无翼板钢箱梁桥温度疲劳荷载谱和构建方法

本发明属于桥梁工程，具体涉及到一种无翼板钢箱梁桥温度疲劳荷载谱和构建方法。

背景技术：

1、无翼板钢箱梁为一种典型的闭口截面形式，由于其特殊的截面形式，无翼板钢箱梁腹板会直接受到太阳照射，导致其横向和竖向温度梯度形式较为复杂。无翼板钢箱梁在竖向非线性温度梯度作用下会产生纵向温度疲劳应力。由于闭口截面的框架效应，横向温度梯度会导致无翼板钢箱梁截面产生横向温度疲劳应力。无翼板钢箱梁温度作用包含日温差和季节性温差的循环作用，可采用温度梯度疲劳荷载谱的形式来表征温度疲劳作用。因此，为满足无翼板钢箱梁桥抗疲劳设计需求，应提出适用于设计使用年限达200年的无翼板钢箱梁桥竖向和横向温度梯度疲劳荷载谱。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术在于提供一种可用于150年、200年长寿命设计或疲劳寿命评估的无翼板钢箱梁桥温度疲劳荷载谱和构建方法。

2、解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种无翼板钢箱梁桥温度疲劳荷载谱，该温度疲劳荷载谱包括竖向温度梯度疲劳荷载谱和横向温度梯度疲劳荷载谱；所述竖向温度梯度疲劳荷载谱由6个竖向温度子梯度及子梯度在设计使用年限内的发生概率组成，具体为：

3、

4、式中，tgi(y)为第i个竖向温度子梯度在位置y处的温度，h为无翼板钢箱梁桥梁截面高度，gi为第i个竖向温度子梯度，tgi,1、tgi,2、tgi,3分别为第i个竖向温度子梯度中钢箱梁顶板处、0.86h高度处、钢箱梁底板处的温度代表值，单位为℃。tg1,1、tg1,2、tg1,3分别为第1个竖向温度子梯度中钢箱梁顶板处、0.86h高度处、钢箱梁底板处的温度代表值，tg1,1的取值范围是[3.3,6.2]，单位为℃，tg1,2的取值范围是[4.8,7.4]，单位为℃，tg1,3的取值范围是[0.3,3.2]，单位为℃，tgi,j为第i个竖向温度子梯度中第j个典型高度处温度代表值，nd为设计使用年限，tg1,j为第1个竖向温度子梯度中第j个典型高度处温度代表值，p(tg1(y))、p(tg2(y))、p(tg3(y))、p(tg4(y))、p(tg5(y))、p(tg6(y))分别为6个竖向温度子梯度在设计使用年限内的发生概率，tg1,1、tg2,1、tg3,1、tg4,1、tg5,1、tg6,1分别为6个竖向温度子梯度中钢箱梁顶板处的温度代表值；

5、所述横向温度梯度疲劳荷载谱由6个横向温度子梯度及子梯度在设计使用年限内的发生概率组成，具体为：

6、

7、式中，thq(x)为第q个横向温度子梯度在位置x处的温度，l为无翼板钢箱梁宽度，hq为第q个横向温度子梯度，thq,1、thq,2、thq,3分别为第q个无翼板钢箱梁桥横向温度子梯度中阳面侧边缘处、靠近阳面0.6l位置处、阴面侧边缘处的温度代表值，单位为℃，th1,1、th1,2、th1,3分别为第1个横向温度子梯度中阳面侧边缘处、靠近阳面0.6l位置处、阴面侧边缘处的温度代表值，th1,1的取值范围是[8.6,11.2]，单位为℃，th1,2的取值范围是[7.6,10.1]，单位为℃，th1,3的取值范围是[8.4,12.2]，单位为℃，thq,w为第q个横向温度子梯度中第w个典型位置处温度代表值，nd为设计使用年限，th1,w为第1个横向温度子梯度中第w个典型位置处温度代表值，p(th1(x))、p(th2(x))、p(th3(x))、p(th4(x))、p(th5(x))、p(th6(x))分别为六个横向温度子梯度在设计使用年限内的发生概率，th1,1、th2,1、th3,1、th4,1、th5,1、th6,1分别为六个横向温度子梯度阳面侧边缘处的温度代表值。

8、本发明还提供一种无翼板钢箱梁桥温度疲劳荷载谱的构建方法，包括以下步骤：

9、步骤1、采集无翼板钢箱梁桥的温度数据：

10、在无翼板钢箱梁桥上共布置m个测点，间隔一定时间采集各个测点的温度值，得到各个位置的实测温度梯度时程曲线，将实测温度梯度时程曲线通过长短记忆递归神经网络扩展至设计使用年限nd典型位置处温度历程，得到设计使用年限内每一天各个测点处日温度极大值，构建设计使用年限日温极值矩阵q＝[m1,m2,…,mt,…，mnd×365],mt为第t天各测点的日温度极大值向量，y1为第1个温度测点的位置坐标，ym为第m个温度测点的位置坐标，为第t天第1个温度测点的温度极大值，为第t天第m个温度测点的温度极大值；

11、步骤2、采用kmeans++算法确定初始聚类中心与聚类族：

12、步骤2.1、定义聚类族个数为cl，从设计使用年限日温极值矩阵q中随机选取一个向量作为第一初始聚类中心，根据曼哈顿距离计算方法得到设计使用年限日温极值矩阵q中其他向量与第一初始聚类中心的曼哈顿距离，选取出与第一初始聚类中心的曼哈顿距离最大的向量作为第二初始聚类中心；

13、步骤2.2、根据曼哈顿距离计算方法，分别计算设计使用年限日温极值矩阵q中除已确定的初始聚类中心外其他每一个向量与已确定的所有初始聚类中心的曼哈顿距离之和，选取出曼哈顿距离之和最大的向量作为下一个初始聚类中心；

14、步骤2.3、重复步骤2.2，直至选取出cl个初始聚类中心，并构建cl个初始聚类族；

15、步骤3、对设计使用年限日温极值矩阵q中的向量划分聚类族：

16、根据曼哈顿距离计算方法得到设计使用年限日温极值矩阵q中每一个向量与cl个初始聚类中心的曼哈顿距离，将设计使用年限日温极值矩阵q中每一个向量划分到与其曼哈顿距离最小的初始聚类中心对应的初始聚类族中；

17、步骤4、更新聚类族：

18、将每个聚类族中所有向量点求均值得到的向量，作为每个聚类族的虚新聚类中心，计算每个聚类族的虚新聚类中心与其旧聚类中心之间的曼哈顿距离dv，曼哈顿距离dv≤设定阈值dth的聚类族的聚类中心不变，曼哈顿距离dv＞设定阈值dth的聚类族，将虚新聚类中心作为新聚类中心，重复步骤3更新聚类族，直至所有聚类族的虚新聚类中心与其旧聚类中心之间的曼哈顿距离dv≤设定阈值dth，得到最终聚类族；

19、步骤5、确定合理聚类族个数cl：

20、令聚类族个数cl依次为2～10中的整数，按照步骤2、3操作得到相应聚类族个数cl的9组最终聚类族，每组最终聚类族的聚类中心构成聚类中心矩阵，每个聚类中心矩阵按照下式得到残日温极大值残差平方和rmse，绘制cl-rmse二维折线图，根据肘部法则判断，确定最佳的聚类族个数cl＝6；

21、

22、式中，为聚类中心矩阵中第k行向量；

23、步骤6、确定温度疲劳荷载谱：

24、利用步骤5确定的聚类族个数cl及与之对应的聚类中心矩阵cend，各个聚类族为温度子梯度，聚类中心矩阵的行向量取值为各个温度子梯度的典型代表值，每个聚类族的样本点个数除以总个数即为每个温度子梯度的发生概率，从而得到对应的无翼板钢箱梁桥温度疲劳荷载谱。

25、优选的，所述阈值dth取值范围是[0.00005,0.01]。

26、优选的，所述步骤1中m个测点用于竖向温度疲劳荷载谱的构建，布置方法为：在无翼板钢箱梁桥的底板上表面布置1个测点，并以该测点为坐标原点，沿着垂直高度方向在中腹板、顶板上布置测点，共布置m＝11个测点，测点位置以距无翼板钢箱梁底板上表面的垂直距离表示为0.00m、h-3.15m、h-2.15m、h-1.65m、h-1.15m、h-0.65m、h-0.35m、h-0.25m、h-0.15m、h-0.05m、h。

27、优选的，所述步骤1中m个测点用于横向温度疲劳荷载谱的构建，布置方法为：在顶板阳面侧边缘处布置一测点，并以该测点为坐标原点，沿着顶板宽度方向共布置m＝4个测点，测点位置以距坐标原点的水平距离表示为0.00m、l-10.35m、l-5.35m、l-15.75m。

28、优选的，所述步骤1中集各个测点的温度值间隔时间为60～1200秒。

29、本发明的有益效果如下：

30、1.本发明所构建的温度疲劳荷载谱考虑横向与竖向温度梯度的影响，可用于模拟无翼板钢箱梁温度疲劳应力历程，为完善钢桥抗疲劳设计体系提供技术依据，所提出的温度梯度疲劳荷载谱适用于100年、150年和200年的设计使用年限，满足长寿命设计的需求。

31、2.本发明所提出的温度梯度疲劳荷载谱构建方法应用了kmeans++算法，克服了原有温度聚类时确定初始聚类中心困难的问题，提高了聚类的准确性和效率，利用温度场长期监测数据，构建无翼板钢箱梁桥竖向与横向温度梯度疲劳荷载谱，提高了数据的利用效率。

32、3.本发明通过精确模拟温度疲劳应力历程，有助于提高桥梁结构的安全性和耐久性。

33、4.本发明的实施为温度疲劳损伤分析提供依据，解决了钢桥抗疲劳设计中缺少无翼板钢箱梁桥温度疲劳荷载谱的问题，有助于推动桥梁工程技术领域的发展，特别是在钢桥设计和评估方面。