本发明涉及桥梁健康监测领域，特别是指一种基于温度分布的混凝土梁桥固有频率计算方法。
背景技术：
1、桥梁动力特性是结构固有特性，只与刚度和质量分布有关，与外部激励无关。在桥梁设计阶段，动力特性主要用于动力响应分析和抗震设计，而在桥梁运行阶段，动力特性主要用于结构健康监测和状态评估。
2、随着模态分析技术的快速发展，基于动力特性的状态评估越来越广泛，已成为桥梁健康监测的主要方法。然而，由于环境因素的影响，基于动态特性的损伤识别的实际有效性远远不能满足实验室实验精度的精度要求。已有研究表明，环境因素的变化往往会导致桥梁模态参数的变化，使得基于动力特性的状态评估方法失效。因此，识别引起桥梁模态参数变化的主导环境因素，定量分析环境因素对模态参数的影响，对桥梁状态评价具有重要意义。
3、目前关于桥梁固有频率的研究很多。然而，仍有两个主要的局限性。一方面，现有的健康监测系统主要用于大跨度斜拉桥和悬索桥，根据大跨度斜拉桥和悬索桥监测结果得出的统计结论很难应用于实践中占多数的中小跨度混凝土桥梁。另一方面，虽然环境温度对桥梁固有频率的影响已经有了广泛的研究，但这些研究仅限于考虑均匀温度分布的影响，而由于热传导、对流和太阳辐射的影响，桥梁结构中的温度分布往往是不均匀的。
技术实现思路
1、本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种基于温度分布的混凝土梁桥固有频率计算方法，能更好地计算梁桥固有频率，更贴近梁桥实际运营环境，具有适用性广、计算简便等优点，在桥梁健康监测中具有广阔的应用前景。
2、本发明采用如下技术方案：
3、一种基于温度分布的混凝土梁桥固有频率计算方法，其特征在于，包括：
4、s1，对于不同类型的桥梁截面，根据桥梁截面的类型及其温度分布曲线将桥梁截面分成若干层；
5、s2，对所述桥梁截面的各层分别计算弹性模量和转动惯量，进而计算所述桥梁截面整体的等效抗弯刚度和等效中性轴；
6、s3，根据等效抗弯刚度和等效中性轴计算考虑转动惯量和剪切变形的所述桥梁的固有频率。
7、对于不同类型的所述桥梁截面，先对其温度分布曲线进行简化；再根据温度分布曲线的简化形式对桥梁截面进行分层。
8、对所述桥梁截面的各层计算的所述弹性模量随温度变化为：
9、e(t)＝e20℃(1.06-0.003t)
10、其中，e20℃为混凝土在20℃时的弹性模量，t为温度。
11、对于温度分布均匀的所述桥梁截面，所述桥梁截面的所述转动惯量和所述等效中性轴分别如下：
12、
13、i＝∫a(y-yc)2da
14、其中，yc为等效中性轴，y为y轴到截面中心的距离，a为截面面积，i为转动惯量。
15、所述桥梁截面整体的等效抗弯刚度，具体如下：
16、(ei)eff＝e20℃(1.06-0.003t)∫a(y-yc)2da
17、其中，(ei)eff为等效抗弯刚度，e20℃为混凝土在20℃时的弹性模量，t为温度，yc为等效中性轴，y为y轴到截面中心的距离，a为截面面积。
18、对于温度分布不均匀的所述桥梁截面，所述桥梁截面的所述转动惯量和所述等效中性轴分别如下：
19、
20、
21、其中，n为根据截面形式及温度不均匀分布的简化形式将截面划分的层数，ei为第i层截面的弹性模量，ai为第i层截面的面积，yi为第i层截面的中性轴，ii为第i层截面的转动惯量。
22、所述桥梁截面整体的等效抗弯刚度为：
23、
24、其中，(ei)eff为等效抗弯刚度，e20℃为混凝土在20℃时的弹性模量，ti为第i层的温度，yc为等效中性轴，yi为第i层截面的中性轴，ai为第i层截面的面积。
25、所述桥梁类型为简支梁，则所述简支梁的考虑转动惯量和剪切变形的固有频率为：
26、
27、其中，n为n阶频率，(ei)eff为等效抗弯刚度，m为单位质量，r为转动半径，a为截面面积，g为剪切模量，l为桥长。
28、所述桥梁类型为连续梁，所述连续梁的考虑转动惯量和剪切变形的固有频率为：
29、
30、其中，ρ为密度，a为截面面积，lj为连续梁第j跨的长度，(ei)eff为等效抗弯刚度，bj可通过动力三弯矩方程进行求解。
31、若采用均匀温度分布假设计算得到所述桥梁的固有频率，所述固有频率作为上界；若采用设定所述桥梁处于设定规范定义的最大温度梯度下计算得到所述桥梁的固有频率，所述固有频率作为下界。
32、由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
33、本发明从最基本的材料层面出发，将具有温度梯度的混凝土作为层状材料，利用有效抗弯刚度和有效中性轴推导出混凝土梁桥固有频率，对混凝土梁桥随截面非均匀温度分布的固有频率进行了解析分析。一般情况下，混凝土梁桥的固有频率随着环境温度的升高而降低。更重要的是，使用中国规范、英国bs5400规范和美国aashto规范定义的非均匀温度分布曲线得到的频率是下界，而使用均匀温度分布假设得到的频率是上界。本发明能更好地计算梁桥固有频率，更贴近梁桥实际运营环境，具有适用性广、计算简便等优点，在桥梁健康监测中具有广阔的应用前景。
34、现有的研究往往假设温度是均匀的，将环境温度与桥梁温度等同起来，这与实际情况不符。与这些方法相比，本发明方法更好地解释了混凝土梁桥中存在的实际温度梯度，能更好地计算梁桥固有频率，更贴近梁桥实际运营环境，具有适用性广、计算简便等优点，在桥梁健康监测中具有广阔的应用前景。
35、本发明的计算方法具有较好的适用性，能用于计算实际运营状态下的混凝土梁桥固有频率。
1.一种基于温度分布的混凝土梁桥固有频率计算方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种基于温度分布的混凝土梁桥固有频率计算方法，其特征在于，对于不同类型的所述桥梁截面，先对其温度分布曲线进行简化；再根据温度分布曲线的简化形式对桥梁截面进行分层。
3.如权利要求1所述的一种基于温度分布的混凝土梁桥固有频率计算方法，其特征在于，对所述桥梁截面的各层计算的所述弹性模量随温度变化为：
4.如权利要求1所述的一种基于温度分布的混凝土梁桥固有频率计算方法，其特征在于，对于温度分布均匀的所述桥梁截面，所述桥梁截面的所述转动惯量和所述等效中性轴分别如下：
5.如权利要求4所述的一种基于温度分布的混凝土梁桥固有频率计算方法，其特征在于，所述桥梁截面整体的等效抗弯刚度，具体如下：
6.如权利要求1所述的一种基于温度分布的混凝土梁桥固有频率计算方法，其特征在于，对于温度分布不均匀的所述桥梁截面，所述桥梁截面的所述转动惯量和所述等效中性轴分别如下：
7.如权利要求6所述的一种基于温度分布的混凝土梁桥固有频率计算方法，其特征在于，所述桥梁截面整体的等效抗弯刚度为：
8.如权利要求1所述的一种基于温度分布的混凝土梁桥固有频率计算方法，其特征在于，所述桥梁类型为简支梁，则所述简支梁的考虑转动惯量和剪切变形的固有频率为：
9.如权利要求1所述的一种基于温度分布的混凝土梁桥固有频率计算方法，其特征在于，所述桥梁类型为连续梁，所述连续梁的考虑转动惯量和剪切变形的固有频率为：
10.如权利要求1所述的一种基于温度分布的混凝土梁桥固有频率计算方法，其特征在于，若采用均匀温度分布假设计算得到所述桥梁的固有频率，所述固有频率作为上界；若采用设定所述桥梁处于设定规范定义的最大温度梯度下计算得到所述桥梁的固有频率，所述固有频率作为下界。
