CN113533502B - 一种轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法，其包括以下步骤：S1、利用有限元法确定最不利栓钉的截面位置；S2、在上翼缘板的底面标记最不利栓钉的位置；S3、在最不利栓钉的截面位置处，在腹板上布置多个应变片；S4：在组合结构桥梁上加载载荷，根据多个应变片的测量值确定应变花的布置位置；S5、在列车运行过程中，持续对应变片进行测量并计算出最不利栓钉的疲劳剪应力谱；S6、计算疲劳循环次数N，日均疲劳循环次数Nd和疲劳破坏需要的时间T，并最终确定检测间隔时间p；S7、隔p年后对最不利栓钉进行超声波探伤，确定是否发生损伤。利用本方法能够在保证栓钉安全的前提下降低了栓钉疲劳损伤的检测成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法。
背景技术
轨道交通具有经济性、准时性和环保性，其已成为城市中的主要出行方式，而一旦轨道交通中断，将造成巨大的经济和社会损失。栓钉组合结构简支梁的跨度在30～60m，适用于轨道交通线路跨越城市道路，其安全性对于轨道交通安全运营无比重要。
目前，钢-混凝土组合梁的疲劳问题已经开始引起人们的重视，国内外有关钢-混凝土组合梁疲劳的试验研究、计算方法以及相应规范进行取得了很多成果。但对于在用桥梁中的栓钉断裂的检测方法则始终未见报道，对此类在用桥梁留下了安全隐患。
现行的钢结构疲劳检测方法包括超声探伤法、漏磁法、渗透法、X光照相法等，其中漏磁法和渗透法只能检测表面裂纹，不能检测埋藏裂纹。X光照相法和超声探伤法能够检测内部损伤，但X射线法存在放射危险，不适合在城市人群较密集区域实施。另外，组合梁桥的混凝土板过厚，对检测精度也有影响。超声探伤法是目前看来最可行的方法，但由于疲劳寿命的离散性较高，而超声探伤的检测成本高，不可能持续用于疲劳监测，只能隔一段时间检测一次。目前，如何在保证栓钉疲劳寿命的情况下，科学控制栓钉损伤的检测周期是节省检测成本，保证轨道交通安全的重要问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的检测周期无法准确确定缺陷，提供一种轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法，所述组合结构桥梁包括具有上翼缘板、下翼缘板和腹板的工字型钢结构，所述栓钉固定于所述上翼缘板的顶面，所述上翼缘板的上方浇筑有混凝土层，所述栓钉位于所述混凝土层内，其特点在于，所述轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法包括以下步骤：
S1、在所述组合结构桥梁设计完成后，利用有限元法确定最不利栓钉的截面位置；
S2、在浇筑所述混凝土层前，在所述上翼缘板的底面标记所述最不利栓钉的位置；
S3、完成所述混凝土层浇筑后，在所述最不利栓钉的截面位置处，沿竖直方向在所述腹板上布置多个应变片；
S4、在所述组合结构桥梁上加载载荷，根据多个所述应变片的测量值确定应变花的布置位置；
S5、在列车在所述组合结构桥梁上运行过程中，持续对所述应变片进行测量并根据所述应变花的测量结果计算出所述最不利栓钉承受的剪应力并得到所述最不利栓钉的疲劳剪应力谱；
S6、采用迭代法计算所述最不利栓钉疲劳裂纹扩展需要的疲劳循环次数N，根据疲劳循环次数N以及由疲劳剪应力谱算得的日均疲劳循环次数Nd计算所述最不利栓钉疲劳破坏需要的时间T，并最终确定所述最不利栓钉的检测间隔时间p；
S7、隔p年后应根据所述上翼缘板底部的标记对所述最不利栓钉进行超声波探伤，确定所述最不利栓钉是否发生损伤；若所述最不利栓钉完好，则重复所述步骤S5、S6。
较佳地，所述步骤S1具体包括以下过程：
建立所述组合结构桥梁的有限元模型，其中工字型钢结构用壳单元建模，混凝土层部分用实体单元建模；
建立有限元模型中钢板弹性模量采用钢材的实测值，混凝土弹性模量采用规范提供的设计值；
以单位力加载在所述组合结构桥梁中心线上，记录各个钢-混凝土的共用节点上顺桥向的剪应力；每次加载后，将单位力移动单位距离，重复计算，记录各共用节点的顺桥向剪力，处理以上信息得到各个共用节点的剪力影响线；
建立模拟列车荷载，将车厢模型沿各节点的所述剪力影响线移动，计算有此产生的剪应力的应力历程；再采用雨流计数法将剪应力的所述应力历程转换为剪应力的疲劳应力谱，按设计规范计算每种应力谱造成的疲劳损伤；与最大的疲劳损伤对应的那个钢-混凝***用节点所在截面为钢-混凝土组合结构梁的剪力最不利截面，从而确定所述最不利栓钉的位置。
较佳地，所述剪力最不利截面前后0.5m范围内的所有栓钉为所述组合结构桥梁的所述最不利栓钉。
较佳地，所述步骤S2具体包括以下过程：从所述上翼缘板的顶面的所述最不利栓钉的轴心位置出发，绘制相互垂直的标记线并将所述标记线延伸至所述上翼缘板的底面，所述标记线的交叉位置即为所述最不利栓钉在所述的上翼缘板的底面上的轴心位置。
较佳地，所述标记线间隔绘制，所述标记线的线端距离所述最不利栓钉的边缘的距离不得少于50mm。
较佳地，在所述步骤S3中，所述应变片应等间距布置，且距离所述上翼缘板和所述下翼缘板的距离不小于50mm。
较佳地，在所述步骤S4中，根据所述应变片的测量值绘制正应力测量结果图，通过最小二乘法拟合，由测量数据找到所述组合结构桥梁的中性轴，所述中性轴和所述最不利栓钉的截面位置的交点就是用于进行剪力监测的所述应变花位置。
较佳地，在步骤S5中，所述列车来车时将所述应变花调零，并开始测量，待所述列车离开后停止测量，反复持续测量3天。
较佳地，在步骤S6中，确定所述最不利栓钉的检测间隔时间p时，考虑2.0的安全系数，即考虑超声探伤的漏检率为50％。
较佳地，在步骤S7中，当超声探伤仪上显示出缺陷信号，且缺陷到探头的距离约等于所述上翼缘板的板厚时，说明所述最不利栓钉出现了疲劳裂纹，即将失效。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：利用本方法能够准确计算出轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的检测周期，从而在保证栓钉安全的前提下降低了栓钉疲劳损伤的检测成本。
附图说明
图1为本发明优选实施例中上翼缘板的底面的示意图。
图2为本发明优选实施例中组合结构桥梁的结构示意图。
附图标记说明：
上翼缘板 10
下翼缘板 20
腹板 30
混凝土层 40
最不利栓钉 50
标记线 60
应变片 70
应变花 80
正应力测量结果图 90
中性轴 100
剪力最不利截面 110
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本方法包括以下步骤：
1、在组合结构桥梁设计完成后，确定最不利栓钉50测点的位置，其方法包括：
(1)建立组合结构桥梁的有限元模型，其中工字型钢结构用壳单元建模，混凝土层40部分用实体单元建模。
(2)建立有限元模型中钢板弹性模量采用钢材的实测值，混凝土弹性模量采用规范提供的设计值。按照支座的实际位置对有限元模型设置约束。
(3)以单位力加载在组合结构桥梁中心线上，记录各个钢-混凝土的共用节点上顺桥向的剪应力；每次加载后，将单位力移动单位距离，重复计算，记录各共用节点的顺桥向剪力；处理以上信息得到各个共用节点的剪力影响线。
(4)建立模拟列车荷载，将列车模型沿各节点的剪力影响线移动，计算有此产生的剪应力的应力历程。再采用雨流计数法将剪应力的应力历程转换为剪应力的疲劳应力谱。按设计规范计算每种应力谱造成的疲劳损伤。与最大的疲劳损伤对应的那个钢-混凝***用节点所在截面为组合结构桥梁的剪力最不利截面110。考虑到疲劳损伤的不确定性，需要多考虑一些栓钉的疲劳问题，因此需要将最不利位置前后各两排的栓钉也纳入考虑中去。本方案中，剪力最不利截面110前后0.5m范围内的所有栓钉就是组合结构桥梁上的最不利栓钉50。
2、如图1所示，在浇筑混凝土层40前，在上翼缘板10的底面采用标记线60标记最不利栓钉50的位置。从上翼缘板10的顶面的最不利栓钉50的轴心位置出发，绘制相互垂直的标记线60并将标记线60延伸至上翼缘板10的底面，标记线60的交叉位置即为最不利栓钉50在的上翼缘板10的底面上的轴心位置。本方案中采用黑色面漆绘制标记线60，线粗为1mm。标记线60的线端到最不利栓钉50的边缘(虚线处)的距离不得少于50mm。标记处间隔绘制、不相交，能够为后续超声探测空出探头位置，探头可直接接触到下翼缘板20的底面，不再需要打磨标记线60的油漆。空开50mm，是考虑了探测栓钉裂纹的直探头的直径。
3、在浇筑好混凝土并完成混凝土的养生后，如图2所示，在最不利栓钉50的截面位置处，沿竖直方向在腹板30上布置5个应变片70，应变片70等间距布置，且距离上翼缘板10和下翼缘板20的距离不小于50mm。空开50mm是考虑腹板30的板厚一般有14～20mm，与上翼缘板10和下翼缘板20保持一定距离，一方面容易贴应变片70(操作不会受到空间阻挡)，另一方面可以避免腹板30与上翼缘板10、下翼缘板20之间焊缝导致的应力集中的干扰。
在组合结构桥梁的跨中加载荷载，并测量5个应变片70的读数值，绘制正应力测量结果图90。通过最小二乘法拟合，由测量数据找到组合结构桥梁的中性轴100。中性轴100和最不利栓钉50的截面的交点就是用于进行剪力监测的应变花80的粘贴位置。
本方案中，将应变花80放在中性轴100的好处有两点：一是中性轴100上的剪应力最大，在应变片70误差相同的条件下，该处的测量结果最精确；二是剪应力在中性轴100处对高度坐标的导数最小，即使应变片70贴错位1cm，相对测量误差也不会大于0.5％。
4、在组合结构桥正式运营，且列车运营达到稳定后，对应变花80进行持续三天的应力监测。本方案中，考虑到应变花80的漂移问题(应变花80用于长期测量时，由于粘帖应变花80的胶发生化学变异或物理松弛，会使得测量误差变大，导致测量结果向某个方向逐渐偏离。)，实际是发现来车时将应变花80调零，并开始测量，车辆离开后停止测量。
5、由于在同一截面上，不同高度处剪应力的大小只与截面形状有关，因此可以由中性轴100处应变花80的测量结果，结合材料力学理论算出最不利栓钉50承受的剪应力。
6、由持续三天的应变花80测量结果可以得到持续三天的最不利栓钉50的剪应力。采用雨流法对这些实测剪应力进行处理，可以得到最不利栓钉50的疲劳剪应力谱。
7、基于以下公式，采用迭代法计算最不利栓钉50疲劳裂纹扩展需要的疲劳循环次数N。
公式中各参数的计算如下表。
表1疲劳循环次数N的计算参数
8、根据疲劳循环次数N以及由应力谱算得的日均疲劳循环次数Nd计算最不利栓钉50疲劳破坏需要的时间T(即最不利栓钉50的疲劳寿命，单位：天)。
考虑2.0的安全系数(即考虑超声探伤的漏检率为50％)，确定最不利栓钉50的检测间隔p(单位：年)。
9、隔p年应根据上翼缘板10的底面的标记对最不利栓钉50进行超声波探伤。探伤采用直探头。当超声探伤仪上显示出缺陷信号，且缺陷到探头的距离约等于上翼缘板10的板厚时，说明最不利栓钉50中出现了疲劳裂纹，即将失效。
10、若最不利栓钉50完好则在探伤后，应回复到第4步。(考虑到应变花80漂移的问题，应铲除原应变花80后原位重新贴片形成应变花80。)
通过以上步骤的监测方法能够推测最不利栓钉50的剩余使用寿命，并根据剩余使用寿命在一定的保证率下设定最不利栓钉50下次监测的时间间隔，避免了频繁检测最不利栓钉50产生的相关费用，还避免了检测过程中占据桥下道路所带来的经济损失和社会影响。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法，所述组合结构桥梁包括具有上翼缘板、下翼缘板和腹板的工字型钢结构，所述栓钉固定于所述上翼缘板的顶面，所述上翼缘板的上方浇筑有混凝土层，所述栓钉位于所述混凝土层内，其特征在于，所述轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法包括以下步骤：
S1、在所述组合结构桥梁设计完成后，利用有限元法确定最不利栓钉的截面位置；
S2、在浇筑所述混凝土层前，在所述上翼缘板的底面标记所述最不利栓钉的位置；
S3、完成所述混凝土层浇筑后，在所述最不利栓钉的截面位置处，沿竖直方向在所述腹板上布置多个应变片；
S4、在所述组合结构桥梁上加载载荷，根据多个所述应变片的测量值确定应变花的布置位置；
S5、在列车在所述组合结构桥梁上运行过程中，持续对所述应变片进行测量并根据所述应变花的测量结果计算出所述最不利栓钉承受的剪应力并得到所述最不利栓钉的疲劳剪应力谱；
S6、采用迭代法计算所述最不利栓钉疲劳裂纹扩展需要的疲劳循环次数N，根据疲劳循环次数N以及由疲劳剪应力谱算得的日均疲劳循环次数Nd计算所述最不利栓钉疲劳破坏需要的时间T，并最终确定所述最不利栓钉的检测间隔时间p；
S7、隔p年后应根据所述上翼缘板底部的标记对所述最不利栓钉进行超声波探伤，确定所述最不利栓钉是否发生损伤；若所述最不利栓钉完好，则重复所述步骤S5、S6。
2.如权利要求1所述的一种轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下过程：
建立所述组合结构桥梁的有限元模型，其中工字型钢结构用壳单元建模，混凝土层部分用实体单元建模；
建立有限元模型中钢板弹性模量采用钢材的实测值，混凝土弹性模量采用规范提供的设计值；
以单位力加载在所述组合结构桥梁中心线上，记录各个钢-混凝土的共用节点上顺桥向的剪应力；每次加载后，将单位力移动单位距离，重复计算，记录各共用节点的顺桥向剪力，处理以上信息得到各个共用节点的剪力影响线；
建立模拟列车荷载，将车厢模型沿各节点的所述剪力影响线移动，计算有此产生的剪应力的应力历程；再采用雨流计数法将剪应力的所述应力历程转换为剪应力的疲劳应力谱，按设计规范计算每种应力谱造成的疲劳损伤；与最大的疲劳损伤对应的那个钢-混凝***用节点所在截面为钢-混凝土组合结构梁的剪力最不利截面，从而确定所述最不利栓钉的位置。
3.如权利要求2所述的一种轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法，其特征在于，所述剪力最不利截面前后0.5m范围内的所有栓钉为所述组合结构桥梁的所述最不利栓钉。
4.如权利要求1所述的一种轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下过程：从所述上翼缘板的顶面的所述最不利栓钉的轴心位置出发，绘制相互垂直的标记线并将所述标记线延伸至所述上翼缘板的底面，所述标记线的交叉位置即为所述最不利栓钉在所述的上翼缘板的底面上的轴心位置。
5.如权利要求4所述的一种轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法，其特征在于，所述标记线间隔绘制，所述标记线的线端距离所述最不利栓钉的边缘的距离不得少于50mm。
6.如权利要求1所述的一种轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述应变片应等间距布置，且距离所述上翼缘板和所述下翼缘板的距离不小于50mm。
7.如权利要求1所述的一种轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法，其特征在于，在所述步骤S4中，根据所述应变片的测量值绘制正应力测量结果图，通过最小二乘法拟合，由测量数据找到所述组合结构桥梁的中性轴，所述中性轴和所述最不利栓钉的截面位置的交点就是用于进行剪力监测的所述应变花位置。
8.如权利要求1所述的一种轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法，其特征在于，在步骤S5中，所述列车来车时将所述应变花调零，并开始测量，待所述列车离开后停止测量，反复持续测量3天。
9.如权利要求1所述的一种轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法，其特征在于，在步骤S6中，确定所述最不利栓钉的检测间隔时间p时，考虑2.0的安全系数，即考虑超声探伤的漏检率为50％。
10.如权利要求1所述的一种轨道交通组合结构桥梁中栓钉疲劳损伤的长期监测方法，其特征在于，在步骤S7中，当超声探伤仪上显示出缺陷信号，且缺陷到探头的距离约等于所述上翼缘板的板厚时，说明所述最不利栓钉出现了疲劳裂纹，即将失效。
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