基于温度效应的混凝土箱梁桥运营状态评估研究

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我国混凝土箱梁桥数量众多,温度作用作为桥梁的主要荷载作用之一,其作用效应是不可忽略的,故而研究温度效应对结构的影响具有重要的意义。目前对于温度效应的研究多集中于基于桥梁内部温度场的准确分布精确计算结构响应和状态评估时温度效应的剔除等方面,缺乏针对温度响应规律挖掘结构物理特性的研究。本文以江苏沿海高速公路(盐城—南通段)烈士河大桥为工程背景,基于温度效应揭示结构状态特征,重点研究了混凝土箱梁桥温度时滞效应的原理及其规律,进一步提出了理想以及普适温度时程状况下的温度时滞消除方法,并基于温度效应数据对损伤进行数值模拟并构建时滞损伤指标,最后提出了一种基于温度时滞效应的混凝土箱梁桥运营状态评估方法。本文的主要工作和成果如下:
  (1)分别基于实测温度和响应数据对混凝土箱梁桥的温度时滞效应的规律与原理进行研究。根据实测温度时滞曲线图像特征对其进行分类,探究了温度时滞图像规律。对温度时滞产生的原理从空间和时间两个角度进行研究。研究表明,时间作用和空间作用是影响混凝土箱梁桥时滞效应最重要的两个因素,时间作用是产生时滞效应的本质原因,时间作用体现在温度时程曲线变化的速率,空间作用不能独立导致时滞现象的产生。对温度时滞规律进一步进行探索,研究结果表明不存在温度梯度分布情况下,温度-响应成线性关系,同时,结构温度场的空间效应不可忽略。横向温度梯度对时滞曲线的影响比竖向温度梯度的影响更大。
  (2)提出了2种基于温度效应数据的时滞效应消除方法。根据斜率差 ΔK 以及截距差 ΔB与温度时程函数一阶导数的平方(dT/dt)2呈现正态分布的规律提出了曲线捏合法。通过曲线捏合法能够有效消除时滞现象,提高温度与温致应变的相关性。此外基于时滞的图像特征采用图像识别和python程序语言技术,构造相似度指标,确定温致应变曲线平移时间,使温度与温致应变二者的关系更趋近于线性。进一步基于大量实测数据验证了消除时滞现象后结构的应变与温度的线性关系,符合力学原理。稳定的温度-响应关系说明了时滞消除方法的可靠性并为进一步基于温度效应进行状态评估提供了依据。最后比较了两类时滞消除方法,并对其适用性进行总结。
  (3)基于温度效应对桥梁进行损伤评估。通过数值模拟,探究损伤后结构的温度作用时滞规律。研究结果表明,顶板比底板对损伤更加敏感。局部损伤对于损伤附近截面时滞曲线的影响较为显著,但是随着纵桥向距离的增加,差异会不断减小。损伤程度不同时,时滞曲线图像具有一定的差异。构建了时滞损伤指标,构造的应变欧式距离相对值和绝对值指标以及损伤程度指标γ在一定程度上可以反映结构的损伤程度情况。运用python图像识别时滞消除法搭建基于温度时滞效应的混凝土箱梁桥运营状态评估体系。结果表明,损伤远端处所得到的结构温度-应变本征关系为线性,近端处则不再是线性相关。损伤之后的温度-应变直线斜率k的数值比未损伤时大。构建的实时评估体系主要由四个部分组成,分别是:数据采集及处理、结构损伤判定、局部损伤定位、损伤程度评估。通过实例演示验证其有效性。
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