【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种桥梁结构局部损伤的量化及评估方法；属于土木工程应用。
技术介绍
1、我国桥梁事业在经历大举建设之后已进入漫长的运维管养阶段，随着桥梁的老化和服役时间的增加，局部损伤和性能退化成为普遍存在的问题。这种退化会大大降低桥梁的性能，而交通运输对桥梁承载力的需求呈现只增不减的趋势。因此，对桥梁局部损伤进行识别和评估对于保障桥梁结构安全性和提供有效的维护措施具有重要意义。
2、目前国内、外研究人员对于桥梁结构损伤检测的研究共分为四个层面：(1)识别损伤，(2)检测损伤位置，(3)量化损伤程度，(4)损伤影响评估。相关的损伤检测方法包括：基于模态参数及其衍生指标的损伤识别方法；基于时频分析的损伤识别方法；结合有限元模型更新的损伤识别方法；以及最近发展起来的基于桥梁实际影响线或移动荷载作用下动力响应的损伤检测方法。上述方法一般通过比较损伤前、后的桥梁结构特征参数或其它特征参数的变化，以此来定位和量化损伤。其大多数方法可较好实现损伤定位，一些研究通过将局部损伤假设为刚度均匀折减模式，并假定损伤区长度后，识别损伤区刚度均匀折减系数达到量化目的。然而，关于损伤检测的第(4)层面，即对桥梁局部损伤的影响评估研究则鲜有涉及。
3、如何合理地描述损伤引起的局部刚度降低是损伤检测和评估中的一个关键问题，也是一个被忽视的问题。目前的损伤描述方法针对不同损伤形式提出了相应的描述模型，主要包括：刚度均匀折减模型、三角形(近似三角形)刚度折减模型和离散弹簧模式(如图2)。
4、1.刚度均匀折减模型
5
6、但刚度均匀折减模式一般与实际桥梁结构的损伤形式不符，且需假设损伤区域长度为已知量方可进行损伤程度量化。总体而言，这种损伤量化描述方法一般局限于桥梁损伤问题的数值计算或模型试验研究。
7、2.三角形或近似三角形刚度折减模型
8、当桥梁结构局部损伤为裂缝形式时，应力在裂缝尖端集中，邻近裂缝两侧的材料处于无应力状态，对截面刚度的贡献很小。既有研究中有采用三角形或近似三角形模型来描述局部损伤区域截面刚度折减分布规律。对于三角形刚度折减模型，损伤区域内梁的抗弯刚度ei(x)如式(1)所示。
9、
10、其中：e为桥梁材料的弹性模量，i0为梁截面初始惯性矩，icj为第j个损伤段内按三角形分布线性插值折减的截面惯性矩值；x描述局部损伤区域内截面位置，xj为损伤区中心位置(即裂缝位置)，xj1、xj2分别为损伤区起点和、终点截面位置。
11、对于近似三角形刚度折减模型，损伤区域内梁抗弯刚度ei(x)如式(2)所示。
12、
13、
14、其中：e为桥梁材料的弹性模量，i0为梁截面初始惯性矩；x描述局部损伤区域内截面位置，xj为损伤区中心位置(即裂缝位置)；d为裂缝深度，id为裂缝处截面惯性矩；α为描述近似三角形形状的经验参数，一般取值为2/3。
15、这两类模型通过形状函数描述桥梁裂缝两侧区域截面抗弯刚度的变化，其裂缝所在位置的截面刚度及损伤区域范围与裂缝深度相关。这类损伤描述模型主要适合于均质材料梁体的裂缝形式局部损伤，而对于实际钢筋混凝土桥梁由裂缝导致的截面刚度变化往往比较复杂，用三角形或近似三角形刚度折减模型仍而难以准确描述。
16、3.离散弹簧模式
17、离散弹簧是描述裂缝形式损伤的另一种模式，这种方法在裂缝发生的地方引入一个离散弹簧来描述裂缝处两截面的相对转动问题(即裂开)，并提出关于弹簧刚度量化计算的经验公式。对于矩形截面均质材料梁结构的裂缝形式损伤，其裂缝处离散弹簧刚度与裂缝深度d和截面高度h的比值(ξ＝d/h)有关，根据经验公式(公式(4)和公式(5))来计算离散弹簧刚度k。
18、
19、f(ξ)＝1.8624ξ2-3.95ξ3+16.37ξ4-37.226ξ5+76.81ξ6-126.9ξ7+172ξ8-43.97ξ9+66.56ξ10
20、 (5)
21、其中：e为桥梁材料的弹性模量，i0为梁截面初始惯性矩；ξ＝d/h，为裂缝深度和截面高度之比值；d为裂缝深度，h为和截面高度。
22、离散弹簧模式采用经验公式计算桥梁裂缝处截面开裂等效的弹性变形刚度，该变形刚度值与裂缝深度和截面高度之比值ξ＝d/h密切关联，该方法仅适用于描述均质材料均匀开裂形式的局部损伤。
23、总体而言，现有的损伤描述模型均基于特定的假设，且应用范围有限，无法用于描述更复杂的一般形式的损伤。当桥梁结构的实际损伤与这些理想损伤形式不匹配时，现有方法很难准确量化描述。
技术实现思路
1、本专利技术综合考虑损伤区域长度的未知性和刚度折减形式的不规则性，创新性的提出了一种用于量化结构尤其是桥梁局部损伤的附加弹簧模型，并结合基于影响线的损伤检测方法，确定局部损伤位置以及由损伤引起的附加弹簧刚度，基于附加弹簧刚度值及其变化对桥梁结构进行损伤量化。同时，提出局部刚度衰减指数和挠度增长率来评估局部损伤的影响。
2、本专利技术一种桥梁结构局部损伤的量化及评估方法，包括下述步骤：
3、用附加弹簧模型对桥梁结构局部损伤进行量化，其中附加弹簧模型中附加刚度为kd；基于附加刚度kd绝对值构建提出一个整体刚度衰减相对指数，记为β，β的定义如下：将单位力偶作用下局部损伤引起的转角增量与全梁两端相对转角之比定义为整体刚度衰减指数β；利用整体刚度衰减指数β来评估局部损伤对桥梁结构承载能力的影响；
4、所述kd的表达式为：
5、
6、其中：ei0表示未损时截面抗弯刚度；ei(x)表示损伤区内x截面抗弯刚度；ls表示损伤区位置，一般指损伤区域中心到桥梁一端a1的距离；δ为损伤区域长度；x表示损伤区位置，一般指截面到桥梁一端a1的距离；
7、所述β具体定义如下：
8、在一对单位力偶作用下，全梁两端的转角为θ'0；ab段未损伤时转角为θ0，损伤后转角为θs(如图4所示)，则由于损坏引起的旋转增量为θd＝θs-θ0。整体刚度衰减指数β是θd与θ'0的比值，如等式(14a)所示，
9、
10、将其与等式(7)联立，分子为1/kd，如等式(14b)所示，
11、
12、指数β作为无量纲参数，是一个不同于参数kd的相对指数，它可以直接反映梁的损伤程度。它不仅考虑了损伤区刚度的变化，还涵括了桥梁全长与损伤区域长度之间的关系。
13、指数β可以通过梁未损伤时的弯曲刚度和附加弹簧刚度计算得到；本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种桥梁结构局部损伤的量化及评估方法，其特征在于：用附加弹簧模型对桥梁结构局部损伤进行量化，其中附加弹簧模型中附加刚度为Kd；基于附加刚度Kd绝对值构建提出一个整体刚度衰减相对指数，记为β，β的定义如下：将单位力偶作用下局部损伤引起的转角增量与全梁两端相对转角之比定义为整体刚度衰减指数β；利用整体刚度衰减指数β来评估局部损伤对桥梁结构承载能力的影响；
2.根据权利要求1所述的一种桥梁结构局部损伤的量化及评估方法，其特征在于：包括下述步骤：
3.根据权利要求1所述的一种桥梁结构局部损伤的量化及评估方法，其特征在于：ζ1是与损伤位置、桥长相关的基函数，其通过DIL和基函数ζ0差值的局部峰值定位损伤点位置。
4.根据权利要求1所述的一种桥梁结构局部损伤的量化及评估方法，其特征在于：对于局部损伤量化描述方法将刚度变化和影响范围等复杂参数合并到单个标量中进行表征，对于实际桥梁结构的损伤识别过程时无需假定具体的损伤形式和损伤区范围，而直接对损伤进行量化。
5.根据权利要求1所述的一种桥梁结构局部损伤的量化及评估方法，其特征在于：利用整体刚度
6.根据权利要求1所述的一种桥梁结构局部损伤的量化及评估方法，其特征在于：利用同一座桥梁不同时间的整体刚度衰减指数β的变化，来评估桥梁结构局部损伤在这一时间段内桥梁结构局部损伤是否加剧以及具体的加剧情况。
...【技术特征摘要】
1.一种桥梁结构局部损伤的量化及评估方法，其特征在于：用附加弹簧模型对桥梁结构局部损伤进行量化，其中附加弹簧模型中附加刚度为kd；基于附加刚度kd绝对值构建提出一个整体刚度衰减相对指数，记为β，β的定义如下：将单位力偶作用下局部损伤引起的转角增量与全梁两端相对转角之比定义为整体刚度衰减指数β；利用整体刚度衰减指数β来评估局部损伤对桥梁结构承载能力的影响；
2.根据权利要求1所述的一种桥梁结构局部损伤的量化及评估方法，其特征在于：包括下述步骤：
3.根据权利要求1所述的一种桥梁结构局部损伤的量化及评估方法，其特征在于：ζ1是与损伤位置、桥长相关的基函数，其通过dil和基函数ζ0差值的局部峰值定位损...
【专利技术属性】
技术研发人员：常柱刚，范治豪，王宁波，于建忠，黄立浦，于鹏，
申请(专利权)人：长沙市规划设计院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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