CN109829252B - 一种基于影响线识别的桥梁状况快速评级方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于影响线识别的桥梁状况快速评级方法，属于桥梁检测领域，旨在提供一种有能够准确高效地识别桥梁位移影响的桥梁状况快速评级方法，其技术方案要点如下，它包括如下步骤：S1：计算理论影响线，通过有限元瞬态动力学求解得到；S2：获取实测影响线，实时获取跑车全过程挠度时程数据，测试截面为跨中位置，截面横向布置2‑3个测点；S3：提取静载影响线，将各频带上的噪声对应的小波系数去除，保留原始信号的小波分解系数，对处理后的系数进行小波系数重构，得到去燥后的信号；S4：构建校验系数指标δ，根据校验系数指标δ进行桥梁状况评级。本发明适用于桥梁状况的快速评级。

Description

一种基于影响线识别的桥梁状况快速评级方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁状况快速评级方法，特别涉及一种基于影响线识别的桥梁状况快速评级方法。

背景技术

影响线是桥梁的固有特性，具有物理意义明确、对损伤敏感、对环境变化较不明显的特点，包含丰富的桥梁局部信息，新桥的成桥实验和旧桥的检测评估中常包含测量影响线。众所周知，一座桥梁服役了一段时间后，结构就有可能会发生劣化，随之出现局部刚度下降或其他固有特性的改变。基于影响线实测结果可以实现桥梁承载力的快速检测和对于桥梁的健康状况进行快速评级。

针对桥梁影响线的测定方法，目前，国内外学者开展了大量的研究工作和广泛的探索，但仍旧缺乏一种普遍认可的能够准确高效地识别桥梁位移影响线的方法。与此同时利用影响线进行桥梁健康状况快速评级方面的研究做的也还不是很多。

因此，针对上述现有技术的不足，桥梁影响线测定方法需要从准确性和工程实用性两个方面进一步深入研究，并且需要构建一个新的指标从而达到对桥梁的健康状况进行快速评级。

本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种基于影响线识别的桥梁状况快速评级方法，使其更具有实用性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于影响线识别的桥梁状况快速评级方法，具有能够准确高效地识别桥梁位移影响的优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于影响线识别的桥梁状况快速评级方法，包括如下步骤：

S1：计算理论影响线，通过有限元瞬态动力学求解得到，具体为，将结构沿跨径方向离散为若干节点，通过改变荷载作用的节点位置实现对移动荷载的模拟施加，每一荷载步内打开瞬态效应，循环加载求解的结果即为理论影响线；

S2：获取实测影响线，实时获取跑车全过程挠度时程数据，测试截面为跨中位置，截面横向布置2-3个测点；

S3：提取静载影响线，将各频带上的噪声对应的小波系数去除，保留原始信号的小波分解系数，对处理后的系数进行小波系数重构，得到去燥后的信号；

S4：构建校验系数指标δ，根据校验系数指标δ进行桥梁状况评级；

其中，

式中，w_差为静载影响线与理论影响线的差值指标，w_计为理论影响线指标。

进一步的，理论影响线的校验方法，具体为，通过车桥两子系统间的分离迭代实现，其中，车桥运动方程为：

式中：M_b为桥梁的质量(kg)，u_b为桥梁节点的位移(m)，C_b为桥梁的阻尼[N/(m/s)]，K_b为桥梁的刚度(N/m)，F_gb作用在桥梁的与桥梁车辆运动无关的荷载(N)，F_vb桥车间的相互作用力(N)；

式中，M_v为车辆的质量(kg)，u_v为车辆节点的位移(m)，C_v为车辆的阻尼[N/(m/s)]，K_v为车辆的刚度(N/m)，F_vg作用在车辆的与桥梁车辆运动无关的荷载(N)，F_bv桥车间的相互作用力(N)。

进一步的，提取静载影响线，利用MATLAB进行计算，剔除动载效应，具体为，基于两尺度方程系数{h_k}设计离散正交小波dbN；

其中，N为小波阶数，Ψ小波和尺度函数域中的支撑区为2N-1，

的消失矩为N，dbN不具对称性，且dbN无显式表达式；

其中，{h_k}的传递函数的模的平方有显式表达式；

设

式中，

为二项式的系数；

则

进一步的，理论影响线指标w_计的计算具体为，

式中，n个点将桥梁划分为n-1等分，α_i表示桥梁健康临界状态下i点处的跨中挠度影响线值，η_i为i点处的位置加权系数；

其中，η_i求解方法：记跨中处加权系数为1，η₁＝0，η_n＝0；

当

时，

当

时，

进一步的，静载影响线与理论影响线的差值指标w_差的计算具体为，

式中，n个点将桥梁划分为n-1等分，β_i为实际情况下桥梁i点处的跨中挠度影响线值，

η_i为i点处的位置加权系数；

其中，η_i求解方法：记跨中处加权系数为1，η₁＝0，η_n＝0；

当

时，

当

时，

进一步的，当δ＞0.6时，说明桥梁结构工作性能良好，为1类桥；

当0.5＜δ≤0.6时，说明桥梁结构工作性能低于健康临界值，为2类桥；

当0.4＜δ≤0.5时，说明桥梁结构工作性能低于健康临界值，为3类桥；

当0.3＜δ≤0.4时，说明桥梁结构工作性能低于健康临界值，为4类桥；

当δ≤0.3时，说明桥梁结构工作性能已超过健康临界值，为5类桥。

本发明具有以下有益效果：

首先，计算理论影响线，然后对实测影响线进行去躁，剔除实测影响线中动载效应引起的局部波动，提取静载影响线，静载影响线为去躁后的实测影响线，最后构建校验系数指标并基于该指标对桥梁健康状况进行评级。本发明能够很快的提取影响线对桥梁状况进行评级，为准确高效地识别桥梁位移影响线提供了一种新的思路。

附图说明

图1是本实施例中用于体现基于影响线识别的桥梁状况快速评级方法的流程图；

图2是本实施例中用于体现理论影响线、实测影响线以及静载影响线识别的效果图；

图3是本实施例中用于体现校验系数指标与桥梁状况评级的对应关系图。

图中，1、实测影响线；2、静载影响线；3、理论影响线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

一种基于影响线识别的桥梁状况快速评级方法，如图1所示，包括如下步骤：

考虑动载效应的理论影响线计算可看作是桥梁结构在车辆荷载下的强迫振动问题，其特点为荷载是移动的，且车辆本身也是一个具有质量的振动体系，这使得车桥耦合系统的动力特征随荷载位置的移动而不断变化。

S1：计算理论影响线，通过有限元(ANSYS)瞬态动力学求解得到，具体为，将结构沿跨径方向离散为若干节点，通过改变荷载作用的节点位置实现对移动荷载的模拟施加，每一荷载步内若按静力求解所得的跨中节点位移时程曲线即为标准静力影响线；每一荷载步内打开瞬态效应，循环加载求解的结果即为理论影响线。最终理论影响线的获取通过上述有限元瞬态动力学求解方法得到，并通过下述理论方法校验。

理论影响线的校验方法，具体为，通过车桥两子系统间的分离迭代实现，其中，车桥运动方程为：

式中：M_b为桥梁的质量(kg)，u_b为桥梁节点的位移(m)，C_b为桥梁的阻尼[N/(m/s)]，K_b为桥梁的刚度(N/m)，F_gb作用在桥梁的与桥梁车辆运动无关的荷载(N)，F_vb桥车间的相互作用力(N)；

式中，M_v为车辆的质量(kg)，u_v为车辆节点的位移(m)，C_v为车辆的阻尼[N/(m/s)]，K_v为车辆的刚度(N/m)，F_vg作用在车辆的与桥梁车辆运动无关的荷载(N)，F_bv桥车间的相互作用力(N)。

对于车桥系统，将桥梁与车辆运动方程分别独立求解，通过分离迭代来满足车桥两子系统间的几何、力学耦合关系。

S2：获取实测影响线，实时获取跑车全过程挠度时程数据，测试截面为跨中位置，截面横向布置2-3个测点；具体的，实测影响线通过现场定速跑车试验获取。车辆轴重与轴距与数值计算的加载车辆保持一致，匀速跑车。使用雷达挠度测量仪器获取跑车全过程挠度时程数据。

S3：提取静载影响线，根据噪声与信号在不同频带上的小波分解系数具有不同强度分布特点，将各频带上的噪声对应的小波系数去除，保留原始信号的小波分解系数，对处理后的系数进行小波系数重构，得到去燥后的信号。

基于dbN方法，利用MATLAB进行计算，剔除动载效应，即可得到提取静载影响线，具体为，基于两尺度方程系数{h_k}设计离散正交小波dbN；

其中，N为小波阶数，Ψ小波和尺度函数域中的支撑区为2N-1，

的消失矩为N，dbN不具对称性，且dbN无显式表达式；

其中，{h_k}的传递函数的模的平方有显式表达式；

设

式中，

为二项式的系数；

则

S4：构建校验系数指标δ，根据校验系数指标δ进行桥梁状况评级；其中，

式中，w_差为静载影响线与理论影响线的差值指标，w_计为理论影响线指标。

计算理论影响线指标，即在健康临界状态下桥梁的跨中挠度影响线，从桥端到桥尾依次取点1，2，…,n(桥端点为1号点，桥尾点为n号点)，使这n个点将桥梁划分为n-1等分；

理论影响线指标w_计的计算具体为，

式中，n个点将桥梁划分为n-1等分，α_i表示桥梁健康临界状态下i点处的跨中挠度影响线值，η_i为i点处的位置加权系数；

其中，η_i求解方法：记跨中处加权系数为1，η₁＝0，η_n＝0；

当

时，

当

时，

静载影响线与理论影响线的差值指标w_差的计算具体为，

式中，n个点将桥梁划分为n-1等分，β_i为实际情况下桥梁i点处的跨中挠度影响线值，

η_i为i点处的位置加权系数；

其中，η_i求解方法：记跨中处加权系数为1，η₁＝0，η_n＝0；

当

时，

当

时，

根据校验系数指标δ进行桥梁状况评级，具体的，结合桥梁评定规范中对于桥梁状况的评估方法，校验系数指标δ是评定结构工作状况的重要指标。随着校验系数指标δ的增大，桥梁的损伤状况越小，反映桥梁健康状况越好。参照《公路桥梁技术状况评定标准》，以校验系数为指标对一般对于钢筋混凝土梁桥有如图3评定等级划分，评定等级分1～5类技术状况的桥梁，级别越高表示结构损伤越来越大。

本实施例中，当δ＞0.6时，说明桥梁结构工作性能良好，为1类桥；

当0.5＜δ≤0.6时，说明桥梁结构工作性能低于健康临界值，为2类桥；

当0.4＜δ≤0.5时，说明桥梁结构工作性能低于健康临界值，为3类桥；

当0.3＜δ≤0.4时，说明桥梁结构工作性能低于健康临界值，为4类桥；

当δ≤0.3时，说明桥梁结构工作性能已超过健康临界值，为5类桥。

首先，计算理论影响线，然后对实测影响线进行去躁，剔除实测影响线中动载效应引起的局部波动，提取静载影响线，静载影响线为去躁后的实测影响线，最后构建校验系数指标并基于该指标对桥梁健康状况进行评级。本发明能够很快的提取影响线对桥梁状况进行评级，为准确高效地识别桥梁位移影响线提供了一种新的思路，利用本发明得到的影响线识别效果图如图2所示。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (4)

1.一种基于影响线识别的桥梁状况快速评级方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：计算理论影响线，通过有限元瞬态动力学求解得到，具体为，将结构沿跨径方向离散为若干节点，通过改变荷载作用的节点位置实现对移动荷载的模拟施加，每一荷载步内打开瞬态效应，循环加载求解的结果即为理论影响线；

S2：获取实测影响线，实时获取跑车全过程挠度时程数据，测试截面为跨中位置，截面横向布置2-3个测点；

S3：提取静载影响线，将各频带上的噪声对应的小波系数去除，保留原始信号的小波分解系数，对处理后的系数进行小波系数重构，得到去躁后的信号；

S4：构建校验系数指标δ，根据校验系数指标δ进行桥梁状况评级；

其中，

式中，w_差为静载影响线与理论影响线的差值指标，w_计为理论影响线指标；

理论影响线指标w_计的计算具体为，

式中，n个点将桥梁划分为n-1等分，α_i表示桥梁健康临界状态下i点处的跨中挠度影响线值，η_i为i点处的位置加权系数；

其中，η_i求解方法：记跨中处加权系数为1，η₁＝0，η_n＝0；

当

时，

当

时，

静载影响线与理论影响线的差值指标w_差的计算具体为，

式中，n个点将桥梁划分为n-1等分，β_i为实际情况下桥梁i点处的跨中挠度影响线值，

η_i为i点处的位置加权系数；

其中，η_i求解方法：记跨中处加权系数为1，η₁＝0，η_n＝0；

当

时，

当

时，

2.根据权利要求1所述的一种基于影响线识别的桥梁状况快速评级方法，其特征在于，理论影响线的校验方法，具体为，通过车桥两子系统间的分离迭代实现，其中，车桥运动方程为：

式中：M_b为桥梁的质量(kg)，u_b为桥梁节点的位移(m)，C_b为桥梁的阻尼[N/(m/s)]，K_b为桥梁的刚度(N/m)，F_bg为作用在桥梁的与桥梁车辆运动无关的荷载(N)，F_vb为桥车间的相互作用力(N)；

式中，M_v为车辆的质量(kg)，u_v为车辆节点的位移(m)，C_v为车辆的阻尼[N/(m/s)]，K_v为车辆的刚度(N/m)，F_vg为作用在车辆的与桥梁车辆运动无关的荷载(N)，F_bv为桥车间的相互作用力(N)。

3.根据权利要求1所述的一种基于影响线识别的桥梁状况快速评级方法，其特征在于，提取静载影响线，利用MATLAB进行计算，剔除动载效应，具体为，基于两尺度方程系数{h_k}设计离散正交小波dbN；

其中，N为小波阶数，Ψ小波和尺度函数域中的支撑区为2N-1，

的消失矩为N，dbN不具对称性，且dbN无显式表达式；

其中，{h_k}的传递函数的模的平方有显式表达式；

设

式中，

为二项式的系数；

则

4.根据权利要求1所述的一种基于影响线识别的桥梁状况快速评级方法，其特征在于，当δ＞0.6时，说明桥梁结构工作性能良好，为1类桥；

当0.5＜δ≤0.6时，说明桥梁结构工作性能低于健康临界值，为2类桥；

当0.4＜δ≤0.5时，说明桥梁结构工作性能低于健康临界值，为3类桥；

当0.3＜δ≤0.4时，说明桥梁结构工作性能低于健康临界值，为4类桥；

当δ≤0.3时，说明桥梁结构工作性能已超过健康临界值，为5类桥。

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