一种基于偏载变形特征的UHPC箱梁扭转受力分析系统及方法

本发明涉及桥梁施工监测的领域，尤其涉及一种基于偏载变形特征的uhpc箱梁扭转受力分析系统及方法。

背景技术：

1、超高性能混凝土（uhpc，ultra-high performance concrete）桥梁具有混凝土截面尺寸更小、自重更轻、抗裂性能和承载力更优的特点，因其空间受力性能优异和uhpc轻质薄壁发展的需要，薄壁uhpc箱梁在实际工程中具有重要的应用前景。但是薄壁uhpc箱梁受偏载作用的影响会发生扭转等结构问题，而对于薄壁uhpc箱梁偏载下扭转和畸变变形的基础理论研究尚不充分。畸变效应导致薄壁uhpc箱梁的截面应力不均匀分布式制约薄壁uhpc箱梁扭转承载性能的不利因素，相反uhpc超高强度和受拉应变硬化特性可显著提高薄壁uhpc箱梁的承载能力。目前对于薄壁uhpc箱梁扭转试验数据和理论研究积累有限，薄壁uhpc箱梁偏载作用下受力状态尚不明确，无法为竖向偏载作用下薄壁uhpc箱梁和曲线箱梁桥的计算分析提供理论基础，不能为桥梁施工提供可靠准确的指导。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于偏载变形特征的uhpc箱梁扭转受力分析系统及方法，其对uhpc箱梁进行三维全场应变测量，得到梁长方向所有截面特征点的三维空间位移，以此确定箱梁在非线性受力阶段在梁长方向的截面应变变化，从而识别与定位箱梁的扭转受力最不利截面，利用xtdic实现对箱梁的全表面动态定位检测并获取截面上主要点的位移量，以此标定箱体中扭转受力影响最大的截面；再结合扭转受力最不利截面上特征点的三维空间位移及其几何特征，得到截面的变形与应变分布规律，进而确定箱梁的偏载下扭转和畸变变形状态，对扭转畸变效应进行定量识别；还基于箱梁的偏载下扭转和畸变变形信息，得到箱梁的扭转受力状态，实现对箱梁的扭转受力的准确识别和科学分析，以及判断箱梁是否超出自身的扭转受力承载极限，为桥梁施工提供可靠准确的指导。

2、本发明是通过以下技术方案实现：

3、基于偏载变形特征的uhpc箱梁扭转受力分析系统，包括：

4、应变测量模块，用于对uhpc箱梁进行三维全场应变测量，得到所述uhpc箱梁在自身梁长方向对应的所有截面特征点的三维空间位移；

5、扭转受力最不利截面识别模块，用于基于所述三维空间位移，得到所述uhpc箱梁在非线性受力阶段在自身梁长方向对应的所有截面的应变变化信息，以此识别和定位所述uhpc箱梁的扭转受力最不利截面；

6、变形与应变分布规律确定模块，用于基于所述扭转受力最不利截面上特征点的三维空间位移和几何特征，得到所述扭转受力最不利截面的变形与应变分布规律；

7、偏载下扭转和畸变变形确定模块，用于基于所述扭转受力最不利截面的变形与应变分布规律，得到所述uhpc箱梁的偏载下扭转和畸变变形信息；

8、扭转受力状态确定模块，用于基于所述uhpc箱梁的偏载下扭转和畸变变形信息，得到所述uhpc箱梁的扭转受力状态信息；

9、箱梁承载状态判断模块，用于基于所述uhpc箱梁的扭转受力状态信息，判断所述uhpc箱梁当前扭转受力是否超出自身的扭转受力承载极限。

10、可选地，所述应变测量模块用于对uhpc箱梁进行三维全场应变测量，得到所述uhpc箱梁在自身梁长方向对应的所有截面特征点的三维空间位移，包括：

11、对uhpc箱梁进行三维全场应变测量，得到所述uhpc箱梁全局表面的动态散斑图像；对所述动态散斑图像进行分析，得到所述uhpc箱梁全局表面的三维坐标变化信息；

12、基于所述uhpc箱梁在自身梁长方向对应的所有侧壁中点和角点在所述全局表面的分布位置信息，从所述全局表面的三维坐标变化信息中提取得到所有侧壁中点和角点各自的三维空间位移；

13、所述扭转受力最不利截面识别模块用于基于所述三维空间位移，得到所述uhpc箱梁在非线性受力阶段在自身梁长方向对应的所有截面的应变变化信息，以此识别和定位所述uhpc箱梁的扭转受力最不利截面，包括：

14、对所有侧壁中点和角点的三维空间位移进行拟合分析，得到所述uhpc箱梁在非线性受力阶段在自身梁长方向对应的所有截面各自的应力值和塑性发展程度；若所述应力值大于预设应力阈值或所述塑性发展程度大于预设程度阈值，则确定对应的截面属于箱梁扭转塑性铰区域，以此作为所述uhpc箱梁的扭转受力最不利截面；否则，确定对应的截面不属于箱梁扭转塑性铰区域；再基于所述扭转受力最不利截面包含的所有侧壁中点和角点在所述uhpc箱梁的分布位置信息，确定所述扭转受力最不利截面在所述uhpc箱梁的位置信息。

15、可选地，所述变形与应变分布规律确定模块用于基于所述扭转受力最不利截面上特征点的三维空间位移和几何特征，得到所述扭转受力最不利截面的变形与应变分布规律，包括：

16、基于所述扭转受力最不利截面在所述uhpc箱梁的位置信息，得到所述扭转受力最不利截面的边缘轮廓几何形状特征；基于所述扭转受力最不利截面上特征点的三维空间位移和所述边缘轮廓几何形状特征，对所述扭转受力最不利截面进行关于变形量和应变量的平面分布拟合计算处理，得到所述扭转受力最不利截面的变形与应变分布规律；其中，所述变形与应变分布规律包括所述扭转受力最不利截面上每个位置点的变形量和应变量与所述位置点在所述扭转受力最不利截面的位置坐标之间的关系规律；

17、所述偏载下扭转和畸变变形确定模块用于基于所述扭转受力最不利截面的变形与应变分布规律，得到所述uhpc箱梁的偏载下扭转和畸变变形信息，包括：

18、基于所有扭转受力最不利截面各自的变形与应变分布规律，确定不同扭转受力最不利截面相互之间的变形偏差和应变偏差；基于所述变形偏差和所述应变偏差，对所述uhpc箱梁发生的扭转和畸变变形拟合处理，得到所述uhpc箱梁的扭转和畸变变形量和扭转畸变发生位置信息，以此作为所述偏载下扭转和畸变变形信息。

19、可选地，所述扭转受力状态确定模块用于基于所述uhpc箱梁的偏载下扭转和畸变变形信息，得到所述uhpc箱梁的扭转受力状态信息，包括：

20、基于所述uhpc箱梁的偏载下扭转和畸变变形信息包含的扭转和畸变变形量和扭转畸变发生位置信息，确定所述uhpc箱梁内部偏载下扭转和畸变变形发生位置处的扭转受力；基于所述uhpc箱梁的材料力学特征，对所述uhpc箱梁内部偏载下扭转和畸变变形发生位置处的扭转受力进行扩展计算，得到所述uhpc箱梁内部全局的扭转受力大小分布信息；

21、所述箱梁承载状态判断模块用于基于所述uhpc箱梁的扭转受力状态信息，判断所述uhpc箱梁当前扭转受力是否超出自身的扭转受力承载极限，包括：

22、基于所述uhpc箱梁内部全局的扭转受力大小分布信息，确定所述uhpc箱梁的最大扭转受力值；若所述最大扭转受力值大于或等于预设受力阈值，则判断所述uhpc箱梁当前扭转受力超出自身的扭转受力承载极限；否则，判断所述uhpc箱梁当前扭转受力未超出自身的扭转受力承载极限。

23、可选地，还根据所述uhpc箱梁的扭转受力状态信息，生成所述uhpc箱梁内部全局的扭转直观受力三维颜色模型图，包括：

24、步骤s1，利用下面公式（1），根据所述uhpc箱梁内部全局的扭转受力大小的数值状态，得到所述受力三维单颜色模型图的颜色分配基准系数，

25、（1），

26、在上述公式（1）中，表示所述受力三维单颜色模型图的颜色分配基准系数；表示所述uhpc箱梁内部全局的坐标位置点对应的扭转受力大小；表示所述uhpc箱梁内部全局的坐标位置点对应的扭转受力大小；表示所述uhpc箱梁内部全局坐标点的集合；表示属于；表示在满足且的条件下得到能够取到的最大值；表示在满足且的条件下得到能够取到的最小值；表示单颜色模型图的颜色色值的最大值；

27、步骤s2，利用下面公式（2），根据所述uhpc箱梁内部全局的扭转受力大小分布信息以及所述直观受力三维模型图的颜色分配基准系数，生成所述uhpc箱梁内部全局的扭转受力三维单颜色模型图，

28、 （2），

29、在上述公式（2）中，表示生成的所述uhpc箱梁内部全局的扭转受力三维单颜色模型图中坐标位置点对应的红色色值；表示对括号内的数值进行向下取整；

30、步骤s3，利用下面公式（3），根据所述uhpc箱梁内部全局的扭转直观受力三维单颜色模型图控制颜色值较低的区域进行颜色更改，从而形成所述uhpc箱梁内部全局的扭转直观受力三维颜色模型图，

31、  （3），

32、在上述公式（3）中，表示当所述uhpc箱梁内部全局的扭转受力三维单颜色模型图中坐标位置点对应的红色色值大于128时，则当前坐标位置点对应的颜色仍为红色且红色色值仍为；表示当所述uhpc箱梁内部全局的扭转受力三维单颜色模型图中坐标位置点对应的红色色值大于64小于等于128时，则当前坐标位置点对应的颜色控制更改为黄色且黄色色值为表示当所述uhpc箱梁内部全局的扭转受力三维单颜色模型图中坐标位置点对应的红色色值小于等于64时，则当前坐标位置点对应的颜色控制更改为绿色且绿色色值为。

33、基于偏载变形特征的uhpc箱梁扭转受力分析方法，包括：

34、对uhpc箱梁进行三维全场应变测量，得到所述uhpc箱梁在自身梁长方向对应的所有截面特征点的三维空间位移；基于所述三维空间位移，得到所述uhpc箱梁在非线性受力阶段在自身梁长方向对应的所有截面的应变变化信息，以此识别和定位所述uhpc箱梁的扭转受力最不利截面；

35、基于所述扭转受力最不利截面上特征点的三维空间位移和几何特征，得到所述扭转受力最不利截面的变形与应变分布规律；基于所述扭转受力最不利截面的变形与应变分布规律，得到所述uhpc箱梁的偏载下扭转和畸变变形信息；

36、基于所述uhpc箱梁的偏载下扭转和畸变变形信息，得到所述uhpc箱梁的扭转受力状态信息；再基于所述uhpc箱梁的扭转受力状态信息，判断所述uhpc箱梁当前扭转受力是否超出自身的扭转受力承载极限。

37、可选地，对uhpc箱梁进行三维全场应变测量，得到所述uhpc箱梁在自身梁长方向对应的所有截面特征点的三维空间位移；基于所述三维空间位移，得到所述uhpc箱梁在非线性受力阶段在自身梁长方向对应的所有截面的应变变化信息，以此识别和定位所述uhpc箱梁的扭转受力最不利截面，包括：

38、对uhpc箱梁进行三维全场应变测量，得到所述uhpc箱梁全局表面的动态散斑图像；对所述动态散斑图像进行分析，得到所述uhpc箱梁全局表面的三维坐标变化信息；

39、基于所述uhpc箱梁在自身梁长方向对应的所有侧壁中点和角点在所述全局表面的分布位置信息，从所述全局表面的三维坐标变化信息中提取得到所有侧壁中点和角点各自的三维空间位移；

40、对所有侧壁中点和角点的三维空间位移进行拟合分析，得到所述uhpc箱梁在非线性受力阶段在自身梁长方向对应的所有截面各自的应力值和塑性发展程度；若所述应力值大于预设应力阈值或所述塑性发展程度大于预设程度阈值，则确定对应的截面属于箱梁扭转塑性铰区域，以此作为所述uhpc箱梁的扭转受力最不利截面；否则，确定对应的截面不属于箱梁扭转塑性铰区域；再基于所述扭转受力最不利截面包含的所有侧壁中点和角点在所述uhpc箱梁的分布位置信息，确定所述扭转受力最不利截面在所述uhpc箱梁的位置信息。

41、可选地，基于所述扭转受力最不利截面上特征点的三维空间位移和几何特征，得到所述扭转受力最不利截面的变形与应变分布规律；基于所述扭转受力最不利截面的变形与应变分布规律，得到所述uhpc箱梁的偏载下扭转和畸变变形信息，包括：

42、基于所述扭转受力最不利截面在所述uhpc箱梁的位置信息，得到所述扭转受力最不利截面的边缘轮廓几何形状特征；基于所述扭转受力最不利截面上特征点的三维空间位移和所述边缘轮廓几何形状特征，对所述扭转受力最不利截面进行关于变形量和应变量的平面分布拟合计算处理，得到所述扭转受力最不利截面的变形与应变分布规律；其中，所述变形与应变分布规律包括所述扭转受力最不利截面上每个位置点的变形量和应变量与所述位置点在所述扭转受力最不利截面的位置坐标之间的关系规律；

43、基于所有扭转受力最不利截面各自的变形与应变分布规律，确定不同扭转受力最不利截面相互之间的变形偏差和应变偏差；基于所述变形偏差和所述应变偏差，对所述uhpc箱梁发生的扭转和畸变变形拟合处理，得到所述uhpc箱梁的扭转和畸变变形量和扭转畸变发生位置信息，以此作为所述偏载下扭转和畸变变形信息。

44、可选地，基于所述uhpc箱梁的偏载下扭转和畸变变形信息，得到所述uhpc箱梁的扭转受力状态信息；再基于所述uhpc箱梁的扭转受力状态信息，判断所述uhpc箱梁当前扭转受力是否超出自身的扭转受力承载极限，包括：

45、基于所述uhpc箱梁的偏载下扭转和畸变变形信息包含的扭转和畸变变形量和扭转畸变发生位置信息，确定所述uhpc箱梁内部偏载下扭转和畸变变形发生位置处的扭转受力；基于所述uhpc箱梁的材料力学特征，对所述uhpc箱梁内部偏载下扭转和畸变变形发生位置处的扭转受力进行扩展计算，得到所述uhpc箱梁内部全局的扭转受力大小分布信息；

46、基于所述uhpc箱梁内部全局的扭转受力大小分布信息，确定所述uhpc箱梁的最大扭转受力值；若所述最大扭转受力值大于或等于预设受力阈值，则判断所述uhpc箱梁当前扭转受力超出自身的扭转受力承载极限；否则，判断所述uhpc箱梁当前扭转受力未超出自身的扭转受力承载极限。

47、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

48、本技术提供的基于偏载变形特征的uhpc箱梁扭转受力分析系统及方法对uhpc箱梁进行三维全场应变测量，得到梁长方向所有截面特征点的三维空间位移，以此确定箱梁在非线性受力阶段在梁长方向的截面应变变化，从而识别与定位箱梁的扭转受力最不利截面，利用xtdic实现对箱梁的全表面动态定位检测并获取截面上主要点的位移量，以此标定箱体中扭转受力影响最大的截面；再结合扭转受力最不利截面上特征点的三维空间位移及其几何特征，得到截面的变形与应变分布规律，进而确定箱梁的偏载下扭转和畸变变形状态，对扭转畸变效应进行定量识别；还基于箱梁的偏载下扭转和畸变变形信息，得到箱梁的扭转受力状态，实现对箱梁的扭转受力的准确识别和科学分析，以及判断箱梁是否超出自身的扭转受力承载极限，为桥梁施工提供可靠准确的指导。