CN102735320A - 基于桥梁动应变识别车辆重量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于桥梁动应变识别车辆重量的方法，包括以下步骤：在桥梁纵向对称截面上布置动应变测量装置；在安装好动应变测量装置的桥梁行车道上进行跑车实验，同时采集数据，并将数据传输至计算机；采用有限元仿真计算理论动应变，提取动应变结果形成的动应变时程曲线，并与实测值进行比较及相关分析，得出行车速度、动应变峰值及车辆重量的关系式
Figure DEST_PATH_IMAGE002
或是曲线；根据各截面动应变达到峰值的时间差和截面距离采用软件自动计算行车速度，同截面各测点动应变峰值取平均，带入关系式或是曲线进行计算或比对求得通过该截面的车重。该方法适用于桥梁上的车辆重量识别，而且所用测量设备成本低，易于实现。

Description

基于桥梁动应变识别车辆重量的方法
技术领域
本发明属于车辆重量的测量方法领域，尤其涉及了一种基于桥梁动应变识别同一时刻通过桥梁的车辆重量的方法，主要应用于桥梁健康监控领域，可实现桥梁的车流量、车辆荷载谱的统计自动统计工作，判别桥梁健康监控其他物理参数是否异常，监测桥梁结构的损伤及衰老情况。
背景技术
作为交通系统的组成部分，桥梁在人类文明的发展和演化中起到了重要作用。随着现代科技的发展以及运输需求的不断增长，大型桥梁（如跨海大桥、大跨度桥梁等）越来越多的出现在人们的视野中，这些桥梁造价动辄几亿甚至几十亿元，在交通、军事和社会生活等方面有着重要的战略意义。然而，桥梁在建造和使用过程中，由于受到环境、有害物质的侵蚀，车辆、风、地震、疲劳、人为因素等作用，以及材料自身性能的不断退化，导致结构各部分在远没有达到设计年限前就产生不同程度的损伤和劣化。这些损伤如果不能及时得到检测和维修轻则影响行车安全和缩短桥梁使用寿命，重则导致桥梁突然破坏和倒塌。据统计，如今在美国近60万座桥梁中性能不足和有功能缺陷的占28.6%。美国每年桥梁投资90%用于更新维修旧桥，只有10%用于新建桥梁。我国现有公路桥梁30余万座， 1/3以上的桥梁都存在结构性缺陷、不同程度的损伤和功能性失效的隐患。近年来，我国陆续出现了多次重大桥梁事故。这些发生的事故与很多因素有关，但是缺乏有效的监测措施和必要的维修、养护措施是重要的原因之一。这些触目惊心的事故使得人们对现代桥梁的质量和寿命也逐渐关注起来。对桥梁结构进行检测和健康监测，已成为国内外学术界、工程界研究的热点。传统的桥梁检测在很大程度上依赖于管理者和技术人员的经验，往往对桥梁特别是大型桥梁的状况缺乏全面的把握和了解，信息得不到及时反馈。如果对桥梁的病害估计不足，就很可能失去养护的最佳时机，加快桥梁损坏的进程，缩短桥梁的服务寿命。如果对桥梁的病害估计过高，便会造成不必要的资金浪费，使得桥梁的承载能力不能充分发挥。
目前，车辆超重行驶的现象频频出现，而桥梁的负载是有一定的限度，当这些超重的车辆通过桥梁，无疑会对桥梁产生一定的损害；而且随着时间的推移，桥梁的老化，其负载能力也在变化，因此监测通过桥梁车辆的重量，并进行数据统计，对于了解桥梁的健康状况意义重大。但是一般常规地磅测重设备价格昂贵，单车道最便宜的也需要10万元以上，且安装时需要破坏原路面结构；使用时常规称重地磅需要人为或借助摄像设备判别车辆及车轴数量；且常规地磅安装在桥梁主体结构以外的路面上，多车道桥梁采用常规地磅难以对桥上排行驶车辆对桥梁的影响进行统计。即使用常规的称重地磅并不适用与桥梁上的车辆测重，所以，社会上急需一种适用于测量在桥梁行驶的车辆重量的方法或设备。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种应用于桥梁健康监控领域，可实现桥梁的车流量、车辆荷载谱的统计自动统计工作，判别桥梁健康监控其他物理参数是否异常，监测桥梁结构的损伤及衰老情况。
本发明是这样实现的：一种基于桥梁动应变识别车辆重量的方法，该方法依次包括以下步骤：
（1）在桥梁纵向的对称位置截面布置动应变测量装置，采集车辆通过时桥梁产生的动应变值ε；动应变测量装置与计算机有线或无线通信连接，进行数据传输；
（2）在安装好动应变测量装置的桥梁行车道上进行不同车速、不同重量的车辆的跑车实验，同时动应变测量装置采集数据，并将数据传输给计算机；
（3）采用有限元仿真计算理论动应变，并提取动应变结果形成的动应变时程曲线；
（4）将步骤（2）和步骤（3）形成的动应变时程曲线及峰值与实测值进行比较及拟合，得出行车速度、动应变峰值及车辆重量的关系式                                               
Figure 2012102497359100002DEST_PATH_IMAGE002
或是曲线；
（5）根据各截面动应变达到峰值的时间差和截面距离采用软件自动计算行车速度，同截面各测点动应变峰值取平均，带入关系式
Figure 288704DEST_PATH_IMAGE002
或是曲线进行计算或比对求得通过该截面的车重。本步骤中使用的软件为常规的动应变测试软件，只是对其进行一些改进即可实现本发明需要的功能。
上述的动应变测量装置通过比较两截面对称位置的动应变测量值，判断通过该两个截面车辆是否是同一并排行驶的车辆，并且记录下两截面产生相同最大应变出现的时间差t。
上述的动应变测量装置包括动应变传感器、屏蔽电缆、高速采集器和存储器等部件；高速采集器与动应变传感器、存储器或计算机相连接；高速采集器还可以通过存储器与远程控制中心的计算机无线通信连接。
动应变传感器工作原理有用应变式、电磁感应式等，不同工作原理的动应变传感器采用不同的采集软件，采集到的数据可由采集器通过有线方式直接传输给计算机，亦可暂存在存储器里面，然后通过有线通信方式或无线通信方式传输给远程计算机。
上述桥梁纵向的截面间距
Figure 2012102497359100002DEST_PATH_IMAGE004
满足
Figure 2012102497359100002DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 2012102497359100002DEST_PATH_IMAGE008
为最大行车速度。
上述时间差
Figure 2012102497359100002DEST_PATH_IMAGE010
为A截面最大应变
Figure 2012102497359100002DEST_PATH_IMAGE012
、B截面最大应变
Figure 2012102497359100002DEST_PATH_IMAGE014
出现的时间差，行车速度
Figure 2012102497359100002DEST_PATH_IMAGE016
。
Figure 2012102497359100002DEST_PATH_IMAGE018
为车辆在
Figure 2012102497359100002DEST_PATH_IMAGE020
位置时引起
Figure 2012102497359100002DEST_PATH_IMAGE022
位置的应变值，
Figure 2012102497359100002DEST_PATH_IMAGE024
为车辆在
Figure 317708DEST_PATH_IMAGE022
位置时引起位置的应变值，当位置与
Figure 536703DEST_PATH_IMAGE022
位置结构对称时有
Figure 2012102497359100002DEST_PATH_IMAGE026
，由于A截面、B截面位置对称，
Figure 2012102497359100002DEST_PATH_IMAGE028
和均成立，
Figure 741419DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 141919DEST_PATH_IMAGE030
可用于判断通过该两个截面车辆是否时同一批次的车辆，否则不进行计算统计。
上述动应变测量装置在桥梁横向的布置方式是根据桥梁横截面结构形式确定横桥向动应变测量装置的数量及位置，单箱单室截面在底板中心及腹板中心对应的底板处布置3个测点，单箱多室截面在每个腹板中心对应的底板处布置动应变测点。
上述在安装好动应变测量装置的桥梁行车道上进行不同车速、不同重量的车辆的跑车实验是采用150kN、200kN、250kN、300kN、350kN、400kN、450kN、500kN和550kN，10km/h～Vmax速度区间以不同速度的在行车道跑车试验，横桥向取不同数量的不同重量的汽车并行同步跑车，并同时采集动应变时程曲线。
采用本发明的方法应根据桥梁的结构老化情况每5年进行一次跑车试验，以修正计算公式，保证计算公式
Figure 810797DEST_PATH_IMAGE002
的准确性。
本发明的优点：
1.本发明适用于桥梁，对桥梁没有损害；
2.测量设备成本低，简单实用；
3.求得的结果是多辆或单辆车的总重；
4.动应变结果及车重结果可与桥梁结构的其他反应进行比对分析，了解其他监测设备的工作状况是否正常；
5.可自动实现桥梁车流量及车荷载的统计，利于掌握桥梁通行荷载及流量变化情况；
6.判断桥梁结构的当前工作状态是否正常；
7.监测桥梁结构的损伤及衰老情况。
附图说明
图1是本发明一实施例的动应变测点截面布置图（数据的单位：cm）。
图2是图1的实施例中动应变测点布置图(数据的单位：cm)。
图3是本发明另一实施例的动应变测点截面布置图（数据的单位：cm）。
图4是图3的实施例中动应变测点布置图(数据的单位：cm)。
图5是本发明一实施例中动应变测量装置采集及传输结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例1：
如附图1和2所示，某高速公路高墩大跨度连续刚构桥，其跨径组合为12600cm+24000cm+12600cm，行车道净宽1100cm，桥梁立面布置图见图1所示，在其主跨L/4和3L/4处布置两个动应变测试截面，截面间距为12000cm，截面测点布置见图2，底板中间和两侧(腹板中心线)位置各布置1个电阻式动应变测点；采用150kN、200kN、250kN、300kN、350kN、400kN、450kN、500kN和550kN车辆3车道采用不同车辆组合，以60km/h、65km/h 、70km/h、75km/h、80km/h、90km/h、95km/h、100km/h在行车道跑车试验，由高速采集器自动采集车辆通过时桥梁产生的动应变值ε；并将数据通过USB数据线直接传输现场计算机；采用有限元仿真计算跑车试验时理论动应变时程曲线，并与实测值进行比较及拟合，得出行车速度、动应变峰值及车辆重量的关系式
Figure 804161DEST_PATH_IMAGE002
或是曲线；即先通过计算行车速度，然后直接调用该行车速度对应的关系式
Figure 558491DEST_PATH_IMAGE002
或是曲线，进而根据桥梁的动应变计算出车辆重量。
上述的动应变测量装置包括动应变传感器、屏蔽电缆、高速采集器和计算机等；高速采集器分别与动应变传感器和现场计算机相连。
实施例2：
如附图3和4所示，某高速公路单跨悬索桥，其跨径为61600cm，行车道净宽2×1450cm，桥梁立面布置图见图3所示，在其主跨3L/8和5L/8处布置两个应变测试截面，截面间距 为15400cm，截面测点布置见图4，钢箱梁底箱内布置5个电磁式动应变传感器；采用150kN、200kN、250kN、300kN、350kN、400kN、450kN、500kN和550kN车辆6车道采用不同车辆组合，以60km/h、65km/h 、70km/h、75km/h、80km/h、90km/h、95km/h、100km/h 、105km/h、110km/h、115km/h和120km/h速度在行车道跑车试验，由高速采集器及存储器自动采集及记录车辆通过时桥梁产生的动应变值ε；采用无线通信方式把动应变结果数据直接传输给远程控制中心的计算机；采用有限元仿真计算跑车试验时理论动应变时程曲线，并与实测值进行比较及拟合，得出行车速度、动应变峰值及车辆重量的关系式
Figure 233186DEST_PATH_IMAGE002
或是曲线；即先通过计算行车速度，然后直接调用该行车速度对应的关系式
Figure 756571DEST_PATH_IMAGE002
或是曲线，进而根据桥梁的动应变计算出车辆重量。
动应变测量装置包括动应变传感器、屏蔽电缆、高速采集器和存储器等部件；动应变传感器与高速采集器相连接；高速采集器通过存储器与远程控制中心的计算机无线通信连接。

Claims (7)

1. 一种基于桥梁动应变识别车辆重量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）在桥梁纵向的对称位置截面布置动应变测量装置，采集车辆通过时桥梁产生的动应变值ε；动应变测量装置与远程控制中心的计算机有线或无线通信连接，进行数据传输；
（2）在安装好动应变测量装置的桥梁行车道上进行不同车速、不同重量的车辆的跑车实验，同时动应变测量装置采集数据，并将数据传输给计算机；
（3）采用有限元仿真计算理论动应变，并提取动应变结果形成的动应变时程曲线；
（4）将步骤（2）和步骤（3）形成的动应变时程曲线与实测值进行比较及拟合，得出行车速度、动应变峰值及车辆重量的关系式                                               
Figure 2012102497359100001DEST_PATH_IMAGE002
或是曲线；
（5）根据各截面动应变达到峰值的时间差和截面距离采用软件自动计算行车速度，同截面各测点动应变峰值取平均，带入关系式
Figure 225811DEST_PATH_IMAGE002
或是曲线进行计算或比对求得通过该截面的车重。
2. 根据权利要求1所述的基于桥梁动应变识别车辆重量的方法，其特征在于：所述的动应变测量装置通过比较两截面对称位置的动应变测量值，判断通过该两个截面车辆是否是同一并排行驶的车辆，并且记录下两截面产生相同最大应变出现的时间差t。
3.根据权利要求1或2所述的基于桥梁动应变识别车辆重量的方法，其特征在于：所述的动应变测量装置包括动应变传感器、屏蔽电缆、高速采集器和存储器；高速采集器分别与动应变传感器、存储器相连接或计算机相连接；高速采集器还可通过存储器与远程控制中心的计算机无线通信连接。
4. 根据权利要求1所述的基于桥梁动应变识别车辆重量的方法，其特征在于：所述桥梁纵向的截面间距
Figure 2012102497359100001DEST_PATH_IMAGE004
满足，
Figure 2012102497359100001DEST_PATH_IMAGE008
为最大行车速度。
5. 根据权利要求2所述的基于桥梁动应变识别车辆重量的方法，其特征在于：所述时间差
Figure 2012102497359100001DEST_PATH_IMAGE010
为A截面最大应变
Figure 2012102497359100001DEST_PATH_IMAGE012
、B截面最大应变出现的时间间隔，行车速度
Figure 2012102497359100001DEST_PATH_IMAGE016
。
6. 根据权利要求3所述的基于桥梁动应变识别车辆重量的方法，其特征在于：所述动应变测量装置在桥梁横向的布置方式是根据桥梁横截面结构形式确定横桥向动应变测量装置的数量及位置，单箱单室截面在底板中心及腹板中心对应的底板处布置3个测点，单箱多室截面在每个腹板中心对应的底板处布置动应变测点。
7. 根据权利要求1所述的基于桥梁动应变识别车辆重量的方法，其特征在于：所述在安装好动应变测量装置的桥梁行车道上进行不同车速、不同重量的车辆的跑车实验是采用150kN、200kN、250kN、300kN、350kN、400kN、450kN、500kN和550kN车辆，10km/h～Vmax速度区间以不同速度的在行车道跑车试验，横桥向取不同数量的不同重量的汽车并行同步跑车，并同时采集动应变时程曲线。
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