专利名称：铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及桥梁结构工程领域，特别涉及列车行车所引起的铁路钢桁架桥梁结点
的累积疲劳损伤自诊断系统。
背景技术：
铁路钢桁架桥梁是一种常见的铁路桥梁型式。由于铁路列车行走是周期性的长期作用，它会引起桁架结构整体结点，特别是结点焊缝累积疲劳损伤的发生。考虑到疲劳损伤是一种累积效应，整体结点焊缝在损伤累积开始直至萌生裂纹的整个过程中是没有任何症兆的，因此无法预先知道整体结点焊缝破坏，即结点裂纹的萌生会在何时发生，从而无法及时预警，并及时修复。 为此，有必要提供一种铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统来克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统能在列车上桥时自动告知桥梁节点危险点处累积疲劳损伤的程度，进而及时修复铁路钢桁架桥梁，保证铁路钢桁架桥梁的安全。 为了实现上述目的，本发明提供了一种铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统，所述铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统包括应变传感器、数据库、弯矩与轴力时程转换�？�、动应力分析模块、疲劳累积分析模块以及人机交互界面。所述应变传感器位于每个桁架杆件的中间截面，用于当列车上桥时自动采集列车经过时所述桁架杆件的中间截面的应力响应时程信号以及当列车下桥时自动停止采集信号；所述弯矩与轴力时程转换模块与所述应变传感器以及所述数据库连接，用于将所述应变传感器采集的应力响应时程信号转换成弯矩与轴力时程信号，并发送所述弯矩与轴力时程信号至所述数据库；所述动应力分析�？橛胨鍪菘饬樱糜诮萁岬愫阜斓氖┕すひ杖范ǖ慕岬愫附硬杏嘤αΤ∽魑跏加αΤ。由嫌伤鍪菘庵械耐渚赜胫崃κ背绦藕湃范ǖ慕诘懔谐敌凶叨αΤ。竦们帕航诘愫阜斓淖钗Ｏ盏愕奈恢煤妥刺⒔鲎钗Ｏ盏愕奈恢煤陀Ρ渥刺⑺椭了鍪菘猓凰銎＠屠刍治瞿？橛胨鍪菘饬樱糜诟菟鍪菘庵凶钗Ｏ盏愕奈恢煤陀Ρ渥刺⑼üΡ淦＠偷牧俳缑娣ㄈ范谐稻弊钗Ｏ盏愕钠＠退鹕死刍潭龋⒔鲎钗Ｏ盏愕钠＠退鹕死刍潭确⑺椭了鍪菘猓鋈嘶换ソ缑嬗胨鍪菘饬樱糜诮菘庵凶钗Ｏ盏愕钠＠退鹕死刍潭韧ㄖ没б允迪痔犯骤旒芮帕航岬闫＠退鹕顺潭鹊脑ぞ�。 在本发明的一个实施例中，所述动应力分析模块包括应力和应变场数据获取单元、最危险点确定单元以及第一发送单元。所述应力和应变场数据获取单元与所述数据库连接，用于将根据结点焊缝的施工工艺并通过精确有限元模型确定的节点焊接残余应力场
(考虑部分消除)作为初始应力�。由细菟鍪菘庵械耐渚赜胫崃κ背绦藕挪⑼�
4过精确有限元模型确定的节点列车行走动应力场，获得桥梁节点的应力和应变场数据；所
述最危险点确定单元与所述应力和应变场数据获取单元连接，用于根据所述应力和应变场
数据获取单元获取的应力和应变场数据并通过米塞斯等效应力准则(Von-mise)确定桥梁
节点的最危险点；所述第一发送单元与所述最危险点确定单元连接，用于发送所述最危险
点确定单元确定的桥梁节点的最危险点的位置和应变状态至所述数据库。 在本发明的另一实施例中，所述疲劳累积分析�？榘ㄆ＠退鹕肆俳缑嫒范ǖ�
元、最大损伤临界面确定单元、疲劳损伤累积程度确定单元以及第二发送单元。所述疲劳
损伤临界面确定单元与所述数据库连接，用于根据所述数据库中最危险点的位置和应变
状态确定最大剪应变平面，进而确定每个时刻最危险点的疲劳损伤临界面；所述最大损
伤临界面确定单元与所述疲劳损伤临界面确定单元连接，用于根据所述疲劳损伤临界面
确定单元确定的每个时刻最危险点的疲劳损伤临界面确定最大损伤临界面；所述疲劳损
伤累积程度确定单元与所述最大损伤临界面确定单元连接，用于根据所述最大损伤临界
面确定单元确定的最大损伤临界面的等效应变时程并通过多轴疲劳寿命估算曼森_科芬
(Manson-Conffin)公式确定列车经过时桥梁结点的最危险点的疲劳损伤累积程度；所述
第二发送单元与所述疲劳损伤累积程度确定单元连接，用于将所述疲劳损伤累积程度确定
单元确定的所述最危险点的疲劳损伤累积程度发送至所述数据库。 在本发明的再一实施例中，所述应变传感器位于每个桁架杆件中间截面之受力平面的上下位置。 在本发明的又一个实施例中，所述铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统还包括传输系统，所述传输系统与所述应变传感器以及所述弯矩与轴力时程转换�？榱樱糜诮鲇Ρ浯衅鞑杉挠αο煊κ背绦藕糯渲了鐾渚赜胫崃κ背套荒？椤？裳∷龃湎低澄邢叽湎低郴蛭尴叽湎低�。 由上述技术方案可知，本发明铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统通过应变传感器采集列车经过时所述桁架杆件的中间截面的应力响应时程信号，由弯矩与轴力时程转换�？榻αο煊κ背绦藕抛怀赏渚赜胫崃κ背绦藕牛儆啥αΨ治瞿？榻萁岬愫阜斓氖┕すひ杖范ǖ慕诘愫附硬杏嘤αΤ∽魑跏加αΤ。由嫌赏渚赜胫崃κ背绦藕湃范ǖ慕诘懔谐敌凶叨αΤ。竦们帕航诘愫阜斓淖钗Ｏ盏愕奈恢煤陀Ρ渥刺詈笥善＠屠刍治瞿？楦菟鲎钗Ｏ盏愕奈恢煤陀Ρ渥刺⑼üΡ淦＠偷牧俳缑娣ㄈ范谐稻弊钗Ｏ盏愕钠＠退鹕死刍潭龋儆扇嘶换ソ缑娓嬷没�。因此本发明的系统能自动将铁路钢桁架桥梁结点焊缝的疲劳信息及时告知用户，以及时修复铁路钢桁架桥梁，保证铁路钢桁架桥梁的安全。 通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
图1为本发明铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统的结构框图。
图2展示了图1所示铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统在结点与杆件受力平面内的应变传感器的安装位置。 图3a为图1所示铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统的动应力分析�？榈目蛲�。 图3b为图1所示铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统的疲劳累积分 析�？榈目蛲�。 图4展示了图1所示铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统的工程应用 实例。
具体实施例方式
现在参考附图描述本发明新型的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元 件。 如图1所示，铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统包括应变传感器
11、 传输系统(图未示)、弯矩与轴力时程转换�？�12、数据库13、动应力分析�？�14、疲劳 累积分析�？�15以及人机交互界面16。 如图2所示，铁路钢桁架桥梁的桥梁结点2连接多个桁架杆件l，每个桁架杆件1 具有沿所述桁架杆件长度方向的中间截面3，所述应变传感器11位于每个桁架杆件1的中 间截面3，用于采集列车经过时所述桁架杆件1的中间截面3的应力响应时程信号。在本实 施例中，所述应变传感器11位于每个桁架杆件1中间截面之受力平面的上下位置。
所述传输系统与所述应变传感器11以及所述弯矩与轴力时程转换�？�12连接， 用于将所述应变传感器11采集的应力响应时程信号传输至所述弯矩与轴力时程转换�？�
12。 所述传输系统为有线传输系统或无线传输系统。 所述弯矩与轴力时程转换模块12与所述数据库13连接并通过所述传输系统与所 述应变传感器11连接，用于将所述应变传感器11采集的应力响应时程信号转换成弯矩与 轴力时程信号，并发送所述弯矩与轴力时程信号至所述数据库13。 所述动应力分析�？�14与所述数据库13连接，用于将根据结点焊缝的施工工艺 确定的结点焊接残余应力场作为初始应力场，迭加上由所述数据库13中的弯矩与轴力时 程信号确定的节点列车行走动应力�。竦们帕航诘愫阜斓淖钗Ｏ盏愕奈恢煤妥刺⒔� 所述最危险点的位置和应变状态发送至所述数据库13。 如图3a，所述动应力分析�？�13包括应力和应变场数据获取单元141、最危险点 确定单元142以及第一发送单元143。所述应力和应变场数据获取单元141与所述数据库 13连接，用于将根据结点焊缝的施工工艺并通过精确有限元模型确定的节点焊接残余应力 场(考虑部分消除)作为初始应力�。由细菟鍪菘�13中的弯矩与轴力时程信 号并通过精确有限元模型确定的节点列车行走动应力�。竦们帕航诘愕挠α陀Ρ涑∈� 据；所述最危险点确定单元142与所述应力和应变场数据获取单元141连接，用于根据所述 应力和应变场数据获取单元141获取的应力和应变场数据并通过米塞斯等效应力准则确 定桥梁节点的等效应力最大值位置，即最危险点；所述第一发送单元143与所述最危险点 确定单元142连接，用于发送所述最危险点确定单元142确定的桥梁节点的最危险点的位 置和应变状态至所述数据库13。 所述疲劳累积分析�？�15与所述数据库13连接，用于根据所述数据库13中最危 险点的位置和应变状态并通过应变疲劳的临界面法确定列车经过时最危险点的疲劳损伤 累积程度，并将所述最危险点的疲劳损伤累积程度发送至所述数据库13。
如图3b所示，所述疲劳累积分析�？�15包括疲劳损伤临界面确定单元151、最大 损伤临界面确定单元152、疲劳损伤累积程度确定单元153以及第二发送单元154。所述 疲劳损伤临界面确定单元151与所述数据库13连接，用于根据所述数据库13中最危险点 的位置和应变状态确定最大剪应变平面，进而确定每个时刻最危险点的疲劳损伤临界面； 所述最大损伤临界面确定单元152与所述疲劳损伤临界面确定单元151连接，用于根据所 述疲劳损伤临界面确定单元151确定的疲劳损伤临界面确定最大损伤临界面，具体地，改 变描述疲劳损伤临面的空间位置坐标Y(e，P)的角度参数9和P (范围值均为0。至 360° )，获取每个时刻的最大剪应变平面，权值平均最大剪应变平面即为每列列车经过所 述最危险点的最大损伤临界面。利用米塞斯准则将最大损伤临界面上的最大剪应变值Ymax 和正应变、这两个参数合成一个等效应变时程e^。所述疲劳损伤累积程度确定单元153 与所述最大损伤临界面确定单元152连接，用于根据所述最大损伤临界面确定单元152确 定的最大损伤临界面的等效应变时程e ^并通过多轴疲劳寿命估算曼森-科芬公式确定所 述列车经过时桥梁结点的最危险点的疲劳损伤累积程度；所述第二发送单元154与所述疲 劳损伤累积程度确定单元153连接，用于将所述疲劳损伤累积程度确定单元153确定的所 述最危险点的疲劳损伤累积程度发送至所述数据库13。 所述人机交互界面16与所述数据库13连接，用于将数据库13中最危险点的疲劳
损伤累积程度通知用户以实现铁路钢桁架桥梁结点疲劳损伤程度的预警。 需要指出的是，本发明系统配置在桁架桥梁结点附近的桥墩上。 图4展示了图1所示铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统的工程应用
实例。其中铁路钢桁架桥的各个桥梁结点按照图2所示原理布置有应变传感器。应变传感
器采集的应力响应时程信号传输至信号传输与控制子系统，所述信号传输与控制子系统按
某一个阀值(列车上桥或下桥)控制应力响应时程信号采集工作的开始与结束，并进行信
号降噪处理，进而将降噪处理后的信号通过无线传输网络传输至诊断计算机，所述诊断计
算机对所述应力响应时程信号进行弯矩与轴力时程转换、确定桥梁节点之最危险点的位置
和应变状态、进而确定述最危险点的疲劳损伤累积程度，同时进行数据库管理，并由人机交
互界面告知用户，实现铁路钢桁架桥梁结点焊缝疲劳损伤程度的预警。 以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施 例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
权利要求
一种铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统，所述桥梁结点连接多个桁架杆件，其特征在于，所述系统包括应变传感器，位于每个桁架杆件的中间截面，用于自动采集列车经过时所述桁架杆件的中间截面的应力响应时程信号；数据库；弯矩与轴力时程转换�？椋胨鲇Ρ浯衅饕约八鍪菘饬樱糜诮鲇Ρ浯衅鞑杉挠αο煊κ背绦藕抛怀赏渚赜胫崃κ背绦藕牛⒎⑺退鐾渚赜胫崃κ背绦藕胖了鍪菘猓欢αΨ治瞿？椋胨鍪菘饬樱糜诮萁岬愫阜斓氖┕すひ杖范ǖ慕诘愫附硬杏嘤αΤ∽魑跏加αΤ。由嫌伤鍪菘庵械耐渚赜胫崃κ背绦藕湃范ǖ慕诘懔谐敌凶叨αΤ。竦们帕航诘愫阜斓淖钗Ｏ盏愕奈恢煤陀Ρ渥刺⒔鲎钗Ｏ盏愕奈恢煤陀Ρ渥刺⑺椭了鍪菘猓黄＠屠刍治瞿？椋胨鍪菘饬樱糜诟菟鍪菘庵凶钗Ｏ盏愕奈恢煤陀Ρ渥刺⑼üΡ淦＠偷牧俳缑娣ㄈ范谐稻弊钗Ｏ盏愕钠＠退鹕死刍潭龋⒔鲎钗Ｏ盏愕钠＠退鹕死刍潭确⑺椭了鍪菘猓灰约叭嘶换ソ缑妫胨鍪菘饬樱糜诮菘庵凶钗Ｏ盏愕钠＠退鹕死刍潭韧ㄖ没б允迪痔犯骤旒芮帕航岬闫＠退鹕顺潭鹊脑ぞ�。
2. 如权利要求1所述的铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤实时诊断系统，其特征在于，所述动应力分析�？榘ㄓα陀Ρ涑∈莼袢〉ピ胨鍪菘饬樱糜诮萁岬愫阜斓氖┕すひ詹⑼ü酚邢拊Ｐ腿范ǖ慕诘愫附硬杏嘤αΤ∽魑跏加αΤ。由细菟鍪菘庵械耐渚赜胫崃κ背绦藕挪⑼ü酚邢拊Ｐ腿范ǖ慕诘懔谐敌凶叨αΤ。竦们帕航诘愕挠α陀Ρ涑∈荩蛔钗Ｏ盏闳范ǖピ胨鲇α陀Ρ涑∈莼袢〉ピ樱糜诟菟鲇α陀Ρ涑∈莼袢〉ピ袢〉挠α陀Ρ涑∈莶⑼ü兹沟刃вαψ荚蛉范ㄇ帕航诘愕淖钗Ｏ盏悖灰约暗谝环⑺偷ピ胨鲎钗Ｏ盏闳范ǖピ樱糜诜⑺退鲎钗Ｏ盏闳范ǖピ范ǖ那帕航诘愕淖钗Ｏ盏愕奈恢煤陀Ρ渥刺了鍪菘狻�
3. 如权利要求1所述的铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统，其特征在于，所述疲劳累积分析�？榘ㄆ＠退鹕肆俳缑嫒范ǖピ胨鍪菘饬樱糜诟菟鍪菘庵凶钗Ｏ盏愕奈恢煤陀Ρ渥刺范ㄗ畲蠹粲Ρ淦矫妫范扛鍪笨套钗Ｏ盏愕钠＠退鹕肆俳缑妫蛔畲笏鹕肆俳缑嫒范ǖピ胨銎＠退鹕肆俳缑嫒范ǖピ樱糜诟菟銎＠退鹕肆俳缑嫒范ǖピ范ǖ拿扛鍪笨套钗Ｏ盏愕钠＠退鹕肆俳缑嫒范ㄗ畲笏鹕肆俳缑妫黄＠退鹕死刍潭热范ǖピ胨鲎畲笏鹕肆俳缑嫒范ǖピ樱糜诟菟鲎畲笏鹕肆俳缑嫒范ǖピ范ǖ淖畲笏鹕肆俳缑娴牡刃вΡ涫背滩⑼ü嘀崞＠褪倜浪懵璤科芬公式确定列车经过时桥梁结点的最危险点的疲劳损伤累积程度；以及第二发送单元，与所述疲劳损伤累积程度确定单元连接，用于将所述疲劳损伤累积程度确定单元确定的所述最危险点的疲劳损伤累积程度发送至所述数据库。
4. 如权利要求1所述的铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统，其特征在于，所述应变传感器位于每个桁架杆件中间截面之受力平面的上下位置。
5. 如权利要求1所述的铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统，其特征在于，还包括传输系统，与所述应变传感器以及所述弯矩与轴力时程转换模块连接，用于将所述应变传感器采集的应力响应时程信号传输至所述弯矩与轴力时程转换�？�。
6. 如权利要求1所述的铁路钢桁架桥梁结点的累积疲劳损伤自诊断系统，其特征在于，所述传输系统为有线传输系统或无线传输系统。
全文摘要
本发明公开了一种铁路钢桁架桥梁结点累积疲劳损伤的自诊断系统，其在列车上桥时通过应变传感器自动采集列车经过时与所测结点相连的桁架杆件的中间截面的应力响应时程信号，由弯矩与轴力时程转换�？榻αο煊κ背绦藕抛怀赏渚赜胫崃κ背绦藕牛儆啥αΨ治瞿？榻萁岬愫阜斓氖┕すひ杖范ǖ慕诘愫附硬杏嘤αΤ∽魑跏加αΤ。由嫌赏渚赜胫崃κ背绦藕湃范ǖ慕诘懔谐敌凶叨αΤ。竦们帕航诘愫阜斓淖钗Ｏ盏愕奈恢煤陀Ρ渥刺詈笥善＠屠刍治瞿？楦菟鲎钗Ｏ盏愕奈恢煤陀Ρ渥刺⑼üΡ淦＠偷牧俳缑娣ㄈ范谐稻弊钗Ｏ盏愕钠＠退鹕死刍潭龋儆扇嘶换ソ缑娓嬷没�。因此本系统能自动将铁路钢桁架桥梁结点焊缝的疲劳信息及时告知用户，以及时修复铁路钢桁架桥梁，保证铁路钢桁架桥梁的安全。
文档编号G01N33/00GK101769913SQ20101002902
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月19日 优先权日2010年1月19日
发明者何钟山, 刘嘉, 孟莎, 潘冬发, 瞿伟廉, 秦顺全 申请人:武汉理工大学
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