CN115791033B - 基于通行车辆荷载及动挠度监测的桥梁承载能力评定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于通行车辆荷载及动挠度监测的桥梁承载能力评定方法，基于桥梁上安装的动态称重***获取通行重载车辆的信息，并转化为车辆在桥梁上的空间分布荷载，将该空间分布荷载施加于桥梁有限元力学模型中，计算出桥梁在该分布荷载作用下的理论计算最大动挠度值；将该理论计算最大动挠度值与毫米波雷达变形监测设备实测的桥梁最大挠度值的比值定义为动态荷载结构校验系数η，采用一定时间周期内多个样本的统计代表值η_d的大小对桥梁承载能力进行评定利用上述方法对桥梁进行承载能力评定避免了封闭交通对社会产生的影响，并减少了高速公路收费损失。

Description

基于通行车辆荷载及动挠度监测的桥梁承载能力评定方法

技术领域

本发明涉及交通运输领域，更具体地说，涉及一种基于通行车辆荷载及动挠度监测的桥梁承载能力评定方法。

背景技术

随着我国公路建设的快速发展，越来越多的桥梁投入使用。随着时间的推移，桥梁结构日益老化，加上超载等人为因素的风险存在，桥梁运行安全***性风险不断增加，需要定期对桥梁承载能力进行评定，及时桥梁的安全状态。传统的桥梁承载能力评定方法需要封闭桥面交通，施加已知重量的车辆对桥梁进行加载并获取桥梁的变形或应变响应数据，从而评定桥梁的承载能力。这种方法的缺点是一方面封闭交通对社会的影响较大，另一方面对于收费高速公路封闭交通将产生较大的经济损失。同时以多样本动态荷载试验计算的统计代表值代替单次试验数据结果，提高了试验结果的可信度。

由于大货车、大型设备运输车辆、集装箱等重载运输日益频繁，随着桥梁管理者安全管理意识的不断提高，不少大型桥梁开始安装车辆动态称重***对重车过桥进行实时监测，可以记录通行车辆的轴重、轴数、轴距、速度等信息。另一方面，在桥梁上安装基于毫米波雷达的变形监测设备可以对重车过桥时桥梁关键部位产生的挠度进行实时监测。因此，利用动态称重***获得的自由车流车辆信息和变形监测设备获得的桥梁实时动态挠度信息可以减少封闭交通开展的静态荷载试验，实现对在役桥梁进行不间断交通情况下的承载能力评定。

发明内容

本发明旨在提供一种基于通行车辆荷载及动挠度监测的桥梁承载能力评定方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于通行车辆荷载及动挠度监测的桥梁承载能力评定方法，基于桥梁上安装的动态称重***获取通行重载车辆的信息，并转化为车辆在桥梁上的空间分布荷载，将该空间分布荷载施加于桥梁有限元力学模型中，可以计算出桥梁在该分布荷载作用下的理论计算最大动挠度值。将该理论计算最大动挠度值与毫米波雷达变形监测设备实测的桥梁最大挠度值的比值定义为动态荷载结构校验系数η，采用一定时间周期内多个样本的统计代表值η_d的大小对桥梁承载能力进行评定。利用上述方法对桥梁进行承载能力评定避免了封闭交通对社会产生的影响，并减少了高速公路收费损失。

本发明的进一步技术：

优选的，所述通行重载车辆信息是：轴重W_i、轴数N、轴距S_j、车道L、上桥时间T,i＝1～N,j＝1～N-1；

优选的，所述理论计算最大动挠度值，其计算过程是：

a)建立桥梁有限元计算模型；

b)通过桥梁有限元计算模型，获得桥梁关键部位如桥跨中点的挠度影响线f(x)，即单位荷载沿着桥梁移动时产生的该跨中位置挠度变化曲线，x为单位荷载在桥梁上的加载位置；

c)根据动态称重***获得的重载车辆(总重大于50吨)的各轴轴距S_j，可以得到各轴在桥梁上的加载位置关系；

x_i＝x_i-1+S_j(i≥2) (1)

d)将称重***获得的车辆荷载施加到该影响线上，求得该车辆荷载在桥梁上不同位置移动时产生的最大静态挠度J_max；

e)将最大静态挠度J_max乘以(1+μ)得到该荷载作用下的理论最大动挠度S_max，其中μ为汽车冲击系数；

S_max＝J_max*(1+μ) (3)。

所述动态荷载结构校验系数η，其过程是：

a)根据毫米波雷达变形监测设备获得桥梁关键部位(通常为桥跨中点)在重车通行时的实测最大动挠度T_max；

b)将实测最大动挠度T_max除以理论计算最大动挠度S_max得到动态荷载结构校验系数η；

η＝T_max/S_max (4)

所述多个样本的代表值η_d，其计算方法是：

a)对一定周期内(通常选择1年)所有满足总重大于50吨的重载车辆样本按上述方法计算动态荷载结构校验系数η_i,i＝1～n,n为样本数；

b)以η_i按照t分布计算得到的下置信界限值作为代表值η_d；

其中，代表所有样本η_i的平均值，S为标准差，n为样本数量；t为t分布表中根据样本数和95％保证率的取值系数。

进一步的，采用上述周期内多个样本的统计代表值η_d的大小对桥梁承载能力进行评定，其方法是：

a)当η_d>1时，代表桥梁实际状况差于理论状况，初步判断承载能力可能不满足要求，需要进一步进行验证；

b)当η_d<＝1时，代表桥梁实际状况不差于理论状况，初步判断承载能力满足要求，可进行持续观测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用安装在桥梁上的动态称重***及毫米波雷达变形监测设备获取自然流正常通行重载车辆信息及实测挠度数据，并通过计算动态荷载结构校验系数实现对在役桥梁承载能力进行评定，可在一定程度上替代封闭交通下的静态车辆荷载试验，避免了封闭交通产生的社会影响，减少了高速公路收费损失。同时以多样本动态荷载试验计算的统计代表值代替单次试验数据结果，提高了试验结果的可信度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为本发明的一种基于车辆荷载及动挠度监测的桥梁承载能力评定方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种基于通行车辆荷载及动挠度监测的桥梁承载能力评定方法，基于桥梁上安装的动态称重***获取自然通行的重载车辆(总重大于50吨)的信息，并转化为该车辆在桥梁上的空间分布荷载，将该空间分布荷载施加于桥梁有限元力学模型中，可以计算出桥梁在该分布荷载作用下的理论计算最大动挠度值。将该理论计算最大动挠度值与毫米波雷达变形监测设备实测的桥梁最大挠度值的比值定义为动态荷载结构校验系数η，采用一定时间周期内多个样本的统计代表值η_d的大小对桥梁承载能力进行评定。利用上述方法对桥梁进行承载能力评定避免了封闭交通对社会产生的影响，并减少了高速公路收费损失。

优选的，所述通行重载车辆信息是：轴重W_i、轴数N、轴距S_j、车道L、上桥时间T,i＝1～N,j＝1～N-1；

优选的，所述理论计算最大动挠度值，其计算过程是：

a)建立桥梁有限元计算模型；

b)通过桥梁有限元计算模型，获得桥梁关键部位如桥跨中点的挠度影响线f(x)，即单位荷载沿着桥梁移动时产生的该跨中位置挠度变化曲线，x为单位荷载在桥梁上的加载位置；

c)根据动态称重***获得的重载车辆的各轴轴距S_j，可以得到各轴在桥梁上的加载位置关系；

x_i＝x_i-1+S_j(i≥2) (1)

d)将称重***获得的车辆荷载施加到该影响线上，求得该车辆荷载在桥梁上不同位置移动时产生的最大静态挠度J_max；

e)将最大静态挠度J_max乘以(1+μ)得到该荷载作用下的理论最大动挠度S_max，其中μ为汽车冲击系数；

S_max＝J_max*(1+μ) (3)。

所述动态荷载结构校验系数η，其过程是：

a)根据毫米波雷达变形监测设备获得桥梁关键部位(通常为桥跨中点)在重车通行时的实测最大动挠度T_max；

b)将实测最大动挠度T_max除以理论计算最大动挠度S_max得到动态荷载结构校验系数η；

η＝T_max/S_max (4)。

所述多个样本的代表值η_d，其计算方法是：

a)对一定周期内(通常选择1年)所有满足总重大于50吨的重载车辆样本按上述方法计算动态荷载结构校验系数η_i,i＝1～n,n为样本数；

b)以η_i按照t分布计算得到的下置信界限值作为代表值η_d；

其中，代表所有样本η_i的平均值，S为标准差，n为样本数量；t为t分布表中根据样本数和95％保证率的取值系数。

采用上述周期内多个样本的统计代表值η_d的大小对桥梁承载能力进行评定，其方法是：

a)当η_d>1时，代表桥梁实际状况差于理论状况，初步判断承载能力可能不满足要求，需要进一步进行验证；

b)当η_d<＝1时，代表桥梁实际状况不差于理论状况，初步判断承载能力满足要求，可进行持续观测。

以某跨径138米的独塔斜拉桥为例，动态称重***记录了一辆重载车辆，各轴重分别为3.5吨、8.3吨、8.8吨、10.3吨、11.2吨、10.7吨，轴数为6轴，轴距分别为3.4米、1.4米、7米、1.3米、1.3米，通行车道为第4车道、上桥时间为0点53分；

首先建立桥梁有限元模型，获得桥梁关键部位如桥跨中点的挠度影响线f(x)，并理论计算最大动挠度值，其计算过程是：

将称重***获得的车辆荷载按轴重和轴距施加到该影响线上进行移动加载，得到该车辆荷载在桥梁上不同位置移动时产生的桥跨中点的最大静态挠度J_max＝1.14cm；

将最大静态挠度J_max乘以(1+μ)得到该荷载作用下的理论最大动挠度S_max＝1.20cm，其中μ为汽车冲击系数＝1.05。

所述动态荷载结构校验系数η，其过程是：

根据毫米波雷达变形监测设备获得桥跨中点在该重车通行时的实测最大动挠度T_max＝1.22mm；

将实测最大动挠度T_max除以理论计算最大动挠度S_max得到动态荷载结构校验系数η＝0.98；

将一年内获得的满足上述条件的105个样本分别计算，按照t分布计算得到代表值η_d＝0.97；

所述基于动态荷载结构校验系数的承载能力，其方法是：

因η_d<1，代表桥梁实际状况不差于理论状况，初步判断承载能力满足要求，可进行持续观测。

上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.基于通行车辆荷载及动挠度监测的桥梁承载能力评定方法，其特征在于：基于桥梁上安装的动态称重***获取通行重载车辆的信息，并转化为车辆在桥梁上的空间分布荷载，将该空间分布荷载施加于桥梁有限元力学模型中，计算出桥梁在该分布荷载作用下的理论计算最大动挠度值；

将该理论计算最大动挠度值与毫米波雷达变形监测设备实测的桥梁最大挠度值的比值定义为动态荷载结构校验系数η，采用一定时间周期内多个样本的统计代表值η_d的大小对桥梁承载能力进行评定；

所述通行重载车辆信息是：轴重Wi、轴数N、轴距Sj、车道L、上桥时间T,i=1~N,j=1~N-1；

理论计算最大动挠度值，其计算过程是：

a）建立桥梁有限元计算模型；

b)通过桥梁有限元计算模型，获得桥梁桥跨中点的挠度影响线，即单位荷载沿着桥梁移动时产生的桥跨中点挠度变化曲线，x为单位荷载在桥梁上的加载位置；

c)根据动态称重***获得的总重大于50吨的重载车辆的各轴轴距S_j，得到各轴在桥梁上的加载位置关系；

(1)

其中，为代表车辆的第i个轴在桥梁上的加载位置，

为车辆的第i-1个轴在桥梁上的加载位置；

d）将称重***获得的车辆荷载施加到该影响线上，求得该车辆荷载在桥梁上不同位置移动时产生的最大静态挠度J_max；

(2)

e）将最大静态挠度J_max乘以（1+μ）得到该荷载作用下的理论最大动挠度S_max，其中μ为汽车冲击系数；

(3)；

计算动态荷载结构校验系数η的过程:

根据毫米波雷达变形监测设备获得桥梁桥跨中点在重车通行时的实测最大动挠度T_max；

将实测最大动挠度T_max除以理论计算最大动挠度S_max得到动态荷载结构校验系数η；

(4)。

2.根据权利要求1中所述的基于通行车辆荷载及动挠度监测的桥梁承载能力评定方法，其特征在于：

多个样本的统计代表值η_d，其计算方法是：

a）按上述计算动态荷载结构校验系数η的过程，对一定周期内所有满足总重大于50吨的重载车辆样本计算动态荷载结构校验系数η_i,i=1~n,n为样本数；

b）以η_i按照t分布计算得到的下置信界限值作为统计代表值η_d；

(5)

其中，代表所有样本η_i的平均值，S为标准差，n为样本数量；t为t分布表中根据样本数和95%保证率的取值系数。

3.根据权利要求2中所述的基于通行车辆荷载及动挠度监测的桥梁承载能力评定方法，其特征在于，采用多个样本的统计代表值η_d的大小对桥梁承载能力进行评定，其方法是：

当η_d>1时，代表桥梁实际状况差于理论状况，初步判断承载能力可能不满足要求，需要进一步进行验证；

当η_d<=1时，代表桥梁实际状况不差于理论状况，初步判断承载能力满足要求，进行持续观测。