專利名稱：基于概率有限元法的鋼橋疲勞可靠度評估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種基于概率有限元分析的鋼橋疲勞可靠度評估方法，用于評估鋼橋服役過程中在反復(fù)車輛荷載作用下的疲勞可靠度，為了解鋼橋現(xiàn)狀、預(yù)測鋼橋疲勞壽命并及時(shí)采取相應(yīng)加固措施提供參考。
背景技術(shù)：
橋梁鋼結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期內(nèi)將承受車輛、風(fēng)等動(dòng)荷載的循環(huán)應(yīng)力作用，通常在低于其拉伸極限強(qiáng)度的交變荷載的反復(fù)作用下，即會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，并且往往會(huì)在沒有明顯征兆的情況下突然斷裂。此外，由于橋梁結(jié)構(gòu)歷經(jīng)長達(dá)幾十年甚至上百年的服役期，在荷載變化、材料變異、自然災(zāi)害以及人為因素等影響下，不可避免的產(chǎn)生損傷累積，甚至發(fā)生事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。近年來，基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的鋼橋疲勞評估得到了關(guān)注。通過對測點(diǎn)應(yīng)力的采集、統(tǒng)計(jì)和分析，可及早預(yù)見、發(fā)現(xiàn)和確定累積損傷的發(fā)生位置與程度，并對破壞后果的可能性進(jìn)行判斷和預(yù)測，從而為橋梁維護(hù)、維修與管理措施提供依據(jù)，并通過及時(shí)采取措施達(dá)到防止橋梁坍塌、局部破壞，保障和延長橋梁的使用壽命的目的。但是，長期應(yīng)力監(jiān)測的系統(tǒng)成本較高，在我國也僅在部分重大項(xiàng)目上得以應(yīng)用，并不能得到普遍的應(yīng)用。近年來，隨著有限元方法在工程結(jié)構(gòu)分析中的日臻完善和動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)的改進(jìn)和普及，人們逐漸對基于健康監(jiān)測系統(tǒng)以外的鋼橋疲勞評估方法開展了探索。同時(shí)，考慮到疲勞評估中存在著大量的不確定性因素，因此需要通過概率分析和可靠度計(jì)算來體現(xiàn)這一不確定性，本發(fā)明即針對上述問題展開。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題為了克服傳統(tǒng)的基于健康監(jiān)測系統(tǒng)的鋼橋疲勞可靠度評估方法的高成本、高耗時(shí)、測點(diǎn)有限及數(shù)據(jù)龐大且處理繁瑣等不足，本發(fā)明提供了一種全面、準(zhǔn)確、高效的基于概率有限元法的鋼橋疲勞可靠度評估方法，可以對鋼橋整橋及各個(gè)細(xì)節(jié)時(shí)變可靠度進(jìn)行分析，從而了解橋梁的健康狀況及潛在的危險(xiǎn)部位，進(jìn)而指導(dǎo)后續(xù)的橋梁維護(hù)、加固工作。技術(shù)方案本發(fā)明的基于概率有限元法的鋼橋疲勞可靠度評估方法所采用的技術(shù)方案是
第一步在目標(biāo)橋梁上布置動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)WIM，統(tǒng)計(jì)某一時(shí)段內(nèi)通行車輛信息并歸納整理，建立車輛荷載模型，即車型、車道分布、各車型的各個(gè)軸重和軸距的統(tǒng)計(jì)模型；
第二步按照橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，針對待評估的細(xì)節(jié)，建立該橋的三維有限元計(jì)算模型，并對待評估的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行精細(xì)分割；
第三步基于第一步所建立的車輛荷載模型，進(jìn)行隨機(jī)車輛的抽樣，對第二步所建立模型進(jìn)行加載并獲得待評估細(xì)節(jié)在該次加載下的應(yīng)力時(shí)程數(shù)據(jù)，得到其應(yīng)力幅和單車產(chǎn)生的應(yīng)力循環(huán)數(shù)目；
3第四步重復(fù)加載A次，得到A次加載下的應(yīng)力幅，對應(yīng)力幅進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到一個(gè)等效應(yīng)力幅&^ ；
第五步重復(fù)第四步J·次，得到j(luò)個(gè)Sre，對這些Sre進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用概率密度函數(shù) (如正態(tài)分布概率密度函數(shù)、對數(shù)正態(tài)分布概率密度函數(shù))擬合其分布，得到Sre和單車產(chǎn)生的應(yīng)力循環(huán)數(shù)目ΛΓ的分布參數(shù)(概率密度函數(shù)的類型、均值、方差)；
第六步應(yīng)用基于S-N曲線的疲勞可靠度評估方法(公式1)對該細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞可靠度計(jì)算，在不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行疲勞可靠度計(jì)算，獲得各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的可靠度指標(biāo)，即時(shí)變可靠度， 通過與目標(biāo)可靠度的比較，確定后續(xù)的加固維護(hù)策略。第一步中的車輛荷載模型包括以下隨機(jī)變量的一個(gè)或若干個(gè)按軸數(shù)劃的分車輛類型、各類型車輛在不同車道的分布比例、各類型車輛的各軸軸重、各軸軸距、車距或多車道占用系數(shù)。第三步隨機(jī)車輛的抽樣采用蒙特卡洛抽樣Monte Carlo sampling、拉丁超立方體抽樣Latin Hypercube sampling或重要性抽樣。第六步中疲勞可靠度計(jì)算(公式(1))中的隨機(jī)變量是以下變量的一種或幾種=Miner臨界破壞累積指標(biāo)△、測量誤差思、疲勞細(xì)節(jié)系數(shù)A、動(dòng)力放大系數(shù)DLA、有效應(yīng)力幅Sre、單車應(yīng)力循環(huán)數(shù)目NC。有益效果采用本申請的“鋼橋疲勞可靠度評估的概率有限元法”后，可大大減少鋼橋疲勞度可靠度評估的成本及評估周期，并可實(shí)現(xiàn)整橋各個(gè)部位的疲勞狀況分析，本方法具有以下優(yōu)點(diǎn) 1、WIM動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)相對健康監(jiān)測系統(tǒng)成本較低，且布置簡單，車輛數(shù)據(jù)相對應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取較易。2、橋梁模型各個(gè)部位的應(yīng)力數(shù)據(jù)均可獲得，解決了健康監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)有限、對應(yīng)變片精度要求較高、維護(hù)繁瑣、測點(diǎn)選取過于主觀等問題。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式進(jìn)一步對本發(fā)明進(jìn)行說明。圖1為鋼橋橫截面圖2從WIM獲得的車輛軸重統(tǒng)計(jì)；
圖3從WIM獲得的車輛軸距統(tǒng)計(jì)；
圖4為待評估的連接細(xì)節(jié)；
圖5為橋梁整體有限元圖6為橋梁評估細(xì)節(jié)的局部有限元圖7由概率有限元計(jì)算得到的有效應(yīng)力幅&^的統(tǒng)計(jì)分布；
圖8由概率有限元計(jì)算得到的單車產(chǎn)生的應(yīng)力循環(huán)數(shù)目ΛΓ的統(tǒng)計(jì)分布；
圖9概率有限元分析中的數(shù)據(jù)流向；
圖10為典型的時(shí)變疲勞可靠度計(jì)算結(jié)果。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的基于概率有限元法的鋼橋疲勞可靠度評估方法主要由車輛統(tǒng)計(jì)、有限元建模、編程加載以及數(shù)據(jù)處理分析等四個(gè)部分。以某服役鋼橋一跨為例(其橫截面參見圖1)，實(shí)施步驟如下
第一步在目標(biāo)橋梁上布置WIM動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)某一時(shí)段內(nèi)通行車輛信息并歸納整理，如圖2和圖3所示。第二步按照橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，針對待評估的細(xì)節(jié)(圖4)，建立該橋的三維有限元計(jì)算模型(圖5)，并對待評估的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行精細(xì)分割(圖6)，為后續(xù)編程加載做準(zhǔn)備。第三步利用第一步獲得車輛數(shù)據(jù)，編制隨機(jī)抽樣程序，生成隨機(jī)車輛，對第二步所建立模型進(jìn)行加載并獲得研究細(xì)節(jié)在該次加載下的應(yīng)力時(shí)程數(shù)據(jù)，得到其應(yīng)力幅。第四步重復(fù)加載A次，得到η次加載下的應(yīng)力幅，對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到一個(gè)等效應(yīng)力幅&^。第五步重復(fù)第四步J次，得到j(luò)個(gè)Sre，對這些Sre進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用適當(dāng)?shù)母怕拭芏群瘮?shù)擬合其分布，得到Sre和單車產(chǎn)生的應(yīng)力循環(huán)數(shù)目NC的分布參數(shù)(均值和方差等， 如圖7、8所示)。上述過程中的數(shù)據(jù)流向如圖9所示。第六步應(yīng)用基于S-N曲線的疲勞可靠度評估方法對該細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞可靠度分析 (如圖10所示)，其中疲勞可靠度指標(biāo)
權(quán)利要求
1.一種基于概率有限元法的鋼橋疲勞可靠度評估方法，其特征在于該方法包含以下步驟第一步在目標(biāo)橋梁上布置動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)WIM，統(tǒng)計(jì)某一時(shí)段內(nèi)通行車輛信息并歸納整理，建立車輛荷載模型，即車型、車道分布、各車型的各個(gè)軸重和軸距的統(tǒng)計(jì)模型；第二步按照橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，針對待評估的細(xì)節(jié)，建立該橋的三維有限元計(jì)算模型，并對待評估的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行精細(xì)分割；第三步基于第一步所建立的車輛荷載模型，進(jìn)行隨機(jī)車輛的抽樣，對第二步所建立模型進(jìn)行加載并獲得待評估細(xì)節(jié)在該次加載下的應(yīng)力時(shí)程數(shù)據(jù)，得到其應(yīng)力幅和單車產(chǎn)生的應(yīng)力循環(huán)數(shù)目；第四步重復(fù)加載A次，得到A次加載下的應(yīng)力幅，對應(yīng)力幅進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到一個(gè)等效應(yīng)力幅&^ ；第五步重復(fù)第四步J·次，得到j(luò)個(gè)Sre，對這些Sre進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用概率密度函數(shù)擬合其分布，得到Sre和單車產(chǎn)生的應(yīng)力循環(huán)數(shù)目NC的分布參數(shù)；第六步應(yīng)用基于S-N曲線的疲勞可靠度評估方法，對該細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞可靠度計(jì)算，在不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行疲勞可靠度計(jì)算，獲得各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的可靠度指標(biāo)，即時(shí)變可靠度，通過與目標(biāo)可靠度的比較，確定后續(xù)的加固維護(hù)策略。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于概率有限元法的鋼橋疲勞可靠度評估方法，其特征在于第一步中的車輛荷載模型包括以下隨機(jī)變量的一個(gè)或若干個(gè)按軸數(shù)劃的分車輛類型、各類型車輛在不同車道的分布比例、各類型車輛的各軸軸重、各軸軸距、車距或多車道占用系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于概率有限元法的鋼橋疲勞可靠度評估方法，其特征在于第三步隨機(jī)車輛的抽樣采用蒙特卡洛抽樣Monte Carlo sampling、拉丁超立方體抽樣 Latin Hypercube sampling 或重要性抽樣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于概率有限元法的鋼橋疲勞可靠度評估方法，其特征在于第六步中疲勞可靠度計(jì)算中的隨機(jī)變量是以下變量的一種或幾種=Miner臨界破壞累積指標(biāo)Δ、測量誤差e、疲勞細(xì)節(jié)系數(shù)A、 動(dòng)力放大系數(shù)DLA、有效應(yīng)力幅Sre、單車應(yīng)力循環(huán)數(shù)目NC。
全文摘要
基于概率有限元法的鋼橋疲勞可靠度評估方法是一種結(jié)合車輛的動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)(WIM)和概率有限元分析的疲勞可靠度評估方法，針對橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的成本較高以及應(yīng)變測點(diǎn)布置的局限性，利用實(shí)測的WIM數(shù)據(jù)，對車輛荷載進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了車輛類型、車道分布、軸重、軸距的概率分布模型。然后利用有限元分析軟件建立橋梁的數(shù)值模型。編制概率有限元程序，通過抽樣、加載和有限元分析，提取關(guān)鍵部位在隨機(jī)車輛荷載作用下的應(yīng)力幅和應(yīng)力循環(huán)數(shù)目，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行疲勞可靠度計(jì)算，并對評估部位在后續(xù)使用過程中的可靠度衰減趨勢進(jìn)行預(yù)測。該方法為復(fù)雜鋼橋細(xì)節(jié)的精細(xì)化疲勞評估提供了一種可行的分析工具。
文檔編號G01M99/00GK102384856SQ201110232789
公開日2012年3月21日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者郭彤, 陳宇文 申請人:東南大學(xué)