CN104732013B

CN104732013B - 一种单车通过多梁式桥梁的车辆荷载识别方法

Info

Publication number: CN104732013B
Application number: CN201510076785.5A
Authority: CN
Inventors: 韩万水; 李彦伟; 武隽; 王涛; 赵士良; 肖强
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2035-02-12
Also published as: CN104732013A

Abstract

本发明属于建筑和交通桥梁技术领域，具体地说，涉及一种单车通过多梁式桥梁的车辆荷载识别方法，通过车辆通过桥梁时的桥梁响应来反算车辆的重量，并对大型车在得到车辆的重量之后按照轴载分配比例得到各轴的轴重，对小型车的总重和大型车的轴重进行优度拟合，得到车重与轴重服从的分布及其参数，获得大型车各轴的轴重分布，从而建立更加符合实际的车辆模型，得到桥梁在车辆荷载作用下的响应，可以直接利用蒙特卡洛（Monte Carlo）或者其他方法生成符合当地实际的随机车流，通过对生成的随机车辆进行分析，实现对桥梁在正常交通运营状况下的安全状况进行评价，为桥梁的长期安全性能评定提供依据。

Description

一种单车通过多梁式桥梁的车辆荷载识别方法

技术领域

本发明属于建筑和交通桥梁技术领域，具体地说，涉及一种单车通过多梁式桥梁的车辆荷载识别方法。

背景技术

车辆荷载识别一直是桥梁工程领域的专家学者们研究讨论的重点，车辆荷载是交通调查的重要内容，只有得到更为符合实际的交通调查数据，才能更好地得到符合当地的实际的交通数据，进而为各地区的桥梁安全评价和性能评定提供更好的数据支撑。

目前较为准确识别车辆荷载的方法是采用动态称重系统(weigh-in-motion,WIM)，WIM可以在不影响正常交通的情况下对车辆的轴重和轴距进行识别，但是实际使用中WIM系统的硬件极易发生损伤导致车辆荷载的识别出错，且WIM得到的数据经常存在很多的病态数据，包括轴距很大以及轴重很小等等情况。另外WIM的安装成本和维修代价也较高，WIM在现实中的应用具有较大的局限性，实际桥梁工程中采用的较少。

在这种现实条件下，提出一种简单易行，并且识别结果可靠的车辆荷载识别方法具有非常重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种简单并且易于批量进行的车辆荷载识别方法，通过车辆通过桥梁时的桥梁响应来反算车辆的重量，并对大型车在得到车辆的重量之后按照轴载分配比例得到各轴的轴重，此外还采用优度拟合的方法对小型车的总重和大型车的轴重进行优度拟合，得到车重与轴重服从的分布及其参数，获得大型车各轴的轴重分布，从而建立更加符合实际的车辆模型，得到桥梁在车辆荷载作用下的响应，从而更好的对桥梁的安全性能进行评价，为桥梁的长期安全性能评定提供依据。

为了达到上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种单车通过多梁式桥梁的车辆荷载识别方法，所述的车辆荷载识别方法的具体步骤如下：

1).进行交通荷载调查，用摄像机记录所调查地区路段通过车辆的类型，对采集到的数据的车型结合车辆规范中的车辆车重、轴数、轴距、轴重参数将该地区交通荷载进行分类，并加以汇总；

2).在识别桥梁各片梁跨中底部放置动挠度计，利用该装置采集车辆过桥时的桥梁跨中动力响应信息，得到动挠度曲线，然后去除曲线中因冲击作用引起的动力响应信息，保留实际车辆过桥的静力挠度响应数据；

3).建立符合对应桥梁实际的有限元梁格法模型，计算不同车型在桥面横向位置变动时各片主梁的竖向位移的分配比例，得到单车通过桥梁时的空间响应面；

4).实测时根据实际车辆单车过桥时桥梁各片主梁的竖向位移分配关系，对应理论各片主梁的竖向位移分配关系，计算得到待识别车辆在桥面行驶的横向位置；

5).根据记录下的车辆车型，识别的车辆通过时的横向位置，以及相应的各片主梁在车辆通过时的静力响应极值，结合已得到的单车通过桥梁时的主梁空间响应面插值得到待识别车辆的车重；

6).在识别出每类车的车重以后，对于小型车无需进行分轴识别，而对大型车进行分轴识别，即识别出大型车每个车的轴重：根据大型车不同车型在空载、半载和满载三种载重情况下的轴载分配比值，将车重按轴载分配比值进行分配即可得到每一辆大型车的各轴轴重；

7).在得到所有车的车重、轴重数据之后，对小型车整车车重和大型车各轴轴重进行数理统计分析，对得到车重、轴重以及横向位置数据的参数分布类型进行判断并进行优度拟合检验。

进一步，在步骤1)中，所述的车辆可按照车型分为5大类共计12小类。

进一步，在步骤2)中，利用动挠度测试仪采集待识别车辆通过时的桥梁动力响应信号，对随机不同重量的车辆单车过桥时各片梁的动挠度曲线进行小波变换降噪处理，降噪后得到静力挠度响应数据。

进一步，在步骤4)中，车辆在桥面行驶的横向位置可通过车辆横向位置识别法得到：根据车辆行驶位置分为超车道识别和行车道识别；分别选择位于超车道和行车道两侧的主梁，得到这两片主梁在待识别车辆通过时的动挠度曲线，采用小波变换降噪的方法去除动挠度曲线中因冲击作用引起的动力响应信息，保留实际车辆过桥的静力挠度响应数据，根据小波变换降噪后两片梁的静力极值之比，结合竖向位移分配关系，插值计算得到待识别车辆在桥面行驶的横向位置。

进一步，在步骤5)中，分别选择位于最靠近超车道和行车道中心线的两片主梁，利用有限元分析法计算不同重量车辆行驶于不同横向位置时这两片梁的跨中静力响应极值，绘制这两片主梁的空间响应面：选取车重最小值为车辆空载重量，车重最大值为车辆满载重量，采用合适的车重增量，然后以车重和横向位置为坐标X值和Y值，梁底挠度极值为坐标Z值绘制对应梁的空间响应面，然后根据已识别的车辆类型和横向位置，结合相应主梁小波变换降噪后的静力响应极值，和该梁空间响应面对比插值计算出待识别车辆的车重。

进一步，在步骤7)中，利用K-S检验法对各车型的整车车重参数和轴重参数以及车辆行驶横向位置统计分布类型进行判断并进行优度拟合检验。

本发明的有益效果：

1、本发明无需动态称重设备，在实桥上布置较少测点即可识别出车辆的车重以及轴重，满足实际中移动荷载识别的需要，误差完全可以满足桥梁安全评价以及健康监测的要求。

2、增加了对大型车的轴重识别，在得到车辆载重状态以后，根据对应车型空载、半载和满载三种载重情况下各轴的轴重分配关系，按车重进行分配识别出各轴的轴重，获得大型车各轴的轴重分布，从而建立更加符合实际的车辆模型。

3、采用小波变换降噪的方法对动挠度测试仪采集各车辆通过时的桥梁动力响应信号进行降噪处理，去除桥梁动力响应部分，保留静力响应数据，使得监测模拟数据更加精确。

4、增加对车辆横向位置的优度拟合，得到车辆的车重分布参数以及横向行驶位置的分布参数，使随机车流的模拟更加符合实际交通的现状。

5、本发明移动荷载识别的过程简单易行，采用梁格法有限元模型，不同于传统采用的单梁模型，确保识别精度，并采用K-S检验法对各车型的整车车重参数和轴重参数以及车辆行驶横向位置统计分布类型进行判断并进行优度拟合检验，使得监测模拟数据更加准确，为桥梁的长期安全性能评定提供依据。

附图说明

图1为典型车辆动挠度曲线小波降噪前后对比图；

图2为六轴车车重分布图以及拟合结果图；

图3为车辆过桥时全部12片梁跨中竖向位移响应时程；

图4为2#、5#梁挠度变化曲线及横向位置识别曲线；

图5为3号、7号梁车重识别面；

图6为桥梁动力响应信号降噪的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种单车通过多梁式桥梁的车辆荷载识别方法，具体步骤如下：

1).进行交通荷载调查，用摄像机记录所调查地区路段通过车辆的类型，车辆可按照车型分为5大类共计12小类，对采集到的数据的车型结合车辆规范中的车辆车重、轴数、轴距、轴重参数将该地区交通荷载进行分类，并加以汇总；

2).在识别桥梁各片梁跨中底部放置动挠度计，利用该装置采集车辆过桥时的桥梁跨中动力响应信息，得到动挠度曲线，然后采用小波变换降噪的方法去除曲线中因冲击作用引起的动力响应信息，保留实际车辆过桥的静力挠度响应数据；

3).利用大型有限元分析软件MidasCivil或者Ansys建立符合对应桥梁实际的有限元梁格法模型，计算不同车型在桥面横向位置变动时各片主梁的竖向位移的分配比例，得到单车通过桥梁时的空间响应面插值；

4).实测时根据实际车辆单车过桥时桥梁各片主梁的竖向位移分配关系，对应理论各片主梁的竖向位移分配关系，计算得到待识别车辆在桥面行驶的横向位置，车辆在桥面行驶的横向位置可通过车辆横向位置识别法得到：根据车辆中心线行驶位置分为超车道识别和行车道识别；分别选择位于超车道和行车道两侧的主梁,得到这两片主梁在待识别车辆通过时的动挠度曲线,采用小波变换降噪的方法去除动挠度曲线中因为冲击作用引起的动力响应信息，保留实际车辆过桥的静力挠度响应数据。根据小波变换降噪后两片梁的静力极值之比,结合已得到的理论上的竖向位移分配关系，值计算得到待识别车辆在桥面行驶的横向位置；

5).根据记录下的车辆车型，识别的车辆通过时的横向位置，以及相应的各片主梁在车辆通过时的静力响应极值，结合已得到的单车通过桥梁时的主梁空间响应面插值得到待识别车辆的车重；其具体的识别步骤为：分别选择位于最靠近超车道和行车道中心线的两片主梁，利用有限元分析软件MidasCivil或者Ansys程序计算不同重量车辆行驶于不同横向位置时这两片梁的跨中静力响应极值，绘制这两片主梁的空间响应面：选取车重最小值为车辆空载重量，车重最大值为车辆满载重量，采用合适的车重增量，然后以车重和横向位置为坐标X值和Y值，梁底挠度极值为坐标Z值绘制对应梁的空间响应面。然后根据已识别的车辆类型和横向位置，结合相应主梁小波变换降噪后的静力响应极值，和该梁空间响应面对比插值计算出待识别车辆的车重；

7).在得到所有车的车重、轴重数据之后，对小型车整车车重和大型车各轴轴重进行数理统计分析，利用K-S检验法对得到车重、轴重以及横向位置数据的参数分布类型进行判断并进行优度拟合检验。

实施例2

1、实测交通荷载信息采集与分析：

在待进行车辆荷载识别地区首先进行交通调查，即进行实测交通荷载信息采集与分析。用摄像机记录通过调查路段车辆的类型以及行驶的横向位置，统计车辆的类型和不同车型行驶的横向位置。通过查阅相关的车型手册以及国家汽车标准，得到各种车型的轴重轴距等参数，再根据待识别地区实测的交通数据，选取代表车型将待识别地区的车辆荷载进行分类汇总，得到车型分类表如表1所示：

表1车型分类表

2、车辆横向位置识别分析：

分别选择位于超车道和行车道两侧的主梁,得到这两片主梁在待识别车辆通过时的动挠度曲线,采用小波变换降噪的方法去除动挠度曲线中因为冲击作用引起的动力响应信息，保留实际车辆过桥的静力挠度响应数据，根据小波变换降噪后两片梁的静力极值之比,结合已得到的理论上的竖向位移分配关系，值计算得到待识别车辆在桥面行驶的横向位置。

增加对车辆横向位置的优度拟合，得到车辆的车重分布参数以及横向行驶位置的分布参数，使随机车流的模拟更加符合实际交通的现状。

3、采用小波变换降噪分析：

采用小波变换降噪的方法对动挠度测试仪采集各车辆通过时的桥梁动力响应信号进行降噪处理：自行利用Matlab编制小波变换降噪程序对动挠度测试仪采集各车辆通过时的桥梁动力响应信号进行处理，去除桥梁动力响应部分，保留静力响应数据。

首先对桥梁动力响应信号进行小波分解，一般地，噪声信号多包含在具有较高频率的细节中，从而，可利用门限阀值等形式对所分解的小波系数进行分离，然后对桥梁动力响应信号进行小波重构即可达到对信号降噪的目的。对桥梁动力响应信号降噪实质上是剔除桥梁动力响应部分，保留静力响应数据。

一般而言，桥梁动力响应信号降噪的过程按图6的流程进行。

桥梁动力响应信号的多层小波分解，选择一个小波并确定分解的层次，然后进行分解计算，小波分解高频系数的阀值量化，对各个分解尺度下的高频系数选择一个阀值进行软阀值量化处理。一维小波重构，根据小波分解得到的底层低频系数和各层高频系数进行一维小波重构，小波降噪效果实例如图1所示。4、车重识别分析：

分别选择位于最靠近超车道和行车道中心线的两片主梁，利用有限元分析软件MidasCivil或者Ansys程序计算不同重量车辆行驶于不同横向位置时这两片梁的跨中静力响应极值，绘制这两片主梁的空间响应面：选取车重最小值为车辆空载重量，车重最大值为车辆满载重量，采用合适的车重增量，然后以车重和横向位置为坐标X值和Y值，梁底挠度极值为坐标Z值绘制对应梁的空间响应面，然后根据已识别的车辆类型和横向位置，结合相应主梁小波变换降噪后的静力响应极值，和该梁空间响应面对比插值计算出待识别车辆的车重。

5、轴重识别分析：

在得到所有识别车辆的总重之后，按车型通过概率统计的方法得到其车重分布直方图，从直方图中可以轻易得到大型车空载、半载、和满载三种情况对应的车辆总重。以附图2六轴车为例，明显可以得到该种车型的车重有三个峰值，对应三种载重状态，分别为空载(33吨)、半载(48吨)、满载(60吨)。当识别出的车重最靠近其中某一个数值时，即可判断其为该种载重状态，从而按该种载重状态进行轴重分配。例如：当识别出某辆六轴车车重为49吨时，即可认为该车为半载状态。

得到车辆载重状态以后，根据对应车型空载、半载和满载三种载重情况下各轴的轴重分配关系，按车重进行分配即可识别出各轴的轴重。以三轴车为例，其在空载、半载和满载三种载重情况下的轴重分布分别为：(0.4,0.3,0.3)、(0.3,0.35,0.35)、(0.2,0.4,0.4,)。当得到某辆三轴车车重之后，首先判断其载重状态，然后按照轴重分配比例进行分配即可识别出各轴轴重数据。

对于大型车(三轴车、四轴车、五轴车、六轴车)而言，大部分情况为货车，货车不同于小型车，用途多为货运，载重量较大，根据现有的研究成果，通常情况下货运车的载重量分为三种，分别是空载、半载和满载，因此大型车的车重分布图形会有三个峰值。在不同载重情况下不同轴分配的重量比例是不一样的，因此，为了对大型车做更为详尽的车重分析，有必要进行轴重识别。只有获得大型车各轴的轴重分布，从而建立更加符合实际的车辆模型，通过影响线加载等方法才可以得到桥梁在车辆荷载作用下的响应，从而更好的对桥梁的安全性能进行评价，更好地服务于桥梁工程这门学科。

6、分布拟合：

在上述得到所有车车重、轴重以及车辆行驶横向位置数据之后，对小型车整车车重和大型车各轴轴重进行数据分析，利用Matlab计算软件得到车重、轴重数据的参数(均值和方等等)，采用K-S检验法(Kolmogorov-SmirnovTest)对车重轴重以及车辆行驶横向位置参数分布类型进行判断并进行优度拟合检验，检验各车重、轴重以及车辆行驶横向位置服从的分布类型以及服从分布的统计参数。(假设服从的分布类型包括：正态分布、对数正态分布、极值I型分布、双峰正态分布等等)。

K-S检验法具体实施步骤如下：

1)根据频率直方图提供的曲线的偏态形状，可以假设总体X服从某种特定分布(包括：正态分布、对数正态分布、极值I型分布、双峰正态分布等等)。

2)建立检验用合理的统计量。设X₁,X₂,…,X_n是来自总体X的样本，将其观测值x₁,x₂,…,x_n由小到大排列，记为则称为顺序统计量，其中的取值为利用顺序统计量观测值以频率反映概率的方法，可以得到样本的经验分布函数F_n(x)。即

F_{n} (x) = \{\begin{matrix} 0, & x < x_{1}^{*} \\ \frac{1}{n}, & x_{1}^{*} \leq x < x_{2}^{*} \\ \cdot \cdot \cdot \\ \frac{k}{n}, & x_{k}^{*} \leq x < x_{k + 1}^{*} \\ \cdot \cdot \cdot \\ 1, & x_{n}^{*} \leq x \end{matrix}

根据样本经验分布函数及假设的理论分布函数可以建立统计量

D_n＝Max{|F_n(X_k)-F₀(X_k)|}

式中，X_k为样本顺序统计量的第k个观测值，F_n(X_k)为第k个观测值的经验分布函数值，F₀(X_k)为第k个观测值的理论分布函数值。

3)给定显著性水平α，查K-S分布临界值表得到临界值D_n,α。

4)比较D_n与D_n,α，若D_n≤D_n,α，则接受总体服从假设分布，否则拒绝接受总体服从假设分布。

利用K-S检验法对各车型的整车车重参数统计分布类型进行判断并进行优度拟合检验，在所有车重、轴重分布检验完成后，对各车重、轴重服从分布的参数进行汇总，利用这些参数结合蒙特卡洛(MonteCarlo)或者其他方法即可非常方便地得到需要的随机车流数据。为以后类似交通状况地区的桥梁安全评价和健康监测提供极具参考意义的随机交通流信息。得到的汇总表如表2所示：

表2：汇总表

注：表中AW_j代表轴载质量，j表示轴编号，其中，对于五轴车：j＝1～5对于六轴车：j＝1～6)。

综上所述，本发明的无需动态称重设备，即可识别出车辆的车重以及轴重，误差完全可以满足桥梁安全评价以及健康监测的要求，在得到车辆的车重以及轴重分布参数之后，完全可以直接利用蒙特卡洛(MonteCarlo)或者其他方法生成符合当地实际的随机车流，通过对生成的随机车辆进行分析，实现对桥梁在正常交通运营状况下的安全状况进行评价，为桥梁的长期安全性能评定提供依据，采用的是梁格法有限元模型，不同于传统采用的单梁模型，识别精度可以得到很大的保证。另外整个移动荷载识别的过程简单易行，不需要众多的参数，需要在实桥上布置的测点也较少，可以识别出各种车型的车重，完全能满足实际中移动荷载识别的需要。本专利采用的移动荷载识别方法可以直接应用于移动荷载的批量识别，并且经过实测验证，整个识别结果的误差较小。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种单车通过多梁式桥梁的车辆荷载识别方法，其特征在于：所述的车辆荷载识别方法的具体步骤如下：

1）进行交通荷载调查，用摄像机记录所调查地区路段通过车辆的类型，对采集到的数据的车型结合车辆规范中的车辆车重、轴数、轴距、轴重参数将该地区交通荷载进行分类，并加以汇总，所述的车辆可按照车型分为5大类共计12小类；

2）在识别桥梁各片梁跨中底部放置动挠度计，利用该装置采集车辆过桥时的桥梁跨中动力响应信息，利用动挠度测试仪采集待识别车辆通过时的桥梁动力响应信号，对随机不同重量的车辆单车过桥时各片梁的动挠度曲线进行小波变换降噪处理，降噪后得到静力挠度响应数据，得到动挠度曲线，然后去除曲线中因冲击作用引起的动力响应信息，保留实际车辆过桥的静力挠度响应数据；

3）建立符合对应桥梁实际的有限元梁格法模型，计算不同车型在桥面横向位置变动时各片主梁的竖向位移的分配比例，得到单车通过桥梁时的空间响应面；

4）实测时根据实际车辆单车过桥时桥梁各片主梁的竖向位移分配关系，对应理论各片主梁的竖向位移分配关系，计算得到待识别车辆在桥面行驶的横向位置；

5）根据记录下的车辆车型，识别的车辆通过时的横向位置，以及相应的各片主梁在车辆通过时的静力响应极值，结合已得到的单车通过桥梁时的主梁空间响应面插值得到待识别车辆的车重；

6）在识别出每类车的车重以后，对于小型车无需进行分轴识别，而对大型车进行分轴识别，即识别出大型车每个车的轴重：根据大型车不同车型在空载、半载和满载三种载重情况下的轴载分配比值，将车重按轴载分配比值进行分配即可得到每一辆大型车的各轴轴重；

7）在得到所有车的车重、轴重数据之后，对小型车整车车重和大型车各轴轴重进行数理统计分析，对得到车重、轴重以及横向位置数据的参数利用分布类型进行判断并进行优度拟合检验。

2.根据权利要求1所述的一种单车通过多梁式桥梁的车辆荷载识别方法，其特征在于：在步骤4）中，车辆在桥面行驶的横向位置可通过车辆横向位置识别法得到：根据车辆行驶位置分为超车道识别和行车道识别；分别选择位于超车道和行车道两侧的主梁，得到这两片主梁在待识别车辆通过时的动挠度曲线，采用小波变换降噪的方法去除动挠度曲线中因冲击作用引起的动力响应信息，保留实际车辆过桥的静力挠度响应数据，根据小波变换降噪后两片梁的静力极值之比，结合竖向位移分配关系，插值计算得到待识别车辆在桥面行驶的横向位置。

3.根据权利要求1所述的一种单车通过多梁式桥梁的车辆荷载识别方法，其特征在于：在步骤5）中，分别选择位于最靠近超车道和行车道中心线的两片主梁，利用有限元分析法计算不同重量车辆行驶于不同横向位置时这两片梁的跨中静力响应极值，绘制这两片主梁的空间响应面：选取车重最小值为车辆空载重量，车重最大值为车辆满载重量，采用合适的车重增量，然后以车重和横向位置为坐标X值和Y值，梁底挠度极值为坐标Z值绘制对应梁的空间响应面，然后根据已识别的车辆类型和横向位置，结合相应主梁小波变换降噪后的静力响应极值，和该梁空间响应面对比插值计算出待识别车辆的车重。