一种基于影响线的桥梁快速检测方法技术

本发明专利技术涉及一种桥梁快速检测方法，属于土木工程应用技术领域。首先采用已知轴重和轴距的加载试验车进行加载测得测试点的响应；然后通过采用特定函数(分段多项式和正弦波叠)拟合测点动力响应的方法提取桥梁的影响线信息；引入轮胎‑路面应力分布经验公式，建立轮胎‑路面接触力梯形分布模型；结合实际影响线信息和车辆轮胎‑路面接触力分布模型，采用线性叠加方法重构不同车辆荷载组合作用下桥梁测点响应信息，即实现基于影响线的桥梁快速检测。本发明专利技术基于单一车辆的少数几次行车试验就能够快速准确地获取实际影响线信息，并重构出不同静力荷载组合工况下桥梁响应信息，达到对桥梁的快速检测，本发明专利技术方法解决了现有桥梁检测方法存在的耗时长，经济成本高以及较长时间交通阻断等缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种基于影响线的桥梁快速检测方法
本专利技术涉及一种基于影响线的桥梁快速检测方法；属于土木工程应用

技术介绍
桥梁结构的响应是与其各项基本物理参数相关的函数，一旦其承载能力出现退化，各项物理参数也必然随之改变，从而使相同荷载作用下的结构响应也发生变化。通过对实测响应和理论计算结果的分析比较，可以准确地了解桥梁实际的运营状态，并对其安全性和可靠性进行判定。常用的桥梁承载力评定方法如静载试验法，将与最大设计荷载值相当的静力荷载(如：多个车辆荷载)作用在桥上指定位置，然后对桥梁结构的位移、应变、裂缝宽度等参量进行测试，从而对桥梁结构在荷载作用下的工作性能做出评价。在现场测试中，静载试验需要的荷载量大，测试工况多，耗时长，可能导致较长时间交通阻断，并且对测试环境的要求也较为严格，其开展成本较高。在本课题组前期的研究如(专利号：201510212858.9)，其也尝试提出了一种桥梁影响线动态测试方法。但随着后期研究工作的进展，发现该方法从桥梁动力响应中提取测点影响线信息时，反算的初始影响线受振动干和扰测试噪声影响较大而不利于实际影响线的准确提取。且在车辆速度不均匀的情况下，所提取的影响线形状上存有一定的偏差。所以采用其用于检测桥梁时，还存在精度上的问题。基于此，为了实现高精度、快速检测桥梁，提出了本专利技术。
技术实现思路
针对现有桥梁检测方法存在的测试工况多，耗时长，可能导致较长时间交通阻断，对测试环境的要求较为严格，开展成本较高等缺陷。本专利技术首次提出一种基于实际影响线的桥梁快速检测方法。能够快速准确地获取不同静力荷载工况下桥梁的响应信息。本专利技术一种基于影响线的桥梁快速检测方法，包括下述步骤：步骤一：动力响应测试采用已知轴重和轴距的加载试验车，从桥梁一端上桥，以频率f进行采样，记录车辆通过桥梁全过程的速度及桥梁各测点的动力响应；所述动力响应包括动应变、动挠度；步骤二：影响线的计算和提取以步骤一所得测点动力响应为基础，通过分段多项式和正弦波的叠加来拟合测点的动力响应，从实测动力响应中提取桥梁的影响线信息；步骤三：轮胎-路面接触力分布模型的建立引入轮胎-路面应力分布经验公式和梯形分布模型和来建立轮胎-路面接触力分布模型；步骤四：不同静力荷载工况下桥梁响应的计算针对不同的静力荷载组合工况，采用步骤三求得各轮胎-路面接触力分布模型，结合步骤二所得实际影响线以及各轮胎-路面接触力分布情况，线性叠加计算求得各测点在不同静力荷载工况下的响应信息，从而实现响应重构。达到用“影响线测试”替代“静载试验”的目的。所述响应信息包括应变信息和挠度信息。作为优选方案，一种基于影响线的桥梁快速检测方法，其特征在于：步骤一中，动力响应测试时；按下述方案进行：采用已知轴重和轴距的加载试验车，从桥梁一端上桥，以频率f进行采样，记录车辆通过桥梁全过程的速度及桥梁各测点的动力响应；定义：加载车辆的第i轴轴重为mi，第i轴与第1轴的距离为di，i取值(1,2,...,num)，其中d1＝0，所述num代表车辆总轴数。所述动力响应包括动应变、动挠度；从车辆经过桥梁时产生的动力响应中选取第一轴上桥至最后一个轴出桥的响应为研究对象，将其定义为R。假设数据的采样频率为f，该段响应的数据总点数为K，则R可记录为R＝{r1,r2,...,rK}；同理，定义时间T＝{t1,t2,...,tK}，速度V＝{v1,v2,...,vK}，以及第一轴与起始点距离X＝{x1,x2,...,xK}；pi,qi和si定义为车辆第i轴上桥、出桥和经过测点位置时对应的采样点，满足：(1)p1＝1,xp1＝0,xpi≤di,xpi+1>di(2)xqi≤Lb+di,xqi+1>Lb+di(3)xsi≤a+di,xsi+1>a+di；a表示测点位置到上桥端的距离；在初始时刻，x1＝0,t1＝0,且由于采样频率一定，tj+1-tj＝△t＝1/f，则对于任一时刻k，第一轴与起始点距离xk可以表示为：作为优选方案，一种基于影响线的桥梁快速检测方法，步骤二中实桥影响线的提取时，按下述方案进行：对前期研究如专利(专利号：201510212858.9)进一步深入时，发现该方法从桥梁动力响应中提取测点影响线信息时，反算的初始影响线受振动干和扰测试噪声影响较大而不利于实际影响线的准确提取。且在车辆速度不均匀的情况下，所提取的影响线形状上存有一定的偏差。本专利技术结合车轴信息并考虑实时车辆速度，采用分段多项式和一系列正弦曲线叠加来直接拟合桥梁响应，避免对初始影响线的反算而直接获得更加准确的桥梁影响线信息。实际测试的由车辆通过产生的桥梁动态响应一般包含准静态部分，波动部分和噪声。构建混合函数所述为准静态部分与动态部分叠加，所述用于拟合准静态部分Rs、所述用于拟合动态波动部分RD。然后依次按照(1)分段多项式叠加拟合准静态响应、(2)谐波叠加拟合动力响应、(3)影响线提取进行操作；(1)分段多项式叠加拟合准静态响应定义桥梁x＝a处挠度影响线的表达式为以下分段函数：公式(2)中Lb为桥梁跨度，a3、a2、a1、a0、b3、b2、b1、b0为均为所述多项式I的系数；实测响应R的准静态响应部分Rs主要由车辆的重量决定，其拟合方程如下：公式(3)中，是K×1的向量，它表示桥梁响应静力部分的拟合值；[H1]是一个K×8的矩阵，它由车辆的轴重、轴距、行驶速度以及采样频率决定；{λ}＝{a3a2a1a0b3b2b1b0}T为待求影响线系数向量；其中[H1]按公式(4)进行计算；公式(4)中，i表示车辆的第i轴,mi表示第i轴的轴重，[Mi]是用于影响线叠加的系数矩阵；K表示第一轴上桥至最后一个轴出桥时间段内数据总点数；pi,qi为车辆第i轴上桥、出桥时对应的采样点号；pi,qi和si分别是车辆第i轴上桥、出桥和经过测点时相对应的采样点点号，满足以下条件：：p1＝1，xp1＝0，xpi≤di，xpi+1>di；xqi≤Lb+di，xqi+1>Lb+di；xsi≤a+di，xsi+1>a+di；其中，a表示测点与起始点的距离，di表示车辆第i轴与第1轴之间的距离，其中d1＝0。将公式(4)、(5)、(6)以及{λ}代入公式(3)中，求解得到的表达式。(2)谐波叠加拟合动力响应多轴车辆过桥时，响应的波动部分是由一系列正弦曲线叠加而成；忽略车体质量对桥梁自振频率的影响，测点x＝a处的挠度可以表示为：其拟合函数可写成其中：根据时间点将[H2]离散成矩阵形式，见公式(10)：其中：式(11)中，Δn,i表示由mi引起的第n阶振型的静力响应，为常量；Sn＝nπv/Lbwn是与车辆速度和桥梁模态参数相关的常量；则明显地，h(t,n)与时间相关的常数，由已知的桥梁频率wn，车辆速度v、轴重mi求得；ψn则与第n阶模态参数相关，作为未知常数，通过拟合计算确定；式(8)中是K×1的向量，它表示桥梁响应动力部分的拟合值；[H2]是K×n阶的稀疏矩阵，它与轴重mi、轴距di、车辆速度v以及采样频率f有关；{Ψ}是n×1的待求系数向量；n是模态阶数；结合公式(3)和公式(8)，可以建立起关于实测响应R的拟合方程，如公式(12)：(3)影响线提取定义和Rk(k＝1,2,…,K)的误差函数如下，结合公式(1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于影响线的桥梁快速检测方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一：动力响应测试采用已知轴重和轴距的加载试验车，从桥梁一端上桥，以频率f进行采样，记录车辆通过桥梁全过程的速度及桥梁各测点的动力响应；所述动力响应包括动应变、动挠度；步骤二：影响线的计算和提取以步骤一所得测点动力响应为基础，通过分段多项式和正弦波的叠加来拟合测点的动力响应，从实测动力响应中提取桥梁的影响线信息；步骤三：轮胎‑路面接触力分布模型的建立引入轮胎‑路面应力分布经验公式和梯形分布模型和来建立轮胎‑路面接触力分布模型；步骤四：不同静力荷载工况下桥梁响应重构针对不同的静力荷载组合工况，采用步骤三求得各轮胎‑路面接触力分布模型，结合步骤二所得实际影响线以及各轮胎‑路面接触力分布情况，线性叠加计算求得各测点在不同静力荷载工况下的响应信息，从而实现响应重构；所述响应信息包括应变信息和挠度信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于影响线的桥梁快速检测方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一：动力响应测试采用已知轴重和轴距的加载试验车，从桥梁一端上桥，以频率f进行采样，记录车辆通过桥梁全过程的速度及桥梁各测点的动力响应；所述动力响应包括动应变、动挠度；步骤二：影响线的计算和提取以步骤一所得测点动力响应为基础，通过分段多项式和正弦波的叠加来拟合测点的动力响应，从实测动力响应中提取桥梁的影响线信息；步骤三：轮胎-路面接触力分布模型的建立引入轮胎-路面应力分布经验公式和梯形分布模型和来建立轮胎-路面接触力分布模型；步骤四：不同静力荷载工况下桥梁响应重构针对不同的静力荷载组合工况，采用步骤三求得各轮胎-路面接触力分布模型，结合步骤二所得实际影响线以及各轮胎-路面接触力分布情况，线性叠加计算求得各测点在不同静力荷载工况下的响应信息，从而实现响应重构；所述响应信息包括应变信息和挠度信息。2.根据权利要求1所述的一种基于影响线的桥梁快速检测方法，其特征在于：步骤一中，动力响应测试时；采用已知轴重和轴距的加载试验车，从桥梁一端上桥，以频率f进行采样，记录车辆通过桥梁全过程的速度及桥梁各测点的动力响应；定义：加载车辆的第i轴轴重为mi，第i轴与第1轴的距离为di，i取值(1,2,...,num)，其中d1＝0，所述num代表车辆总轴数；所述动力响应包括动应变、动挠度；从车辆经过桥梁时产生的动力响应中选取第一轴上桥至最后一个轴出桥的响应为研究对象，将其定义为R；假设数据的采样频率为f，该段响应的数据总点数为K，则R可记录为R＝{r1,r2,...,rK}；同理，定义时间T＝{t1,t2,...,tK}，速度V＝{v1,v2,...,vK}，以及第一轴与起始点距离X＝{x1,x2,...,xK}；pi,qi和si定义为车辆第i轴上桥、出桥和经过测点位置时对应的采样点，满足：(1)p1＝1,xp1＝0,xpi≤di,xpi+1>di(2)xqi≤Lb+di,xqi+1>Lb+di(3)xsi≤a+di,xsi+1>a+di；a表示测点位置到上桥端的距离；在初始时刻，x1＝0,t1＝0,且由于采样频率一定，tj+1-tj＝△t＝1/f，则对于任一时刻k，第一轴与起始点距离xk可以表示为：3.根据权利要求1所述的一种基于影响线的桥梁快速检测方法，其特征在于：步骤二实桥影响线的提取时；首选构建混合函数所述为准静态部分与动态部分叠加，所述用于拟合准静态部分Rs、所述用于拟合动态波动部分RD；然后依次按照(1)分段多项式叠加拟合准静态响应、(2)谐波叠加拟合动力响应、(3)影响线提取进行操作；(1)分段多项式叠加拟合准静态响应定义桥梁x＝a处挠度影响线的表达式为以下分段函数：公式(2)中Lb为桥梁跨度，a3、a2、a1、a0、b3、b2、b1、b0为均为所述多项式I的系数；实测响应R的准静态响应部分Rs主要由车辆的重量决定，其拟合方程为：公式(3)中，是K×1的向量，其表示桥梁响应静力部分的拟合值；[H1]是一个K×8的矩阵，它由车辆的轴重、轴距、行驶速度以及采样频率决定；{λ}＝{a3a2a1a0b3b2b1b0}T为待求影响线系数向量；其中[H1]按公式(4)进行计算；公式(4)中，i表示车辆的第i轴,mi表示第i轴的轴重，[Mi]是用于影响线叠加的系数矩阵；K表示第一轴上桥至最后一个轴出桥时间段内数据总点数；pi,qi为车辆第i轴上桥、出桥时对应的采样点号；公式(4)中[Wi]是用于组建影响线的系数矩阵；pi,qi和si分别是车辆第i轴上桥、出桥和经过测点时相对应的采样点点号，满足以下条件：：p1＝1，xp1＝0，xpi≤di，xpi+1>di；xqi≤Lb+di，xqi+1>Lb+di；xsi≤a+di，xsi+1>a+di；其中，a表示测点与起始点的距离，di表示车辆第i轴与第1轴之间的距离，其中d1＝0；将公式(4)、(5)、(6)以及{λ}代入公式(3)中，得到的表达式；(2)谐波叠加拟合动力响应多轴车辆过桥时，响应的波动部分是由一系列正弦曲线叠加而成；忽略车体质量对桥梁自振频率的影响，测点x＝a处的挠度可以表示为：其拟合函数可写成

【专利技术属性】
技术研发人员：王宁波，黄天立，时名扬，沈炎，张诗洁，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43