一种桥梁结构截面内力的监测方法及系统
技术领域
本发明涉及桥梁结构监测
技术领域
，尤其涉及一种桥梁结构截面内力的监测方法及系统。背景技术
土木工程结构实验和健康监测中会产生大量数据，包括位移、应变、温度等多方面信息。然而目前对花费大量人力物力监测采集到的数据缺乏有效的后期处理方法，无法将点的实验数据扩展至面甚至体形成位移/应变场，进而无法将应变数据挖掘到应力场甚至结构内力层次。而目前这种在数据插值扩展，数据可视化、数据深层次挖掘等方面的研究不足导致难以分析结构在施工和正常使用过程中存在的潜在风险。
应变数据最能反映结构某点的受力状态，是获得结构形变和应力状态的直接依据。而将众多应变数据进行合理扩展使其能反映结构局部乃至整体的受力状态，这具有很高的科研价值和工程应用前景。因此急需有效的应变监测数据后处理方法，将截面应变数据进行插值扩展，并对扩展数据进行深层次挖掘，以期促进结构监测和受力分析工作可视化、精准化、系统化，实时动态地掌握结构的工作状态。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种桥梁结构截面内力的监测方法及系统，构造过程简单，对测点的数量和分布没有限制，有效减少了插值的繁杂程度，方便推广应用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
根据本发明的第一方面，提供了一种桥梁结构截面内力的监测方法，所述方法通过将桥梁结构截面等效为薄板有限元模型，通过数值模拟的方式将截面中各测点位置的实测应变插值成为桥梁结构截面整体的应变差值场，进而结合桥梁结构截面材料的本构曲线获得桥梁结构截面的各项内力监测数据。
进一步的，所述方法具体包括以下步骤：
S1：采集待测桥梁结构截面参数，建立与桥梁结构截面参数一致的薄板有限元模型；
S2：在所述薄板有限元模型中确定桥梁结构截面中各测点的位置，获取各时刻各测点的应变，并用数值模拟方法来获得各测点的离散权重函数；
S3：基于各时刻各测点的应变和离散权重函数计算得到各时刻桥梁结构截面的应变插值场；
S4：利用各时刻桥梁结构截面的应变插值场，结合桥梁结构截面材料的本构曲线得到各时刻桥梁结构截面的应力场和应变能密度场；
S5：基于各时刻桥梁结构截面的应力场和应变能密度场，积分得到各时刻桥梁结构截面的轴力、弯矩和应变能。
进一步的，所述S3具体包括：
将各时刻各测点的应变分别代入公式计算得到各时刻桥梁结构截面的应变插值场；
其中，m为测点总数；i为正整数，用于表示测点序号；Ni为测点i的离散权重函数；εi,t为t时刻测点i的应变；Dt为t时刻桥梁结构截面的应变插值场；t取正整数，用于表示时刻。
进一步的，所述S5中桥梁结构截面的轴力、弯矩和应变能具体为：
N＝∑AσkAk，Mx＝∑AσkxkAk，My＝∑AσkykAk，E＝∑AekAk；
其中，N为桥梁结构截面的轴力；Mx为截面面外弯矩；xk为第k个单元的形心到面外弯矩中性轴的距离；My为截面面内弯矩；yk为第k个单元的形心到面内弯矩中性轴的距离；E为截面的应变能；ek为第k个单元的应变能密度；Ak为所述薄板有限元模型中第k个单元的面积；A为所述薄板有限元模型全部单元总面积；k为正整数，表示所述薄板有限元模型中的单元序号。
进一步的，各测点均位于所述薄板有限元模型的网格节点上。
进一步的，所述S2中用数值模拟方法来获得各测点的离散权重函数具体为：
S21：在所述薄板有限元模型中的测点i处施加单位一的板外方向位移，并在其余测点处施加板外方向约束；i为正整数，用于表示测点序号；
S22：通过数值模拟方式得到薄板有限元模型中全部网格节点的板外方向位移模拟值，即为测点i的离散权重函数；
S23：重复上述步骤S21～S22，直至获得全部测点的离散权重函数。
进一步的，所述离散权重函数具体为：
Ni＝{u1,u2,...,un}；
其中，Ni为测点i的离散权重函数；u1,u2,...,un为薄板有限元模型中第1个节点、第2个节点至第n个节点处的板外方向位移模拟值；n为正整数，取薄板有限元模型中的网格节点总数。
进一步的，所述离散权重函数Ni与时间无关，不同时刻同一个测点的离散权重函数相同。
进一步的，薄板有限元模型的厚度影响所述离散权重函数的分布，薄板有限元模型的厚度越薄则离散权重函数分布越平滑。
根据本发明的第二方面，提供了一种桥梁结构截面内力的监测系统，其特征在于，包括：
处理器和用于存储可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令，以执行上述的桥梁结构截面内力的监测方法。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的桥梁结构截面内力的监测方法。
相对于现有技术，本发明所述的一种桥梁结构截面内力的监测方法及系统，具有如下优势：
(1)本发明提出的桥梁结构截面内力的监测方法，构造过程简单，对截面测点的数量和分布没有限制。并且没有解方程和优化问题，有效减少了插值的繁杂程度，方便推广应用；
(2)本发明基于桥梁结构截面材料真实本构曲线来计算应力场和结构内力，没有平截面和线弹性假定，计算结果更贴近真实情况；
(3)本发明充分利用了截面所有应变数据，插值截面应变应力场，再计算截面内力，层层递进，将应变点的信息合理扩展到了整个桥梁结构截面，为科研人员和工程专家提供直接的结构受力状态判别依据。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的方法流程图；
图2是本发明实施例的桥梁结构截面的薄板有限元模型和测点分布；
图3是本发明实施例的权重函数和应变插值示意；
图4是本发明实施例的桥梁结构截面的应力场计算示意图；
图5a是本发明实施例的桥梁结构截面的轴力分布模式图；
图5b是本发明实施例的桥梁结构截面的面内弯矩分布模式图；
图5c是本发明实施例的桥梁结构截面的面外弯矩分布模式图；
图5d是本发明实施例的桥梁结构截面的应变能分布模式图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
多个，包括两个或者两个以上。
和/或，应当理解，对于本发明中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
一种桥梁结构截面内力的监测方法，具体技术方案如下：
a、建立截面形状的薄板有限元模型，将其划分为适当多的单元，并施加特定的边界条件，用数值模拟方法来获得各测点的离散权重函数Ni。
b、将t时刻各测点的应变εi,t代入公式即可计算得到截面应变插值场Dt，其中m为测点总数。
c、然后根据材料的本构曲线σ＝f(ε)可得到截面的应力场，再对本构曲线进行积分e＝∫σdε计算应变能密度场。
d、最后根据公式N＝∑AσkAk，Mx＝∑AσkykAk，My＝∑AσkxkAk，E＝∑AekAk(其中Ak为第k个单元的面积)对整个截面A的物理量场进行数值积分来计算结构截面的轴力、面内外弯矩和应变能。
优选地，步骤a中所有测点应正好处于薄板的网格节点上，薄板的厚度影响权重函数的分布，板越薄插值越平滑。
优选地，步骤a中所述特定边界条件是指在计算第i个测点处的权重函数Ni时，在测点i处加单位一的板外位移，而在其余测点处设为零。
优选地，步骤a中模拟所得各节点的位移即组成测点i的离散权重函数Ni＝{u1,u2,...,uj,...,un},其中uj为第j个节点处的模拟值，n为节点总数。
优选地，步骤b中所述应变为垂直截面方向的应变，Dt为t时刻插值场的离散表达，Dt＝{ε1,ε2,...,εj,...,εn}；而Ni是关于空间坐标的离散函数，与时间无关，即不同时刻同一个测点的权重函数相同。
优选地，步骤d所述截面应变能的单位为J/m。
优选地，用ANSYS-APDL语言编制程序，实现自动循环加约束、批量输出离散权重函数、数值积分计算内力等。
优选地，用数值积分梯形算法来计算截面应变能密度场。
实施例：哑铃形钢管混凝土桥梁拱肋截面应变监测
本实施例的流程图如图1所示。首先测量混凝土桥梁拱肋截面的材料参数和具体参数，并利用大型通用软件ANSYS建立哑铃形的薄板有限元模型。根据测量结果可知，钢管直径为50mm，壁厚4mm，两钢管中心相距140mm，板的厚度为1mm，如图2所示。将管内混凝土部分划分为Shell 181单元，设材料弹性模量为28GPa；将钢管部分划分为Beam 188单元，设材料弹性模量为200GPa。权重函数构造过程中不考虑大变形和弹塑性，只有这样不同节点的权重函数才能线性叠加计算单元应变场。
先以构造节点1处的权重函数为例。根据权重函数的构造性质，在节点1处加z向单位一位移，在其他结点处加z向的固定约束。另外，为了限制板其它方向的刚体位移，在节点1处加x向和y向的约束，在节点2处加y向的约束。后进行静力分析，得到的z向位移场即为离散权重函数N1＝{u1,u2,...,uk,...,un}，如图3所示。
类似地，可以得到其它的离散权重函数Ni(i＝1,2,…,8)，然后将各样本点的数值Ui代入公式可得到板面外位移的插值场，如图3所示。
然后分别使用钢材和混凝土的本构曲线，可由节点的应变得到对应的应力，即可获得截面应力场，如图4所示。同理，可得到截面应变能密度场，这里不再展示。
在得到截面的应力场和应变能密度场后，可以对截面进行积分得到截面轴力、弯矩、应变能密度和值等(规定轴力压为负拉为正，弯矩受拉侧为正受压侧为负)，计算公式如下：
式中F，My，E分别表示截面的轴力、弯矩、应变能，e为截面各节点的应变能密度。通过数值积分计算出各个截面的内力之后，就可得到圆钢管混凝土拱各个测截面在每个荷载步下的内力变化模式图。图5a-图5d分别给出了不同截面的轴力、面内弯矩、面外弯矩、应变能的变化模式图。
其余类型桥梁与本实施例所述的方法相同，仅在建立有限元模型时桥梁截面形状及参数有所区别，但均采用薄板有限元模型，故不再赘述。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
- 上一篇：石墨接头机器人自动装卡簧、装栓机
- 下一篇：一种基于数值模拟的地形插值方法及系统
