邵伯兴;郭俊
【摘 要】面包炉
应力谱监测是桥梁结构安全监测系统中一个部分,在数据分析中有重要作用.在应力谱的编制中,作为主要部分的雨流计数法由于比较符合疲劳损伤规律,目前应用较广泛,但尚未在桥梁结构健康监测系统的在线数据分析工作中得到应用.为此,该文根据雨流法的原理和改进算法,编写了应变时程的雨流计数程序,并将润扬大桥结构安全监测系统输出的应变时程数据进行在线计算,得到了桥梁相关构件的应力谱,为系统数据分析工作提供了重要依据.新开发的软件作为润扬大桥结构安全监测系统的一部分,能够对系统在交通等随机荷载下实时采集的应变时程数据进行分析,并由获得的应力谱得到润扬大桥相关构件的应力状况. 【期刊名称】《现代交通技术》
【年(卷),期】奥尼尔2011(008)003
【总页数】3页(P48-50)
【关键词】桥梁工程；应力谱；雨流计数法；健康监测：应变时程
豆饼钩【作 者】邵伯兴;郭俊
【作者单位】江苏润扬大桥发展有限责任公司,江苏镇江,212115;江苏省交通科学研究院股长大桥梁健康检测与诊断技术交通行业重点实验室,江苏南京,211112
【正文语种】中 文
【中图分类】U446
1 概述
作为桥梁结构安全监测的一个重要部分，桥梁结构的耐久性主要是由桥梁关键构件的疲劳性所决定的，因此桥梁结构安全监测系统的一项重要任务就是提供桥梁疲劳状况的真实信息［1］。润扬大桥是我国建桥史上规模空前的特大型悬索桥梁，其结构安全监测系统的研究和建立无疑将具有重要的现实意义［2］。
本文所讨论的应力谱是润扬大桥结构安全监测系统中系统在线分析的一部分，它直接采用应力（应变）实测数据。在结构安全监测中，尚没有一个适合应力谱监测的软件，现成的
软件又不能完全满足结构安全监测系统的实时在线监测要求，这就需要编制出一个应力谱软件，满足结构安全监测系统应力分析的功能。
应力谱的编制过程实际上就是计数过程，在众多的计数法中，雨流计数由于其一定的科学性得到比较广泛的应用。雨流计数法最早是由Matsuisi和Endo于1968年考虑了材料的应力－应变行为而提出的一种计数法［3］。1980年Fuchs和Stphens提供了一个改进的雨流算法。Wirsching和Light于1980年将雨流计数法应用于作用在海洋平台的海浪载荷的循环计数；Jancauskas等曾于1994年将其用于风引起的屋顶载荷的循环计数［4］。在国内，雨流也比较早的得到引进，高镇同1986年在其《疲劳应用统计学》中就已经对其进行介绍［3］，徐灏1989年在其《疲劳强度》里也介绍了雨流计数法［5］。但把它写进应力谱分析软件并应用于数据分析工作，目前还不多。本文主要的工作是：
（1）对雨流计数法的算法进行了软件程序上的实现，并作为润扬大桥结构健康监测系统数据分析工作软件的一部分。
（2）实际应用：新开发的软件对系统实时采集的时程数据进行雨流计数后得到应力谱，通过应力谱可得到润扬大桥关键构件的应力状况。
2 随机应力的统计处理方法
疲劳载荷按照幅度和频率的标准分类，可分为常幅载荷（幅度和频率都不变）、变幅载荷（幅度变化，频率不变）和随机载荷（幅度和频率都变化），对于常幅载荷下的疲劳问题，可以直接利用S-N曲线进行确定性的设计和估算，或者利用P-S-N曲线进行可靠性的设计和估算。但在工程实际中常幅载荷是很少见的，许多工程结构的疲劳载荷都是随机的。
2.1 应力谱
直接记录的随机载荷下的应力－时间历程被称为工作谱或使用谱，由于其随机性不能加以利用而必须用统计理论加以处理，处理得到的载荷－时间历程才被称为应力谱［5］。
应力谱一般有以下2种［6］：一种是程序块式应力谱，另一种是随机过程应力谱。程序块式载荷谱即将实际载荷简化成“程序加载”。所谓程序加载就是按一定程序施加不同循环次数的不同幅值的应力循环。随机应力谱是在频域中用人工制造的振动来合成实际应力历程。随机过程应力谱是比较严格和精确的，但是要有专用的疲劳试验机，试验费用较高。
编谱的重要一环是使用统计理论来处理所获得的实测样本。对于随机应力，统计分析主要
有2类［5］：一类是循环计数法，一类是功率谱法。循环计数法是把连续的应力－时间历程离散成一系列的峰值和谷值，把全部应力分成一定的级数，然后统计峰值和谷值发生的频次、概率密度函数、概率分布函数等。功率谱法是借助Fourier变换，将连续变化的随机载荷分解成无限多个具有各种频率的简单变化，以得到功率谱密度函数。对于疲劳而言，广泛采用循环计数法。
2.2 循环计数法
计数法是一种数理统计分析方法，它将不规则随机载荷时间历程简化为一系列的全循环或半循环的过程。计数法可以分为2种类型［6］：
（1）单参数计数法：这种统计分析方法只考虑载荷循环中的一个变量，例如：峰谷值、变程（相邻的峰谷值之差），分别对应于峰值计数法和幅度计数法。
（2）双参数法：此法同时考虑了2个变量，由于交变载荷本身固有的特性，对于任一应力循环，总需要2个参数来表示，雨流计数法就是一种双参数法（实际上是3参数的计数法），是目前应用最广泛的一种计数方法。
3 雨流计数法的软件实现及应用
3.1 雨流计数法的软件实现
雨流计数法在程序中的具体实现有2个步骤：数据的前处理、循环的提取。
3.1.1 数据的前处理
数据的前处理包括幅值离散化和抽取峰谷值。
双重阴谋幅值离散化的具体实现过程是：首先到最大值Xmax和最小值Xmin，然后在2个值之间插入N等分点，对于任意的X（i）都按照就近原则到一个等分点，这样幅值就离散成0~N的整数。
抽取峰谷值：由于迟滞回线不需要考虑由峰值到谷值（或者由谷值到峰值）的具体的变化过程，因此雨流法也没必要考虑峰谷之间的点，而且雨流算法也要求数据必须是峰－谷－峰－谷的格式，否则就雨流不起来了。峰谷值的判断标准是X（i）<X（i+1）且X（i+1）>X（i+2），则X（i+1）就是峰值，同理可判断谷值。
这部分在程序中用函数ppick（）实现。
3.1.2 循环的提取循环的提取主要由雨流程序和对接程序构成。雨流程序：按照上面提供的算法进行程序的编制工作，在程序中用函数rainflow（）。
对接程序：从最大值处截断然后再交换两边次序，构成收敛－发散波，继续进行雨流。该过程用函数cut（）和函数link（）实现。
通过对接后，就可以雨流计数到只剩3个点（最大最小值间的全循环），再提取出来就可以了。整个雨流计数法的程序流程如图1所示。
图1 总流程
3.2 雨流计数法软件的应用
根据雨流计数法的基本原理和具体实现的算法原理，在润扬大桥结构安全监测系统中实现了疲劳分析的应力谱分析软件。应力谱分析采用雨流算法对大桥1天、1月、1年或任意时段内的应力进行统计分析，最终反映大桥应力在各个应力循环中出现的次数，可立即得到该构件的应力状况。
图2给出了2008-01-16一天的润扬大桥跨中上游腹板纵桥向电阻式应变片应力谱分析图。软件的界面显示区域分为左中右3个部分。（1）左边区域为传感器（应变片）类型树形列表及传感器图片；（2）中间部分为趋势显示区域，只可以显示一个传感器的应力谱。中间区域包括2个图形：上图为该传感器在24 h内的应力变化趋势曲线 （应变－时程曲线）；下图为24 h内该传感器所在的桥梁部位不同应力幅值的循环次数（幅值－频次直方图）。在中间区域的上方介绍了对应的传感器编号、采样频率、传感器位置。（3）右边区域为传感器选择列表，列表内容显示了每个传感器的编号和位置，列表框的上面为应力谱分析的日期控件。
从图2所示应力谱分析可知：在1.781 MPa处，应力幅值的循环次数最大，而其他幅值处的循环次数很小；其他传感器所测数据的应力谱与图2所示的类似，从而可知各传感器测点处的应力幅值很小，润扬大桥主梁处于正常状态下。
图2 润扬大桥应力谱分析
4 结语
应力谱监测在数据分析中有重要作用，但目前应力谱一般都是离线分析，应力谱的在线监测在桥梁结构安全监测系统中还不多见。此外，在应力谱的编制中，作为主要部分的雨流计数法由于比较符合疲劳损伤规律，目前应用较广泛，但尚未在桥梁结构健康监测系统的在线数据分析工作中得到应用。为此，本文通过使用雨流计数的改进算法，开发出应力谱在线监测软件，成功运用于润扬大桥结构安全监测系统，使系统能够长期实时监测大桥关键构件的应力状况，为大桥的安全提供分析依据；实际应用表明开发的软件是成功的。
参考文献微量元素与人体健康>明清小说研究
［1］T H T Chan，Z X Li，J M Ko. Fatigue analysis and life prediction of bridges with structural health monitoring data-Part II：application［J］.International Journal of Fatigue，23（2001）：55-56.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议