法主要包括名义应力法、热点应力法等。国际上常常采用名义应力对焊接结构进行安全性能评定，且广泛应用于世界各国的钢桥设计规范中。但是，在实际应用中，由于焊接构件几何构造的不连续性且受力复杂，名义应力忽略了结构实际的截面尺寸变化，未能考虑焊趾处的应力集中效应。另外，名义应力难以明确定义，无法保证结构的应力分析的准确性。随着有限元技术在焊接结构应力分析中大量应用，国内外学者提出了考虑结构几何突变引起的局部应力集中效应的结构热点应力方法。所谓结构热点应力，是指焊接构件中最可能发生破坏的危险点应力，例如焊接构件的焊趾。然而，对于焊接构件结构热点应力的计算分析方法目前国际上尚未形成统一的标准，采用有限元分析确定焊接构件结构热点应力时，结构热点应力的确定具有一定的随机性。

名义应力和热点应力大小均可以通过现场合理布置的传感器直接或间接得到。对于现场实测方法，由于在热点应力处往往具有应力奇异性，研究者们一般测量在距离焊接构件焊趾处一定距离的名义应力大小，再乘以相应的应力集中因子获得，其中应力集中因子取决于结构的构件类型、结构尺寸以及荷载模式等，对于特定的结构类型，如果没有可参考的应力集中因子数值或参考的应力集中因子大小不准确，热点应力计算的准确性也势必受到影响。另外，热点应力也可根据测量距离热点特定位置的应力值外推获得。例如，可通过距离焊趾处0.4T和1.0T(T为板厚)处的应力根据插值公式求得。但是，对于桥梁结构，焊接结构类型复杂，桥梁由不同厚度钢板焊接而成，传统的应变片应用于钢桥热点应力的测量具有一定的局限性。例如，桥梁中常采用的U型肋结构一般钢板厚度为8mm，需要测量在距离焊趾3.2mm(0.4T)以及8mm(1.0T)处的应力大小以外推获得热点应力值，这将大大增加布置应变片的难度。同时，传统的应变片抗电磁性能、电绝缘性能、耐腐蚀性能较差，传输损耗较大，传输容量小，不利于桥梁结构进行长期应力监测与评估。

综上所述，对于桥梁结构焊接构件，需要发展一种可以用于长期远距离热点应力现场实测的测量以及计算方法。

发明内容

本发明要克服热点应力有限元模拟分析方法以及传统应变片测量方法的不足，提出一种基于光纤光栅测试技术的钢桥焊接构件热点应力分析方法。本发明由以下三部分组成：

一、桥梁基础信息收集与分析

基础信息收集与分析主要包括对桥梁整体与局部受力性能的分析，热点的选取与分类等。由于不同类型的桥梁焊接结构易发生破坏的位置不同，测点的选取应根据实测桥梁的类型及受力性能确定。例如，对于大量建造的正交异性钢桥面板结构，易发生破坏的位置为纵肋与横隔板交叉部位、纵肋与面板焊接连接部位等处，需要对这些节点处的热点应力进行重点的监测。选取测点后，需要对测点处的热点应力类型进行分类，为光纤光栅串的制作和安装提供有效信息。如图1所示，国际焊接协会规范根据焊接的连接形式以及热点位置将热点分为a、b、c三类。不同的热点应力类型和热点应力的计算方法有所不同，对于a类和c类热点，热点应力值需要得到距离焊趾0.4T和1.0T处的应力值进行外推，而对于b类热点，则需要根据距离焊趾5mm和15mm处的应力值进行外推。

二、光纤光栅数据采集系统制作与安装

光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、电绝缘性能好、耐腐蚀、体积小、重量轻、传输损耗小、传输容量大、测量范围大等优点，可实现远距离、长时间、多点分布式的测量。本发明所涉及的光纤光栅传感系统主要分为以下两个部分：

(1)光纤光栅串的制作