CN103268371A - 一种基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法，根据桥梁监测目的和精度要求，在桥梁上布置一些位移、转角、应变的传感器；根据桥梁结构形式及荷载特点，将桥梁荷载等效为特征荷载的组合；建立桥梁的有限元分析模型，单独计算各种单位特征荷载引起的各传感器的测量值；将各种单位特征荷载引起的各传感器的测量值组成影响矩阵；根据传感器的测量值，计算特征荷载的大小，代表当前桥梁上的实际荷载；计算出桥梁关心位置的变形、应力的力学参数，根据力学参数对桥梁的安全状态进行评价。本发明可以识别或等效的基本荷载类型多，测量的信息类型多，可包括绝对或相对位移、绝对或相对转角、应变、内力、应力等。

Description

一种基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法

技术领域

本发明属于桥梁荷载识别领域，尤其涉及一种基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法。

背景技术

桥梁荷载是指桥梁结构设计所应考虑的各种可能出现的荷载的统称，包括恒载、活载和其他荷载。包括铁路列车活载或公路车辆荷载，及它们所引起的冲击力、离心力、横向摇摆力(铁路列车)、制动力或牵引力，人群荷载，以及由列车车辆所增生的土压力等。

恒载，包括桥梁各部分的自重、预加应力、混凝土的收缩和徐变的影响、土因自重所生的竖向和水平压力、静水压力及浮力等。活载，包括铁路列车活载、公路车辆荷载、冲击力、离心力和横向摇摆力、制动力或牵引力、人群荷载、风荷载、地震荷载。

桥梁建成后随着运营时间的推移，大桥各个截面将面临收到各种损伤及内应力状态的改变，相应桥梁的刚度和承载能力就会出现不同程度的衰减，为保证桥梁运营安全，避免灾难性事故发生，掌控桥梁实时荷载是十分必要的。目前，我国现有桥梁实时荷载识别方法极少，而且只是针对桥梁荷载中的某一种荷载，如车工作平台荷载力，该类方法限制性较强，并不能识别、测量多类型荷载。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法，旨在解决目前我国现有桥梁实时荷载识别方法限制性较强，不能识别、测量多类型荷载的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法，所述基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法包括以下步骤：

根据桥梁监测目的和精度要求，在桥梁上布置一些位移、转角、应变的传感器；

根据桥梁结构形式及荷载特点，将桥梁荷载等效为特征荷载的组合；

建立桥梁的有限元分析模型，单独计算各种单位特征荷载引起的各传感器的测量值；

将各种单位特征荷载引起的各传感器的测量值组成影响矩阵；

根据传感器的测量值，计算特征荷载的大小，代表当前桥梁上的实际荷载；

计算出桥梁关心位置的变形、应力的力学参数，根据力学参数对桥梁的安全状态进行评价。

进一步、所述基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法具体的步骤为：

将桥梁上作用的荷载包括各集中荷载、分布荷载、预应力、特征温度变化、特征惯性力、支座位移，按照引起的响应，绝对或相对位移、绝对或相对转角、应变、内力、应力，具有线性无关性表示为各种单位荷载的线性组合，

设

表示第i(i＝1，n)种单位荷载，则t时刻桥梁上作用的荷载P(t)可表示为：

$P\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\left(t\right)P_i^0$

其中，α_i(t)是t时刻第i种单位荷载的比例因子，反映了该种荷载的大小，公式中求和符号不表示荷载相加，只表示桥梁上同时作用多种荷载；

设测点个数为m(m≥n)，单位荷载

引起的某测点j(j＝1，m)的响应值为

则P(t)引起的测点j的响应为：

${\mathrm{\Δ}}_j\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\left(t\right){\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ji}}^0,j=1,m$

全部测点的响应可以用矩阵形式表示为：

{Δ(t)}＝[δ]{α(t)}

其中：

{Δ(t)}＝{Δ₁(t)…Δ_m(t)}^T

{α(t)}＝{α₁(t)…α_n(t)}^T

称为影响系数矩阵，其元素可通过测量或计算的方法得到，

通过最小二乘法求解(3)式得到{α(t)}，就可以得到t时刻各种单位荷载的比例因子α_i(t)(i＝1，n)；

对于存在部分荷载已知的情况，根据叠加原理，只需要从测量值中扣除已知荷载引起的响应即可，也即：

${\mathrm{\Δ}}_j\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\left(t\right){\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ji}}^0,j=1,m$

式中各Δ_j(t)为未知荷载引起的响应，各α_i(t)对应于未知特征荷载的荷载因子。

进一步、所述基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法采用叠加原理计算荷载因子。

本发明提供的基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法，可以识别或等效的基本荷载类型多，可包括各集中荷载、分布荷载、预应力、特征性温度变化、特征性惯性力、支座位移等；测量的信息类型多，可包括绝对或相对位移、绝对或相对转角、应变、内力、应力等。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法的实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法，该基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法包括以下步骤：

根据桥梁监测目的和精度要求，在桥梁上布置一些位移、转角、应变的传感器；

根据桥梁结构形式及荷载特点，将桥梁荷载等效为特征荷载的组合；

建立桥梁的有限元分析模型，单独计算各种单位特征荷载引起的各传感器的测量值；

将各种单位特征荷载引起的各传感器的测量值组成影响矩阵；

根据传感器的测量值，计算特征荷载的大小，代表当前桥梁上的实际荷载；

计算出桥梁关心位置的变形、应力的力学参数，根据力学参数对桥梁的安全状态进行评价。

作为本发明实施例的一优化方案，基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法具体的步骤为：

将桥梁上作用的荷载包括各集中荷载、分布荷载、预应力、特征温度变化、特征惯性力、支座位移，按照引起的响应，绝对或相对位移、绝对或相对转角、应变、内力、应力，具有线性无关性表示为各种单位荷载的线性组合，

设

表示第i(i＝1，n)种单位荷载，则t时刻桥梁上作用的荷载P(t)可表示为：

$P\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\left(t\right)P_i^0$

其中，α_i(t)是t时刻第i种单位荷载的比例因子，反映了该种荷载的大小，公式中求和符号不表示荷载相加，只表示桥梁上同时作用多种荷载；

设测点个数为m(m≥n)，单位荷载

引起的某测点j(j＝1，m)的响应值为

则P(t)引起的测点j的响应为：

${\mathrm{\Δ}}_j\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\left(t\right){\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ji}}^0,j=1,m$

全部测点的响应可以用矩阵形式表示为：

{Δ(t)}＝[δ]{α(t)}

其中：

{Δ(t)}＝{Δ₁(t)…Δ_m(t)}^T

{α(t)}＝{α₁(t)…α_n(t)}^T

称为影响系数矩阵，其元素可通过测量或计算的方法得到，

通过最小二乘法求解(3)式得到{α(t)}，就可以得到t时刻各种单位荷载的比例因子α_i(t)(i＝1，n)；

对于存在部分荷载已知的情况，根据叠加原理，只需要从测量值中扣除已知荷载引起的响应即可，也即：

${\mathrm{\Δ}}_j\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\left(t\right){\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ji}}^0,j=1,m$

式中各Δ_j(t)为未知荷载引起的响应，各α_i(t)对应于未知特征荷载的荷载因子。

作为本发明实施例的一优化方案，基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法采用叠加原理计算荷载因子。

以下参照附图1，对本发明实施例基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法作进一步详细描述。

如图1所示，本发明实施例的基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法包括以下步骤：

S101：根据桥梁监测目的和精度要求，在桥梁上布置一些位移、转角、应变的传感器；

S102：根据桥梁结构形式及荷载特点，将桥梁荷载等效为特征荷载的组合；

S103：建立桥梁的有限元分析模型，单独计算各种单位特征荷载引起的各传感器的测量值；

S104：将各种单位特征荷载引起的各传感器的测量值组成影响矩阵；

S105：根据传感器的测量值，计算特征荷载的大小，代表当前桥梁上的实际荷载；

S106：计算出桥梁关心位置的变形、应力的力学参数，根据力学参数对桥梁的安全状态进行评价。

本发明的具体原理如下：对桥梁荷载进行线性分解或等效，将桥梁上作用的荷载(包括各集中荷载、分布荷载、预应力、特征温度变化、特征惯性力、支座位移等)，按照引起的响应(绝对或相对位移、绝对或相对转角、应变、内力、应力等)具有线性无关性表示(或等效)为各种单位荷载的线性组合，

比如，设

表示第i(i＝1，n)种单位荷载，则t时刻桥梁上作用的荷载P(t)可表示为：

$P\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\left(t\right)P_i^0---\left(1\right)$

其中，α_i(t)是t时刻第i种单位荷载的比例因子，反映了该种荷载的大小，公式中求和符号不表示荷载相加，只表示桥梁上同时作用多种荷载；

按照小变形线弹性理论的叠加原理，各种荷载同时作用在结构上，引起的位移、应力和应变等响应等于各单位荷载引起响应的线性叠加，

设测点个数为m(m≥n)，单位荷载引起的某测点j(j＝1，m)的响应值为

则P(t)引起的测点j的响应为：

${\mathrm{\Δ}}_j\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\left(t\right){\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ji}}^0,j=1,m---\left(2\right)$

全部测点的响应可以用矩阵形式表示为：

{Δ(t)}＝[δ]{α(t)}  (3)

其中：

{Δ(t)}＝{Δ₁(t)…Δ_m(t)}^T

{α(t)}＝{α₁(t)…α_n(t)}^T

称为影响系数矩阵，其元素可通过测量或计算的方法得到，

通过最小二乘法求解(3)式得到{α(t)}，就可以得到t时刻各种单位荷载的比例因子α_i(t)(i＝1，n)；

对于已知荷载的处理：对于存在部分荷载已知的情况，根据叠加原理，只需要从测量值中扣除已知荷载引起的响应即可，也即：(2)式中各Δ_j(t)为未知荷载引起的响应，各α_i(t)对应于未知特征荷载的荷载因子。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法，其特征在于，所述基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法包括以下步骤：

根据桥梁监测目的和精度要求，在桥梁上布置位移、转角、应变的传感器；

根据桥梁结构形式及荷载特点，将桥梁荷载等效为特征荷载的组合；

建立桥梁的有限元分析模型，单独计算各种单位特征荷载引起的各传感器的测量值；

将各种单位特征荷载引起的各传感器的测量值组成影响矩阵；

根据传感器的测量值，计算特征荷载的大小，代表当前桥梁上的实际荷载；

计算出桥梁关心位置的变形、应力的力学参数，根据力学参数对桥梁的安全状态进行评价。

2.如权利要求1所述的基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法，其特征在于，所述基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法具体的步骤为：

将桥梁上作用的荷载包括各集中荷载、分布荷载、预应力、特征温度变化、特征惯性力、支座位移，按照引起的响应，绝对位移、绝对转角、应变、内力、应力，具有线性无关性表示为各种单位荷载的线性组合，

设

表示第i(i＝1，n)种单位荷载，则t时刻桥梁上作用的荷载P(t)可表示为：

$P\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\left(t\right)P_i^0$

其中，α_i(t)是t时刻第i种单位荷载的比例因子，反映了该种荷载的大小，公式中求和符号不表示荷载相加，只表示桥梁上同时作用多种荷载；

设测点个数为m(m≥n)，单位荷载

引起的测点j(j＝1，m)的响应值为

则P(t)引起的测点j的响应为：

${\mathrm{\Δ}}_j\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\left(t\right){\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ji}}^0,j=1,m$

全部测点的响应可以用矩阵形式表示为：

{Δ(t)}＝[δ]{α(t)}

其中：

{Δ(t)}＝{Δ₁(t)…Δ_m(t)}^T

{α(t)}＝{α₁(t)…α_n(t)}^T

称为影响系数矩阵，元素可通过测量的方法得到，

通过最小二乘法求解得到{α(t)}，就可以得到t时刻各种单位荷载的比例因子α_i(t)(i＝1，n)；

对于存在部分荷载已知的情况，根据叠加原理，只需要从测量值中扣除已知荷载引起的响应即可，即：

${\mathrm{\Δ}}_j\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\left(t\right){\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ji}}^0,j=1,m$

式中各Δ_j(t)为未知荷载引起的响应，各α_i(t)对应于未知特征荷载的荷载因子。

3.如权利要求1所述的基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法，其特征在于，所述基于影响矩阵的桥梁实时荷载识别方法采用叠加原理计算荷载因子。

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