[發(fā)明專利]一種橋梁疲勞狀態(tài)評估方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710227687.6
• 申請日: 2017-04-07
• 公開（公告）號: CN107092735A
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王瑩;鄭宇倩
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務(wù)所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于橋梁狀態(tài)評估領(lǐng)域，涉及一種橋梁疲勞狀態(tài)的評估方法。

背景技術(shù)

近年來，隨著橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、人工檢測或無損探傷等現(xiàn)代化的監(jiān)測檢測手段的發(fā)展，一些大跨度橋梁已得到大量的監(jiān)測、檢測信息，包括橋梁在服役期產(chǎn)生的裂紋、混凝土碳化、鋼筋銹蝕等多類缺陷信息，這些檢測到的缺陷無疑會降低橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性和耐久性。因此，對既有大跨度鋼橋來說，如何基于以上檢測信息，考慮橋梁運營狀態(tài)下疲勞狀態(tài)在時間上的變異性，來進行大跨橋梁疲勞損傷狀態(tài)評估就顯得尤為重要。

另一方面，大跨橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件眾多，連接關(guān)系復(fù)雜，局部危險部位的各類缺陷須借助于數(shù)值模擬方法解決。現(xiàn)行的有限元計算中，數(shù)值模型精度不高，容易給局部應(yīng)力應(yīng)變的計算帶來誤差。而基于大型通用軟件建立的多尺度有限元模型可以有效的用于大跨橋梁的整體大尺度、局部構(gòu)件尺度和焊接細節(jié)的小尺度的應(yīng)力分析。因此，可以利用橋梁精確的多尺度有限元模型和實時監(jiān)測、檢測的數(shù)據(jù)實現(xiàn)對橋梁疲勞狀態(tài)的實時評估。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明提供一種利用橋梁精確的多尺度有限元模型和實時監(jiān)測、檢測的數(shù)據(jù)實現(xiàn)對橋梁進行疲勞狀態(tài)評估的方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明的橋梁疲勞狀態(tài)評估方法，包括如下步驟：

步驟1、基于子模型技術(shù)建立橋梁結(jié)構(gòu)的多尺度有限元模型；

步驟2、基于橋梁檢測信息，量化該橋梁結(jié)構(gòu)在疲勞荷載下產(chǎn)生的裂紋擴展信息和表面缺陷信息；

步驟3、基于步驟2的量化結(jié)果，在所述步驟1中的多尺度有限元模型的子模型上建立微裂紋模型和表面缺陷模型，并進行疲勞加載計算；

步驟4、根據(jù)所述步驟3的計算結(jié)果，利用S-N曲線法評估具有表面缺陷的構(gòu)件的疲勞狀態(tài)和剩余壽命；

步驟5、根據(jù)所述步驟3的計算結(jié)果，利用線彈性斷裂力學(xué)法評估具有裂紋缺陷的構(gòu)件的疲勞狀態(tài)和剩余壽命。

進一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟1的具體步驟為：

(a)建立橋梁的整體模型，用單元特征長度為10⁰m的網(wǎng)格劃分所述整體模型，用一個節(jié)點力來表示車輛荷載，車輛荷載的移動總步數(shù)為該節(jié)點力從橋端節(jié)點移動至橋尾節(jié)點所經(jīng)過的所有節(jié)點的總和，所述車輛荷載的移動總步數(shù)稱為加載步；

(b)將步驟(a)中建立的橋梁模型進行有限元計算，得到車輛移動荷載在橋面上移動時引起的各節(jié)點應(yīng)力變化狀態(tài)，即節(jié)點應(yīng)力時程，并繪制節(jié)點應(yīng)力時程圖；

(c)基于所述步驟(b)得到節(jié)點應(yīng)力時程，確定需要詳細分析的子模型的長度，即子模型的有效加載區(qū)域；

(d)根據(jù)步驟(c)得到的有效加載區(qū)域，建立子模型，并用單位特征長度為10^-3m的網(wǎng)格劃分子模型；

(e)將所述整體模型與子模型進行跨尺度銜接，即保證子模型的約束和受力狀態(tài)與其對應(yīng)整體模型的部分保持一致，最終形成橋梁結(jié)構(gòu)多尺度有限元模型。

進一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟(c)的具體步驟為：

P1)根據(jù)步驟(b)得到的橋梁的節(jié)點應(yīng)力時程圖上最大應(yīng)力與最小應(yīng)力的差值，即應(yīng)力幅的大小，將分析的橋梁結(jié)構(gòu)劃分為受力關(guān)鍵區(qū)域與非關(guān)鍵區(qū)域；

P2)根據(jù)所述步驟P1)選取車輛荷載作用于橋面上引起受力關(guān)鍵區(qū)的應(yīng)力時程發(fā)生顯著變化的長度，從而確定子模型的有效加載區(qū)域。

進一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟P2)的具體內(nèi)容為：

i)根據(jù)所述步驟(a)劃分的整體模型和所述步驟(b)計算得到的節(jié)點應(yīng)力時程，確定受力關(guān)鍵段正中位置節(jié)點的應(yīng)力時程；

ii)在所述步驟i)中確定的受力關(guān)鍵段正中位置節(jié)點的應(yīng)力時程上，選取應(yīng)力幅值的大小是整體應(yīng)力幅的90％或以上的區(qū)域，并記該區(qū)域的加載步為n；

iii)將所述步驟ii)中的加載步n換算成區(qū)域的長度，該長度就是受力關(guān)鍵區(qū)的縱向長度，將確定了縱向長度的受力關(guān)鍵區(qū)域作為子模型的有效加載區(qū)域。

進一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟(e)的具體步驟為：

1)在所述子模型內(nèi)輸入位移約束條件，具體為：根據(jù)整體模型及計算結(jié)果文件，利用插值法計算子模型切割邊界節(jié)點的位移，再將這些數(shù)值用單元形狀功能插值到切割邊界上；

2)在所述子模型內(nèi)輸入力的加載條件，具體為：在子模型上施加整體模型中的移動車載，并將整體模型中拉索對橋面箱梁的索力等效施加在建立的子模型的對應(yīng)段上，最終得到多尺度有限元模型。