本發(fā)明屬于橋梁工程，具體涉及到一種鐵路鋼箱梁橋豎向溫度梯度疲勞荷載模型與構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

1、受太陽輻射、橋位走向等因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下會承受復(fù)雜時變的非線性溫度梯度作用，該溫度作用會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性變化的溫度疲勞應(yīng)力，進(jìn)而造成疲勞損傷。鐵路鋼箱梁具有高度大翼板短的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，溫度場分布型式與公路鋼箱梁橋具有顯著區(qū)別。因此，為滿足鐵路鋼箱梁橋抗疲勞設(shè)計(jì)需求，應(yīng)針對鐵路鋼箱梁橋溫度梯度變化規(guī)律，利用長期溫度場實(shí)測數(shù)據(jù)，采用合理的抽樣方法與損傷等效原則提出豎向溫度梯度疲勞荷載模型構(gòu)建方法，構(gòu)建鐵路鋼箱梁橋豎向溫度梯度疲勞荷載模型。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種鐵路鋼箱梁橋豎向溫度梯度疲勞荷載模型。

2、本發(fā)明所要解決的另一個技術(shù)問題在于為鐵路鋼箱梁橋豎向溫度梯度疲勞荷載模型提供一種構(gòu)建方法。

3、上述鐵路鋼箱梁橋豎向溫度梯度疲勞荷載模型如式(1)所示由正溫度疲勞荷載模型t+(y)、負(fù)溫度疲勞荷載模型t-(y)構(gòu)成：

4、

5、在式(1)中，y為待計(jì)算位置高度，h為截面高度，單位為m，t1為鐵路鋼箱梁頂板位置處溫度代表值，t2為鐵路鋼箱梁腹板距離頂板0.6m處溫度代表值，單位為℃，t3為鐵路鋼箱梁腹板距離頂板1/2h處溫度代表值，單位為℃，t4為鐵路鋼箱梁底板位置處溫度代表值，單位為℃，t10為鐵路鋼箱梁頂板位置處溫度初值，單位為℃，t20為鐵路鋼箱梁腹板距離頂板0.6m處溫度初值，單位為℃，t30為鐵路鋼箱梁腹板距離頂板1/2h處溫度初值，單位為℃，t40為鐵路鋼箱梁底板位置處溫度初值，單位為℃，b為鐵路鋼箱梁頂板寬度，單位為m，b為鐵路鋼箱梁底板寬度，單位為m，a1、b1、βt(b)、βt(h)、βt(b)為中間變量，nd為設(shè)計(jì)使用年限，單位為年。

6、在式(1)中，所述的t10的取值是[17.0,19.2]，單位為℃，t20的取值是[21.0,24.0]，單位為℃，h的取值是[3.0,8.0]，單位為m，b的取值是[5.0,12.0]，單位為m，b的取值是[7.0,15.0]，單位為m。

7、在式(1)中，所述的h、b、b、t10、t20的取值為：h最佳為4.8m，b最佳為7.5m，b最佳為5.8m，t10為最佳18.0℃，t20最佳為23.0℃。

8、上述鐵路鋼箱梁橋豎向溫度梯度疲勞荷載模型的構(gòu)建方法由以下步驟組成：

9、(1)確定溫度應(yīng)力幅向量

10、在鐵路鋼箱梁橋頂板、底板和橫隔板上布置溫度傳感器并采集溫度，設(shè)定采集時間間隔為1～20分鐘，采集到的溫度梯度時程為ta(y,t)，y為豎向測點(diǎn)的坐標(biāo)，采用鋼箱梁橋溫度應(yīng)力公式得到溫度應(yīng)力歷程σa(y,t)：

11、

12、在式中，ρ為溫度次彎矩影響系數(shù)，es為鋼材的彈性模量，αs為鋼材的熱膨脹系數(shù)，a為鐵路鋼箱梁橋截面面積，i為鐵路鋼箱梁橋截面的慣性矩，ys為鐵路鋼箱梁橋截面中性軸，b(y)為鐵路鋼箱梁橋y位置處的截面厚度。

13、采用雨流計(jì)數(shù)法對應(yīng)力循環(huán)進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到溫度應(yīng)力幅向量a：

14、a＝(σ1(y),σ2(y),...,σn(y))

15、式中，σn(y)為y位置處第n個應(yīng)力幅值，n為向量a中的元素個數(shù)。

16、(2)擬合溫度應(yīng)力幅向量

17、基于威布爾函數(shù)對溫度應(yīng)力幅向量a進(jìn)行概率函數(shù)擬合，得到y(tǒng)位置處概率密度曲線f(v)：

18、

19、式中，μ為溫度應(yīng)力幅值均值，σ為溫度應(yīng)力幅值方差，v取值為[0,2max(a)]。

20、選擇分布g(v)，定義參數(shù)k，使得k×g(v)大于fz(v)，其中g(shù)(v)為：

21、

22、(3)溫度應(yīng)力幅值抽樣

23、取樣本點(diǎn)v0，并在[0,k×g(v)]范圍內(nèi)進(jìn)行一次單一均勻采樣，得到采樣值μ0，如果μ0<fz(v)，則該樣本點(diǎn)v0被接受，否則將不被接受并重復(fù)該步驟；最終所有被接受的樣本點(diǎn)構(gòu)成設(shè)計(jì)使用年限的溫度應(yīng)力幅向量c：

24、c＝(δσ1(y),δσ2(y),...,δσnfs(y))

25、式中，δσnfs(y)為y位置處第nfs個應(yīng)力幅值，按下式確定向量中的元素個數(shù)nfs：

26、nfs＝δ×nd×365

27、式中，δ為短時間內(nèi)溫度突變導(dǎo)致應(yīng)力循環(huán)增加的系數(shù)，δ取值是[1.05,1.20]。

28、(4)確定等效疲勞溫度值

29、按下式確定得到鐵路鋼箱梁橋截面等效溫度應(yīng)力幅δσeqy：

30、

31、式中，ci為向量c中第i個元素。

32、(5)構(gòu)建溫度疲勞荷載模型

33、按下式得到等效疲勞溫度值teqy；

34、

35、用matlab軟件，對不同位置y處、不同設(shè)計(jì)使用年限nd的等效溫度值teqy采用最小二乘法進(jìn)行擬合，建立式(1)的鐵路鋼箱梁橋豎向溫度梯度疲勞荷載模型。

36、本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

37、1、本發(fā)明利用蒙特卡洛抽樣方法和損傷等效原則提出的豎向溫度梯度疲勞荷載模型構(gòu)建方法，具有高效、便于實(shí)施的特點(diǎn)。

38、2、本發(fā)明利用鐵路鋼箱梁溫度場長期實(shí)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了適用于鐵路鋼箱梁橋抗疲勞設(shè)計(jì)與評估的豎向溫度梯度疲勞荷載模型，所構(gòu)建的豎向溫度梯度疲勞荷載模型計(jì)入了梁高、頂板寬度、底板寬度以及設(shè)計(jì)使用年限的影響。

技術(shù)特征：

1.一種鐵路鋼箱梁橋豎向溫度梯度疲勞荷載模型，其特征在于：該模型如式(1)所示由正溫度疲勞荷載模型t+(y)、負(fù)溫度疲勞荷載模型t-(y)構(gòu)成：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路鋼箱梁橋豎向溫度梯度疲勞荷載模型，其特征在于：在式(1)中，所述的t10的取值是[17.0,19.2]，單位為℃，的取值是[21.0,24.0]，單位為℃，h的取值是[3.0,8.0]，單位為m，b的取值是[5.0,12.0]，單位為m，b的取值是[7.0,15.0]，單位為m。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路鋼箱梁橋豎向溫度梯度疲勞荷載模型，其特征在于在式(1)中所述的h、b、b、t10、的取值為：h為4.8m，b為7.5m，b為5.8m，t10為18.0℃，為23.0℃。

4.一種權(quán)利要求1所述的鐵路鋼箱梁橋豎向溫度梯度疲勞荷載模型的構(gòu)建方法，其特征在于由以下步驟組成：

技術(shù)總結(jié)
一種鐵路鋼箱梁橋豎向溫度梯度疲勞荷載模型與構(gòu)建方法，該模型由正溫度梯度模型、負(fù)溫度梯度模型構(gòu)成，均為三折線型式，如式(1)所示。在本發(fā)明中，對鐵路鋼箱梁溫度場長期監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用蒙特卡洛抽樣方法與損傷等效原則提出了鐵路鋼箱梁橋豎向溫度梯度疲勞荷載模型構(gòu)建方法。所構(gòu)建的豎向溫度梯度疲勞荷載模型利用長期溫度場實(shí)測數(shù)據(jù)構(gòu)建，計(jì)入了鐵路鋼箱梁橋頂板寬度B、底板寬度b、鋼箱梁梁高h(yuǎn)、與設(shè)計(jì)使用年限N<subgt;d</subgt;的影響，可用于100年、150年和200年設(shè)計(jì)使用年限的鐵路鋼箱梁橋抗疲勞設(shè)計(jì)。

技術(shù)研發(fā)人員：王春生,李璞玉,段蘭
受保護(hù)的技術(shù)使用者：長安大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2