[发明专利]基于监测数据与温度应力分析的大跨钢箱梁桥的总应力计算方法及安全预警方法

权利要求书

1.一种基于监测数据与温度应力分析的大跨钢箱梁桥的结构总应力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过健康监测系统采集到的桥梁的应变与温度：

顶板应变ε_U1,ε_U2,…ε_Ui…ε_Un，底板应变ε_L1,ε_L2,…ε_Li…ε_Ln，顶板温度T_U1,T_U2,…T_Ui…T_Un，底板温度T_L1,T_L2,…T_Li…T_Ln；式中，ε_Ui和ε_Li分别表示第i截面顶板和底板的监测应变数据；T_Ui和T_Li表示第i个截面顶板和底板的监测温度数据；

步骤二、从实测应变中分离出温度应变：

顶板温度应变ε_TU1,ε_TU2,…ε_TUi…ε_TUn，底板温度应变ε_TL1,ε_TL2,…ε_TLi…ε_TLn，以及顶板车载应变ε_VU1,ε_VU2,…ε_VUi…ε_VUn，底板车载应变ε_VL1,ε_VL2,…ε_VLi…ε_VLn；

步骤三、计算钢箱梁上截面上的均匀温度和梯度温度：

截面均匀温度

T_Avgi＝T_Li

其中，T_Avgi表示第i截面的均匀温度；

截面梯度温度

T_yi＝T_Ui-T_Li

其中，T_yi表示第i截面的梯度温度；

步骤四、轴向约束应力计算：

均匀温度产生的无约束变形

δ_T＝αLT_Avgi

其中，δ_T是钢箱梁在均匀温度下产生的轴向变形；α表示钢箱梁材料的膨胀系数；L表示桥梁结构有效跨径；

由实测顶板和底板温度应变计算有轴向约束情况下的变形

${\mathrm{\δ}}_l={\mathrm{\Σ}}_{N=1}^n\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{TUi}+{\mathrm{\ϵ}}_{TLi}}{2}\mathrm{\Δ}l$

其中，δ_l是钢箱梁在有轴向约束下产生的实际变形；n表示传感器布置了n截面；Δl表示按传感器数目将钢箱梁跨径划分为长度，Δl＝L/n；

非线性温度梯度产生的无约束轴向变形

σ_RT(y)＝E·α·T_yi

$N_{Ty}={\∫}_{-h_0/2}^{h_0/2}{\mathrm{\σ}}_{RT}\left(y\right)\·b\left(y\right)dy$

${\mathrm{\ϵ}}_T^N=\frac{N_T}{EA}$

其中，σ_RT(y)表示非线性梯度温度完全转化为的温度应力；N_Ty表示温度应力等效的轴力；表示等效轴力下产生的应变；h₀表示截面上表面距离截面中心轴的距离；b(y)表示截面宽度，且随截面高度变化；A表示截面面积；E表示结构材料的弹性模量；

最后非线性温度梯度产生的无约束轴向变形可以计算为；

${\mathrm{\δ}}_{Ty}={\mathrm{L\ϵ}}_T^N$

轴向约束应力计算

${{\mathrm{\σ}}^{\′}}_N=\frac{E({\mathrm{\δ}}_T+{\mathrm{\δ}}_{Ty}-{\mathrm{\δ}}_l)}{L}$

其中，σ′_N表示钢箱梁的轴向约束应力；

步骤五、弯曲约束应力计算

非线性温度梯度产生的无约束弯曲应变及梁端转角

$M_T={\∫}_{-h_0/2}^{h_0/2}{\mathrm{\σ}}_{RT}\left(y\right)\·b\left(y\right)\·ydy$

${\mathrm{\ϵ}}_T^M=\frac{M_T\·y_0}{EI}$

θ_T＝M_TL/2EI

其中，M_T表示非线性温度梯度产生的温度应力等效为弯矩；表示等效弯矩产生的应变；θ_T表示等效弯矩在无约束状态下产生的梁端转角；EI表示截面抗弯刚度；

由实测顶板和底板温度应变计算梁端的实际转角

${\mathrm{\θ}}_U=\frac{({\mathrm{\ϵ}}_{TUi}-{\mathrm{\ϵ}}_{TLi})L}{2h}$

其中，h表示钢箱梁截面高度；

那么，实际被约束的转角以及与边界约束弯矩的关系表示为

θ′_R＝θ_T-θ_U

${\mathrm{\θ}}_R^{\′}=\frac{M_{S}L}{2EI}$

其中，θ′_R表示被约束住的梁端转角；M_s表示边界约束引起的转动弯矩，那么转动弯矩引起的弯曲约束应力

${{\mathrm{\σ}}^{\′}}_M=\frac{h({\mathrm{\θ}}_T-{\mathrm{\θ}}_U)}{L}$

其中，σ′_M表示转动约束应力；

步骤六、温度自应力计算

${{\mathrm{\σ}}^{\′}}_{SE}\left(y\right)={\mathrm{E\ϵ}}_T^N+{\mathrm{E\ϵ}}_T^M-{\mathrm{\σ}}_{RT}\left(y\right)$

车载应力计算

σ′_V＝Eε_VLi

步骤七、从有限元模型中获取自重应力σ′_G；

步骤八、大跨桥梁在运营期间总应力计算：

σ′_Total＝σ′_N+σ′_M+σ′_V

其中，σ′_Total为总应力。