一种基于车流数据和可靠度理论的城市桥梁限载确定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于车流数据和可靠度理论的城市桥梁限载确定方法，针对渣土车及其他货运重载车辆对原有桥梁超载日益严重的现状，利用动态称重设备采集过往车辆数据，基于限载值随机抽样建立随机车流模型，使用影响线加载随机车流模型得到桥梁控制截面响应的极值样本，再通过广义极值分布拟合得到桥梁控制截面响应极值分布。基于设计文件、有限元软件计算及相关检测试验的恒载效应及桥梁承载力，根据可靠度理论和桥梁极限状态方程确定当前限载值对应的可靠度指标，由可靠度指标选定合适桥梁限载值。本发明专利技术为相关部门管理措施的制定以及桥梁安全管养提供科学依据，为解决当前部分桥梁限载值不清楚不准确问题提供一种计算方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于车流数据和可靠度理论的城市桥梁限载确定方法
本专利技术涉及随机车流荷载模型、桥梁承载能力评估等领域，主要涉及一种基于可靠度理论的桥梁限载值计算方法。
技术介绍
我国在役公路桥梁在设计荷载及抗力衰减状况等方面都存在差异，且潜在的超重车辆数目庞大，目前的超载认定标准不能准确地为桥梁的限载取值提供可靠的依据，加大了公路管理部门对超重汽车的治理力度，也使超载运输通行许可证的审批工作陷入困境。尽管国内学者在超载桥梁限载取值方面做了大量的理论与试验研究工作，目前仍然采用上世纪90年代提出的典型车辆荷载模型，尚未形成较完善的桥梁限载标准，未能提出具备工程适用性的超载桥梁限载取值分析模型，桥梁限载模式方面的研究滞后，使国家层面的公路桥梁限载规范的制定受到了制约。车辆的超载会严重危害到生命财产安全，车辆荷载对桥梁结构的作用应引起我们的高度重视，对结构实际受载情况的认知极为迫切且意义重大，从可靠度角度确定桥梁的限载标准，可以为相关部门管理措施的制定以及桥梁安全管养提供科学依据，解决当前部分桥梁限载值不清楚不准确问题。
技术实现思路
本专利技术提供了重载车辆通行桥梁限载值可靠度计算方法，提出具备工程适用性的超载桥梁限载取值分析模型，从可靠度角度确定桥梁的限载标准，为相关部门管理措施的制定以及桥梁安全管养提供科学的依据。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种基于车流数据和可靠度理论的城市桥梁限载确定方法，包括以下步骤：步骤1：通过动态称重设备采集桥梁通行车辆信息，采集通行线路上的车型、车重、车速分布和车头间距数据，所有车辆根据轴数分类成若干有限的车型1、车型2、……、车型k，同时对每种车型的轴距进行均值标准化处理；步骤2：对每种车型各轴轴重用概率密度分布函数进行拟合，得到每种车型各轴轴重的概率密度分布状况，同时确定车道车辆间距分布；步骤3：设定初始限载值WL，随机抽样车辆形成随机车流荷载模型，对超过限载值WL车辆重新抽取；步骤4：确定待限载桥梁的控制截面并计算相应影响线，将随机车流模型用影响线加载，对于多车道桥梁，将各车道随机车流荷载在控制截面响应叠加，选取每天桥梁控制截面响应极值，得到以天为单位的桥梁控制截面响应极值样本；步骤5：对桥梁控制截面响应的极值样本进行广义极值分布拟合，得到桥梁控制截面响应极值分布Sd；步骤6：基于设计文件、桥梁有限元模型计算和相关检测试验结果，计算控制截面的恒载效应SS及承载力R；步骤7：根据可靠度理论和桥梁极限状态方程Z＝R-Sd-SS计算当前限载值WL下桥梁相应的可靠度指标β；步骤8：将分析得到的可靠度指标β和相关规范条款进行比较，如不满足，则修改限载值WL重复步骤(3)-(7)，直至满足可靠度指标要求的限载值WL。作为更进一步的优选方案，步骤2车型轴重分布采用混合高斯分布，表达式为：其中为第j轴第i种分布的轴重高斯分布函数，μji和σji分别为高斯分布的均值与方差，aji为轴重x属于gj(x|μji,σji)分布的概率；车道车辆间距采用对数正态分布或广义极值分布，所述的对数正态分布为：其中x为表示车距的随机变量，μ为中心参数，σ为形状参数；所述的广义极值分布为：其中x为表示车距的随机变量，k为3类极值分布函数的统一系数，μ为中心参数，σ为形状参数。作为更进一步的优选方案，步骤3随机抽样先确定当日车流量数量n辆，抽样顺序为：第1辆车车型——第1辆车轴重——第一辆车车距——第2辆车车型——第2辆车轴重——第2辆车车距……第n辆车车型——第n辆车轴重。作为更进一步的优选方案，步骤4影响线加载方法为将随机车流模型信息存储在一维矩阵{F}中，即矩阵{F}包含了车流车载信息，其中AWij表示第i辆车第j轴轴重：{F}＝[AW110…0AWij0…0…]一个车道的随机车流荷载模型为相隔一个轴距或者车距的离散集中荷载，一维矩阵中非零的值表示轴重，两轴重之间0的个数表示轴重之间的距离，设定ΔL为任意相邻两个值之间距离，ΔL大小决定计算精度；桥梁控制界面影响线信息存储在一维矩阵{L}中，即矩阵{L}包含了桥梁承载力信息，设定ΔL为任意相邻两个值之间距离：{L}＝[x0x1x2…xk…xm]其中xk表示在距离影响线初始位置kΔL处加载单位轴重对控制截面产生的效应，将{F}任意相邻的m+1个值与{L}中全部的m+1个值相乘即完成一次加载。作为更进一步的优选方案，步骤5广义极值分布拟合可采用耿贝尔分布Gumbeldistribution或韦布尔分布Weibulldistribution。有益效果本专利技术为相关部门管理措施的制定以及桥梁安全管养提供科学依据，为解决由于我国道路桥梁车辆超载现像愈发严重情况、桥梁的荷载设计标准更迭变化以及已建桥梁的荷载设计标准不统一等问题导致的桥梁限载不清楚不准确提供一种基于车流数据和可靠度理论的计算方法。本方法能够考虑车辆轴重轴距信息，用数学模型处理考虑现实中车辆荷载变化情况，充分考虑车辆荷载具有不确定性特性，相较于使用标准荷载加载方法确定的限载值更加准确。附图说明图1是本专利技术的流程示意图；图2是车型4轴重频率分布直方图及拟合分布；图3是车辆间距样本；图4是某桥梁限载50t时车辆荷载效应极值频率分布直方图及拟合分布。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行进一步说明。本专利技术的基于车流数据和可靠度理论的城市桥梁限载确定方法，以下结合某城市一座现役混凝土桥以及用动态称重系统得到26天102537辆车的车流数据进行说明，该桥为三跨变截面箱型混凝土桥，总长150m，跨径组合为45+60+45m，单幅12m，单幅双车道，结构安全等级为一级。实施步骤如下：步骤1，提取该城市已有的动态称重系统(WIM)记录的过往车辆数据，得到原始车流信息，总结归纳每一辆车的轴重，轴距，车速等信息。根据车轴数量将所有车辆分为六种车型，由于2轴车型占比最多，轴距离散较大，将二轴车型分为车型1和车型2，车型3到车型6分别是三轴到六轴车型，六轴及以上车型占比较少，未考虑六轴以上车型。同种车型轴数相同，轴距客观上存在差异，轴距抽样过于复杂且对计算结果影响不大，为减少处理量对每种车型轴距均值标准化处理，即统计每种车型各个轴距，取轴距的平均值代替该车型的所有轴距。以车型4，四轴货车为例，均值标准化后第一个轴距为2.01m，代表统计到的三轴货车第一个轴距的平均值为2.01m,2.01m轴距将代表所有三轴货车的第一个轴距。通过均值简化，各车型信息如表1所示，表中AW代表轴重，下标第一个数字表示车型编号，第二个数字表示轴距编号。表1各车型占比及车型示意步骤2，对每种车型各轴轴重和车辆间距用概率密度分布函数进行拟合，采集到的车辆轴重信息展现出的混合高斯分布特性，用混合高斯分布函数进行拟合，混本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于车流数据和可靠度理论的城市桥梁限载确定方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：通过动态称重设备采集桥梁通行车辆信息，采集通行线路上的车型、车重、车速分布和车头间距数据，所有车辆根据轴数分类成若干有限的车型1、车型2、……、车型k，同时对每种车型的轴距进行均值标准化处理；/n步骤2：对每种车型各轴轴重用概率密度分布函数进行拟合，得到每种车型各轴轴重的概率密度分布状况，同时确定车道车辆间距分布；/n步骤3：设定初始限载值W

【技术特征摘要】
1.一种基于车流数据和可靠度理论的城市桥梁限载确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过动态称重设备采集桥梁通行车辆信息，采集通行线路上的车型、车重、车速分布和车头间距数据，所有车辆根据轴数分类成若干有限的车型1、车型2、……、车型k，同时对每种车型的轴距进行均值标准化处理；
步骤2：对每种车型各轴轴重用概率密度分布函数进行拟合，得到每种车型各轴轴重的概率密度分布状况，同时确定车道车辆间距分布；
步骤3：设定初始限载值WL，随机抽样车辆形成随机车流荷载模型，对超过限载值WL车辆重新抽取；
步骤4：确定待限载桥梁的控制截面并计算相应影响线，将随机车流模型用影响线加载，对于多车道桥梁，将各车道随机车流荷载在控制截面响应叠加，选取每天桥梁控制截面响应极值，得到以天为单位的桥梁控制截面响应极值样本；
步骤5：对桥梁控制截面响应的极值样本进行广义极值分布拟合，得到桥梁控制截面响应极值分布Sd；
步骤6：基于设计文件、桥梁有限元模型计算和相关检测试验结果，计算控制截面的恒载效应SS及承载力R；
步骤7：根据可靠度理论和桥梁极限状态方程Z＝R-Sd-SS计算当前限载值WL下桥梁相应的可靠度指标β；
步骤8：将分析得到的可靠度指标β和相关规范条款进行比较，如不满足，则修改限载值WL重复步骤3-步骤7，直至满足可靠度指标要求的限载值WL。


2.根据权利要求1所述的一种基于车流数据和可靠度理论的城市桥梁限载确定方法，其特征在于：所述步骤2车型轴重分布采用混合高斯分布，表达式为：



其中为第j轴第i种分布的轴重高斯分布函数，μji和σji分别为高斯分布的均值与方差，aji为轴重x属于gj(x|μji,σji)分布的概率；
车道车辆间距采用对数正态分布或广义极值分布，所述的对数正态分布...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯德成，袁捷，陈适之，孙震，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32