本发明专利技术属于结构健康监测领域，公开了一种基于动应力时程重构的高铁桥梁疲劳寿命预测方法。步骤如下：获取高铁桥梁关键测点位置的应变监测数据，并识别该测点的各车道应力影响线；获得不同工况下虚拟加载和重构参数的概率分布特征，并抽样求解桥梁动应力时程；结合长期监测数据获得各参数时变趋势，并计算疲劳可靠度的时变曲线从而实现疲劳寿命预测。本发明专利技术能够充分考虑高速列车激励的桥梁动力效应，在任意工况下均能够保持较高的疲劳分析精度，可以实现复杂工况下高铁桥梁疲劳寿命的可靠预测，方法操作简单，具有较高的工程实用价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于结构健康监测领域，具体涉及一种基于动应力时程重构的高铁桥梁疲劳寿命预测方法。
技术介绍
1、高铁桥梁是重要的交通基础设施，承担着日益繁忙的客运任务，其结构性能的安全可靠是保障高速列车正常运营的必要前提。然而，由于高速列车的车速和运营频次均较高，桥梁往往承受着较大的冲击响应以及较高的加载频次。这些会加速桥梁结构构件的疲劳损伤累积。因此，需要合理的对高铁桥梁的疲劳寿命进行预测，以确保其在设计寿命期内具有可靠的疲劳承载能力。
2、如何准确获取桥梁车致应力时程是实现疲劳评估和寿命预测的关键所在。现有桥梁车致应力时程获取方式主要有直接基于监测数据、基于有限元模型加载和基于影响线虚拟加载三类。直接基于监测数据的方法能够获取准确的应力响应，被认为是疲劳分析的可靠依据，如公开号为cn103293014a的专利提出的桥梁疲劳损伤状态与剩余寿命的评估方法，其利用关键构件的应变监测数据实现了桥梁疲劳性能分析。基于有限元模型加载的方法能够实现全寿命期内的桥梁疲劳性能分析，如公开号为cn114117622b的专利提出的桥梁钢结构疲劳寿命计算方法，其通过对可考虑疲劳热点的有限元模型加载得到应力时程，进一步实现了桥梁疲劳寿命预测。近年来，基于影响线虚拟加载的方法发展迅速，其能够监测桥梁结构真实性能信息且能大大减少求解复杂度，如公开号为cn113868749a的专利提出的基于车辆动态称重数据的车致桥梁疲劳损伤分析方法，其基于真实交通流的统计数据对影响线虚拟加载获得应力时程，采用蒙特卡洛求解可靠度的方法实现了桥梁疲劳寿命预测。
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p>3、但是以上介绍的面向疲劳分析的桥梁车致应力时程的获取方法均存在着一些不足。其中直接基于监测数据的方法存在难以获取桥梁全寿命期的应力数据以及无法考虑复杂工况时变参量的缺点。基于有限元模型加载的方法存在和真实桥梁性能不符，计算量庞大导致考虑动力效应的瞬态分析下难以大量抽样加载以实现概率评估的缺点。而基于影响线虚拟加载的方法虽然可以避免以上局限性，但其是一种静力方法，无法考虑高速列车冲击下的动力效应。现有研究表明(fatigue assessment of a composite railway bridgefor high speed trains.part ii:conditions for which a dynamic analysis isneeded)，高速列车作用下的桥梁动力效应非常大，其会大大增加桥梁疲劳损伤累积结果，并且简单的采用动力放大系数乘以静力时程进行修正的效果不佳。4、因此，本专利技术提出了一种基于动应力时程重构的高铁桥梁疲劳寿命预测方法，通过两类动应力重构系数和影响线虚拟加载的响应重构得到不同复杂工况下的动应力时程，从而实现高铁桥梁疲劳寿命的有效预测。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提出一种基于动应力时程重构的高铁桥梁疲劳寿命预测方法，可以实现复杂工况下高铁桥梁疲劳寿命的可靠预测。
2、本专利技术的技术方案：
3、一种基于动应力时程重构的高铁桥梁疲劳寿命预测方法，步骤如下：
4、步骤一：获取高铁桥梁疲劳损伤关键测点位置的应变监测数据，并识别该测点的各车道应力影响线；
5、(1.1)分析高铁桥梁疲劳损伤关键测点位置，获取该测点时长为nday天的应变监测数据，并将应变监测数据乘以测点材料的弹性模量转换为应力数据；
6、(1.2)截取某天各车道第一班空载动检车作用下的应力数据，用低通滤波器分离应力数据中的静动力成分，将静应力时程时空转化使其与高铁桥梁坐标关联，进而识别测点位置各车道的应力影响线，如下式所示：
7、
8、其中，φop表示求解的最优应力影响线向量；σstatic表示桥梁静应力时程向量；w表示包含车速、轴重、轴数和轴距的列车信息矩阵；λ表示正则化系数；t表示正则化矩阵；φ表示待识别的影响线向量；
9、步骤二：获得不同工况下虚拟加载和重构参数的概率分布特征，并抽样求解高铁桥梁动应力时程；
10、(2.1)根据列车类型和车道对应力数据进行工况分类，并结合高铁运营客座率信息，获取此监测时段内不同工况下的列车日通行次数和车厢重量的概率分布特征；
11、(2.2)分离不同工况下应力数据的静动力成分，并将其时空转换为以高铁桥梁坐标x为横轴的应力时程，计算各车作用下的最大应力循环重构系数βm和转向架加载应力循环重构系数βt，并获得不同工况下这两类重构系数的概率分布特征，如下式所示：
12、
13、
14、其中，σ(x)是桥梁原始动应力时程；σstatic(x)是桥梁静应力时程；σm(x)是最大应力循环修正后的应力时程；peak(·)j和trough(·)j分别表示应力时程中第j组转向架加载下的波峰和波谷；
15、(2.3)对各虚拟加载和重构参数进行抽样，重构得到不同工况下的桥梁每日动应力时程，单次列车作用下的重构动应力时程σr(x)如下式所示：
16、
17、
18、其中，σstatic_φ(x)表示影响线虚拟加载计算的桥梁静应力时程；n表示该次列车的轴数；φ(x-di)表示第i个车轴对应的该车道应力影响线；di表示第i个车轴到第一个车轴的距离；pi表示抽样得到的第i个车轴重量；ntrough表示波谷的个数；σunit(x)表示转向架加载下峰值区域为0且谷值为-1的单位应力时程；
19、步骤三：结合长期监测数据获得各参数时变趋势，并计算疲劳可靠度的时变曲线从而实现疲劳寿命预测；
20、(3.1)采用雨流计数法求解各应力时程的应力幅值和循环次数，并获得不同工况下疲劳参数的概率分布特征，包含日等效应力幅值seqk和日循环次数ndk，如下式所示：
21、
22、
23、其中，slk表示第k个工况下的第l个疲劳应力幅值；σd表示和疲劳细节相关的恒幅疲劳极限；mk表示第k个工况下的不同应力幅值个数；nlk表示第k个工况下的第l个疲劳应力幅值对应的循环次数；
24、(3.2)采用长期应变监测数据获得应力影响线和各虚拟加载和重构参数的时变趋势，计算得到不同工况下的日等效应力幅值和客运能力随分析周期t的时变趋势，并根据相关试验获得材料恒幅疲劳极限的退化趋势；
25、(3.3)采用蒙特卡洛方法求解桥梁疲劳可靠度时变曲线β(t)，如下所示：
26、
27、β(t)＝-φ-1(pf(z(t)<0))
28、其中，z(t)表示桥梁的疲劳极限状态函数；df表示疲劳失效时的损伤指标、取为1；d(t-1)表示上一服役周期的损伤指标；nd表示恒幅疲劳极限对应的极限循环次数；ak(t)表示第k个工况下的车流时变增长率；φ(·)为标准正态分布累积分布函数；pf(z(t)＜0)表示失效概率；
29、(3.4)当计算的疲劳可靠度小于规定的可靠度限值βtarget时，此本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于动应力时程重构的高铁桥梁疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤如下：
【技术特征摘要】
1.一种基于动应力时程重构的高铁桥梁疲...
【专利技术属性】
技术研发人员：伊廷华，魏云涛，杨东辉，李宏男，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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