CN114441120A - 一种列车荷载下高速铁路桥刚度快速评估及损伤识别方法 - Google Patents

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CN114441120A CN202111182581.1A CN202111182581A CN114441120A CN 114441120 A CN114441120 A CN 114441120A CN 202111182581 A CN202111182581 A CN 202111182581A CN 114441120 A CN114441120 A CN 114441120A
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吴必涛
尹祥
林祖才
林泽方
卢华喜
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Abstract

本发明涉及一种列车荷载下高速铁路桥刚度快速评估及损伤识别方法，包括以下步骤：使用若干长标距应变传感器对被监测桥梁进行覆盖；采集列车荷载行驶通过被检测桥梁的长标距应变响应；随机挑选若干样本数据进行分析减小测量误差；对所测得的数据进行求解，提取静态长标距应变信号，得到长标距应变时程曲线；求解所有长标距传感器的长标距应变时程曲线所包围的面积大小，绘制成长标距应变影响线；对所得到的长标距应变影响线进行分析得到桥梁的刚度退化情况。本发明能在不影响运营交通的情况下实现对桥梁刚度退化状况的快速评估，得到桥梁的刚度退化情况，极大提高了监测效率，为桥梁的运营安全提供了保障。

Description

一种列车荷载下高速铁路桥刚度快速评估及损伤识别方法
技术领域
本发明涉及桥梁结构及传感监测技术领域，具体是一种列车荷载下高速铁路桥刚度快速评估及损伤识别方法。
背景技术
高速铁路桥在交通运输***中发挥着重要的作用，其为人们提供安全、舒适、方便的出行条件的同时，由于不断的承受高速列车荷载作用和外界环境的侵害，以及桥梁自身材料性能的不断退化，桥梁结构会出现不同程度的损伤致使其真实的使用年限远小于设计使用年限。因此，开展对既有高速铁路桥梁的健康监测研究显得尤为迫切，维护桥梁健康状况对高铁列车的安全运营至关重要。诸多学者针对此类问题提出了各种方法，但大都是通过测试桥梁振动、位移、应变实现对桥梁进行健康监测，上述方法通常用于大跨径的桥梁，由于健康监测***较贵的安装维护成本在中小跨径的桥梁中研究较少，而铁路桥梁主要以中小跨为主。其中应变影响线理论也被用于结构健康监测，主要包括应变影响线和位移影响线。应变影响线理论首先是用于桥梁的车辆荷载识别，由于传统应变传感器是“点式”测量，测量范围过于局部，并不能获取完整结构的应变，尤其是桥梁这种长跨结构，满布应变计显然不现实，因此应变影响线理论并未运有效用于实际桥梁结构的刚度退化识别和刚度监测。同时在桥梁健康监测领域缺少一种列车荷载下铁路简支桥的刚度及损伤快速评估方法。
因此，一种列车荷载下高速铁路桥刚度快速评估及损伤识别方法亟待研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种列车荷载下高速铁路桥刚度快速评估及损伤识别方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种列车荷载下高速铁路桥刚度快速评估及损伤识别方法，具体包括以下步骤：
1)布置传感器：在被监测桥梁布置若干长标距应变传感器，具体数量视被测桥梁的长度所定；
2)采集数据：采集列车荷载行驶通过被检测桥梁的长标距应变响应；
3)数据分析：随机挑选若干样本数据进行分析减小测量误差，多次监测求取平均值；
4)求解得出准静态应变时程曲线：对所测得的数据进行求解，提取准态长标距应变信号，得到准静态应变时程曲线；
5)求解并构成应变影响线：求解所有长标距传感器的长标距应变时程曲线随时间的积分值大小，构成铁路桥的应变影响线；
6)计算桥梁的刚度退化评估指标；
7)分析得出结果：根据评价指标，对所得到的长标距应变影响线进行分析得到桥梁的刚度退化情况及损伤识别结果；
8)损伤定位和评估：根据评估指标进行损伤定位和损伤量化评估。
作为一种优选方案，适用的铁路桥为混凝土桥、钢桥、预应力和非预应力的铁路桥中的一种。
作为一种优选方案，所述步骤1)中长标距应变传感器的数量视被测桥梁的长度所定。
作为一种优选方案，步骤1)中所述长标距传感器为长标距光纤光栅传感器、长标距的电阻应变传感器中的至少一种。
作为一种优选方案，步骤2)中所述列车荷载为高速列车、普通铁路客车、铁路货车中的至少一种。
作为一种优选方案，评估时，直接采用列车运行荷载进行评估。
本发明优点在于：采用长标距应变传感器获取高速列车通过铁路简支梁桥的长标距应变响应，通过随机挑选若干样本数据进行分析减小测量误差，并对所选样本数据进行求解(小波分解)得到长标距应变时程曲线，再求解所有长标距传感器的长标距应变时程曲线所包围的面积大小，绘制成长标距应变影响线后，对所得到的长标距应变影响线进行分析得到桥梁的刚度退化情况。本发明能够在不影响运营交通的情况下实现对桥梁刚度退化状况的快速评估，得到桥梁的刚度退化情况，极大提高了监测效率，为桥梁的运营安全提供了保障。
附图说明
图1为本发明列车荷载下简支梁应变影响线计算示意图。
图2为本发明列车轴距图。
图3为本发明高铁轨道-桥梁有限元模型示意图。
图4为本发明C0工况下被测段桥梁的长标距应变时程面积。
图5为本发明C0，C1，C2，C3工况下被测段桥梁的长标距应变时程积分值。
图6为本发明C0，C4，C5，C6工况下被测段桥梁的长标距应变时程积分值。
图7为本发明C0，C7，C8，C9工况下被测段桥梁的长标距应变时程积分值。
图8为本发明C0度退，C10，C11，C12工况下被测段桥梁的长标距应变时程积分值。
图9为本发明局部单处刚化程度分析图。
图10为本发明整体刚度退化程度分析图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种列车荷载下铁路简支桥的刚度快速评估方法，包括以下步骤：
S1：在被监测桥梁布置若干长标距应变传感器，具体数量视被测桥梁的长度所定；
S2：采集列车荷载行驶通过被检测桥梁的长标距应变响应；
S3：随机挑选若干样本数据进行分析减小测量误差；
S4：对所测得的数据进行求解(小波分解)，提取静态长标距应变信号，得到长标距应变时程曲线；
S5：求解所有长标距传感器的长标距应变时程曲线所包围的面积大小，绘制成长标距应变影响线；
S6：对所得到的长标距应变影响线进行分析得到桥梁的刚度退化情况。
本发明主要根据应变影响线理论推导出了分布式宏应变影响线理论，在此基础上研究出了一种列车荷载下铁路简支桥的刚度快速评估方法。如图1所示的简支梁高速铁路桥梁，梁全长L，桥梁截面中和轴高度为Y，全梁刚度为EI，假设梁底刚好布满有n个标距为le长标距传感器，列车以速度v行驶于桥梁上。
对于图1所示的简支梁结构，在xi处的应变影响线的公式可表达为：
Figure BDA0003297903910000031
对于第m标段的长标距应变影响线表达式求解，则需对(1)式在(m-1)le≤x≤mle范围内进行积分，即：
Figure BDA0003297903910000032
求解公式(2)得到：
Figure BDA0003297903910000033
上述(2)、(3)公式求解的是单个移动荷载下的第m个传感器标段内的平均应变，由公式(3)可知，当梁的其他参数确定时，在第m个标段内传感器的平均应变与其刚度成负相关，即应变增大其刚度减小。但在实际的铁路桥梁中，作用在桥梁上轮轨接触力的大小、数量、位置是随时间改变，列车轴距如图2所示，假设桥梁处于弹性阶段，则列车总的应变影响线可视作由个单个移动荷载产生的应变影响线叠加而成，通过影响线叠加即可得出列车通过整座桥梁时，第m个标段内传感器的应变影响线，其表达式为：
Figure BDA0003297903910000041
上述(4)式中Lk为轮轨力间距，取值是根据图1的列车轴距(即d1、d2、d3的大小)确定，η为列车轮轨力个数，Pwi为轮轨力，Fwi为轮轨接触力，可根据赫兹公式计算，Mwi为第i个车轮质量。实际情况中，桥梁的长度L决定着列车轮轨力容许个数，因此，η根据实际情况而定。
从式(3)和式(4)可知，当应变传感器的标距le、桥梁长度、简支梁中性轴y确定时，第m标段的应变影响线是与x有关的函数表达式，且在应变影响线中存在最大应变值
Figure BDA0003297903910000042
如图3所示。
当(m-1)le≤x≤mle时，第m标段的应变影响线有最大应变值εm.max，即：
Figure BDA0003297903910000043
式(5)中，Ci是由m决定的常数，而第m标段的应变影响线的最大应变值εm.max的大小由桥梁的弯曲刚度EI以及作用力的大小
Figure BDA0003297903910000044
有关。桥梁由n(1≤m≤n)个传感器进行覆盖，则每个传感器都会出现一个应变最大值，即：
Figure BDA0003297903910000045
当桥梁结构出现局部刚度退化而导致结构局部刚度退化时，覆盖刚度退化处的传感器最大应变值εm.max便会增加，因此，可根据最大应变值的相对变化判断桥梁是否发生刚度退化及刚度退化程度，其刚度退化程度β可表示为：
Figure BDA0003297903910000046
式(6)中，εcm.max为初始状态应变最大值，εsm.max为出现刚度退化后的应变最大值。在实际情况中，桥梁结构的初始状态下应变是难以获知的，对精准判断桥梁结构刚度退化程度带来困难，且应变曲线是随时间连续函数的，选取应变峰值上带来一定的时间误差，为此，选择梁单元的应变时程面积值作为刚度退化程度指标，即通过应变的时间积累效应计算桥梁结构的相对刚度退化程度，即：
Figure BDA0003297903910000047
式中，
Figure BDA0003297903910000048
为第刚度退化单元的应变时程面积值，
Figure BDA0003297903910000049
为刚度退化单元的未形成刚度退化的平均面积值，Am-1(t)和Am+1(t)是刚度退化单元两边的面积值。通过上述公式，计算结构的相对刚度退化程度，以此作为桥梁刚度退化的指标。
通过一个数值模拟结果说明法本法的具体实施方法，本发明方法使用了五跨高铁简支箱梁桥有限元模型，每跨为32m，如图3所示。列车型号为中国高速线路运营的和谐号CRH3型电力动车组，CRH3型电力动车组有8节车厢，列车以平均速度300km/h行驶。选择第三跨桥梁为监测对象。
步骤S1：构建分布式长标距应变监测***。
传感器的数量和标距的选择视桥梁的跨径而定，本方法采用的桥梁跨径为32m，使用21个标距为1.0m的长标距应变传感器对桥梁进行覆盖，编号依次为F1～F21，并使用双通道进行信号传输。
步骤S2：采集所选列车荷载驶过被测桥梁后的长标距应变响应，并求解得到长标距应变时程曲线，所得到的长标距应变时程曲线因所设工况的不同而改变。
步骤S3：求解所有长标距传感器的长标距应变时程曲线积分值，绘制成长标距应变影响线。所得到的长标距应变影响线与步骤S2中所设的工况相对应。具体长标距应变影响线图见图4，图5，图6，图7，图8。
步骤S4：对所得到的长标距应变影响线按本发明中的方法进行分析得到桥梁的刚度退化情况。选取局部的单处刚度退化与整体刚度退化的11号区域为例进行分析。刚度退化程度使用公式(8)进行计算，其中列车300km/h速度下的桥梁未设计刚度退化的长标距应变(工况C0)作为桥梁初始状态，桥梁局部刚度设计降低10％、20％、30％，实际覆盖区域降低5％、10％、15％，即设计刚度退化程度为5％、10％、15％；各工况分析值与工况C0的比值即为结构的相对初始刚度退化程度；通过公式(8)计算得出的刚度退化程度为相对平均刚度退化程度，刚度退化程度分析如图9，图10所示。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种列车荷载下高速铁路桥刚度快速评估及损伤识别方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)布置传感器：在被监测桥梁布置若干长标距应变传感器，具体数量视被测桥梁的长度所定；
2)采集数据：采集列车荷载行驶通过被检测桥梁的长标距应变响应；
3)数据分析：随机挑选若干样本数据进行分析减小测量误差，多次监测求取平均值；
4)求解得出准静态应变时程曲线：对所测得的数据进行求解，提取准态长标距应变信号，得到准静态应变时程曲线；
5)求解并构成应变影响线：求解所有长标距传感器的长标距应变时程曲线随时间的积分值大小，构成铁路桥的应变影响线；
6)计算桥梁的刚度退化评估指标；
7)分析得出结果：根据评价指标，对所得到的长标距应变影响线进行分析得到桥梁的刚度退化情况及损伤识别结果；
8)损伤定位和评估：根据评估指标进行损伤定位和损伤量化评估。
2.根据权利要求1所述的一种列车荷载下高速铁路桥刚度快速评估及损伤识别方法，其特征在于：适用的铁路桥为混凝土桥、钢桥、预应力和非预应力的铁路桥中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种列车荷载下高速铁路桥刚度快速评估及损伤识别方法，其特征在于：所述步骤1)中长标距应变传感器的数量视被测桥梁的长度所定。
4.根据权利要求1所述的一种列车荷载下高速铁路桥刚度快速评估及损伤识别方法，其特征在于：步骤1)中所述长标距传感器为长标距光纤光栅传感器、长标距的电阻应变传感器中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种列车荷载下高速铁路桥刚度快速评估及损伤识别方法，其特征在于：步骤2)中所述列车荷载为高速列车、普通铁路客车、铁路货车中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种列车荷载下高速铁路桥刚度快速评估及损伤识别方法，其特征在于：评估时，直接采用列车运行荷载进行评估。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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