[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

说明书

技术领域

本发明涉及土木与交通工程的大跨桥梁监测数据预警领域。

背景技术

桥梁结构的安全预警是一个复杂的研究课题，不仅涉及桥梁领域的专业知识，还涉及到系统科学、管理学、决策学等多门学科，只有将众多最新学科知识综合应用到桥梁结构安全监控领域，才能对桥梁结构的预警问题有更加深入和全面的了解。近年来，在振动模态分析和参数识别基础上的预警方法得到了广泛的研究，但是由于桥梁结构复杂的特性，使得这些技术在应用于大型桥梁结构尚有诸多问题。随着社会信息化的推进及计算机、网络等技术应用的日益广泛，特别是桥梁结构健康监测系统的安装运营，研究高效的桥梁预警系统对于提高桥梁结构的安全运营状况十分必要。

结构应力可以作为预警指标来对大跨桥梁运营状态进行预警。应力就是结构构件某一截面上内力的集度，可以用于判断结构是否因强度不足而破坏。结构应力真实的反应了结构在外部荷载下的受力情况。在大跨桥梁预警系统中，目前工程人员只是将车载应力作用预警指标，并没有完全考虑结构的总应力。其原因在于：大跨桥梁在服役状态下，其结构反应是非常复杂的，而长期监测应变数据的成份更为复杂。车辆荷载引起的应变是较为容易提取的，将车辆荷载应变直接乘以弹性模量就可以得到车载应力，故工程人员习惯用车辆荷载应力作为预警指标。但是，桥梁并非只受到车辆荷载作用，温度荷载的作用是不容忽视的，特别是在大跨桥梁上。此时，结构的应力计算变得更为复杂，而不是简单的用实测应变去乘以弹性模量。比如，江阴大桥在日常运营状态下，其应变监测值可达200με，换成应力大约为42MPa，2014年7月，江阴大桥进行了卡车静载试验，当主梁跨中加载52辆重型卡车(相当于17689kN)时，主梁应变达到156με，应力达到32MPa。从数据计算上来看，江阴大桥在正常运营状态下，主梁服役状态就达到了卡车静载阶段，显然这是不对的。长期监测数据受到了温度荷载的干扰，并且温度荷载作用在主梁上并没有完全转化为应力。也就是说传统应力计算方法不能直接用来解决长期监测数据的，更不能用来预警。

大跨桥梁预警参数和模型很多，主要包括位移/挠度预警、车载应力预警(疲劳预警)、频率预警、能量预警，灰色系统理论预测模型、BP神经网络算法模型、小波包能量谱等等。倪一清等人利用GPS数据对青马大桥进行了预警设定；李兆霞等人利用钢箱梁频率应力进行预警；孙宗光等探讨了应用前馈BP网络(Feed-forward back propagation network)实现新奇检测技术的方法，以结构自振频率作为网络的基本输入，对斜拉桥结构进行了损伤预警的模拟研究。小波包能量谱，丁幼亮等系统的阐述了以小波包能量谱为基础的结构损伤预警方法的理论基础和本质，并开展了Benchemark结构损伤预警的试验研究。

这些预警方法具有以下几点不足：1.传统预警参数(比如结构频率等)容易受到环境引起，特别是温度变化的影响；2.传统预警参数往往都是宏观指标(比如结构挠度)，宏观指标只反映了结构整体状况，事实上，结构区域或构件的损坏是导致结构破坏甚至垮塌的直接原因，这些宏观指标无法反应结构局部特征；3.传统预警方法理论复杂，不易在工程界推广。相比基于结构应力预警来说，其物理概念、力学模型更加清晰，适合于工程人员操作，但是该方法用于大跨桥梁预警还存在如前面所述的一些问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供考虑温度应变对载荷应变影响的精度更好的一种求解大跨桥梁在服役状态下的总应力的方法和将总应力作为评价指标的预警方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

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：