CN110147595A - 一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法 - Google Patents

一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法，该装置包括采集梁桥同一断面的每一主梁的应力值X(i,t)，对X(i,t)进行预处理，提取前p个峰值，计算每一峰值对应的主梁的实际横向分布系数η(i,t)和与位于该主梁两侧的主梁的实际应力相对差值：k(i‑1,t)和k(i,t)，计算得到ηmax(i)和kmax(i)，当梁桥在完好和损坏状态时，分别计算同一断面的每一主梁的理论最不利横向分布系数η0(i)及η1(i)和每相邻两片主梁的理论最大相对应力差k0(i)及k1(i)，计算梁桥的主梁可靠度βL(i)和横向联系可靠度βH(i)，形成评估图进行评估。本发明提供的评估方法，可实时并准确的对多片式梁桥横向协同的工作性能进行评估，不需要增加GPS等同步设备，可对历史数据进行分析，了解桥梁病害的发展历程，推测其发展趋势。

Description

一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法
技术领域
本发明涉及桥梁健康监测领域，具体涉及一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法。
背景技术
随着国民经济的增长，对公路交通适用性的要求日益提高，交通量尤其是超载车辆迅速增长，这对公路的通行能力提出了严峻考验。近年来多片式梁桥上出现的‘单板受力病害’逐渐引起广大技术人员的重视。多片式梁桥各梁间的协同工作性能通常用荷载横向分布系数来反映，所谓荷载横向分布系数(Lateral Distribution Factor of Live Load)是指公路车辆荷载在桥梁横向各主梁间分配的百分比。普通简支桥梁中，荷载横向分布系数同主梁间的联接方式、有无内横梁、断面的抗弯刚度、抗扭刚度及车辆荷载的位置有关，是很复杂的空间问题，在桥梁设计中常简化为平面问题来计算，有杠杆原理法、偏心压力法、横向铰接板法、横向刚接板法、比拟正交异性板法等。
目前，多片式梁桥横向协同工作性能的检测方法多采用静载试验法，试验前，通过有限元计算分析，以桥梁受力最大的板梁作为试验对象，然后以0.95～1.05的加载效率对该片主梁进行加载，通过测试其挠度及应力响应并与计算值进行对比，若校验系数小于1，则认为桥梁处于安全状态。对桥梁横向协同工作性能的评估，则是通过对比各梁间的挠度与应力响应来实现，若挠度及应力响应横向分布曲线较为平滑，则判定横向协同性良好，若平滑性较差，则判定横向协同性较差。
目前，静载试验法测试多片式梁桥横向协同工作性能存在以下局限性：(1)耗时、耗力，需要封闭交通；(2)仅能对加载位置附近板梁横向协同性能进行评估，难以对整座桥梁进行评估；(3)由于加载轮位固定，荷载同时作用在两片主梁上时，实际横向联系较弱的梁，也可能表现为受力一致，掩盖了部分病害；(4)加载车重一般选取30t～35t，而实际运营中超载车辆可达100t，且横向联系存在非线性，荷载试验难以反映实际运营状况；(5)横向联系变弱后，跑车荷载的冲击效应会增大，静载试验难以反映车辆冲击效应；(6)荷载试验主要通过应力、挠度计校验系数、残余应力及残余变形等参数对桥梁安全性进行评估，主梁间横向连接性能主要通过经验来判断，无法量化，不同的检测人员可能会得出不同的结论，主观性较强；(7)荷载试验检测周期较长，难以跟踪病害发展。
现有的多片式梁桥健康监测系统，一般采用主梁应力作为主要监测内容，把主梁应力是否超限作为是否进行报警的判别依据，此种方法实时高效，但难以判别主梁横向联系的工作状况。目前基于动测数据的多片式梁桥横向协同工作能力评估，多采用动挠度，即采用多次跑车荷载作用下，挠度监测数据的统计规律对板梁间横向联系进行评估。此类方法可以克服静载试验的一些局限性，能够反映桥梁实际运营情况，且无需封闭交通，但多片式梁桥多为中小跨径简直梁桥，主梁在行车荷载作用下，主梁挠度多在5mm以内，对监测设备的精度要求较高，处于运营状态的桥梁，挠度监测只能采用非接触式测量方法，设备造价较高，且现有的中小桥梁监测系统多数未安装挠度监测点，难以利用已有的设备。
也有学者提出了基于主梁间动应变相关性的多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法，即通过对主梁间实测动应变进行相关性分析，如线性相关，则认为横向联系良好，否则则认为横向联系存在损伤。该方法概念清晰，适用于横向无配筋的空心板梁，对于横向配筋的空心板梁及T梁，当横向联系混凝土开裂时，钢筋也可以传递部分剪力，主梁间实测应力仍有较好的相关性。该方法无法对横向联系损伤程度进行量化，只能进行定性分析，且该方法对现场测试环境要求较高，对噪声比较敏感，而实际测试环境下，噪声干扰较多，测试效果较差，另外，该方法需要较高的采样频率，对现场采集传输设备要求较高，部分现有设备难以满足要求。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供了一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法，可实时并准确的对多片式梁桥横向协同的工作性能进行评估。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
采集梁桥同一断面的每一片主梁的应力值X(i,t)，其中，i为主梁的序号，t为时间；
对X(i,t)进行预处理，提取出经预处理后的X(i,t)的前p个峰值，p＞100，再计算每一峰值对应时间的主梁的实际横向分布系数η(i,t)和与位于该片主梁两侧的主梁的实际应力相对差值：k(i-1,t)和k(i,t)；
以η(i,t)的最大值作为主梁特征值ηmax(i)，以k(i,t)的最大值作为横向联系特征值kmax(i)；
当梁桥在完好状态时，计算同一断面的每一片主梁的理论最不利横向分布系数η0(i)和每相邻两片主梁的理论最大相对应力差k0(i)，当梁桥在横向联系损伤的状态时，计算同一断面的每一片主梁左右两侧的理论最不利横向分布系数η1(i)和每相邻两片主梁的理论最大相对应力差k1(i)；
根据ηmax(i)、η0(i)和η1(i)计算梁桥的主梁可靠度βL(i)，根据kmax(i)、k0(i)和k1(i)计算横向联系可靠度βH(i)，再根据βL(i)和βH(i)形成评估图，对多片主梁之间的横向协同工作性能进行评估。
在上述技术方案的基础上，根据ηmax(i)、η0(i)和η1(i)计算梁桥的主梁可靠度βL(i)，具体步骤包括：
当ηmax(i)≤η0(i)时，βL(i)＝1，当ηmax(i)≥η1(i)时，βL(i)＝0，当η0(i)<ηmax(i)<η1(i)，采用插值法计算βL(i)。
在上述技术方案的基础上，根据kmax(i)、k0(i)和k1(i)计算横向联系可靠度βH(i)，具体步骤包括：
当kmax(i)≤k0(i)时，βH(i)＝1，当kmax(i)≥k1(i)时，βH(i)＝0，当k0(i)<kmax(i)<k1(i)，采用插值法计算βH(i)。
在上述技术方案的基础上，在梁桥的底部设置多个数据监测单元，利用数据监测单元采集梁桥同一断面的每一片主梁的应力值X(i,t)，每一数据监测单元均包括多个动应变传感器、一采集设备和一传输设备，利用动应变传感器监测主梁的应力值X(i,t)，利用采集设备采集X(i,t)后再通过传输设备对X(i,t)进行传输。
在上述技术方案的基础上，对X(i,t)进行预处理，具体包括：
根据第j个采集设备的时间数据建立时间向量Tj，其中j＝1、2、…、m，并根据采集的每一片主梁的应力值X(i,t)建立矩阵Dataj；
将时间向量Tj与矩阵Dataj按照时间对应组合得到数组TDj；
对数组TDj按时间先后进行排序后，采用中值法进行滤波处理；
对多个数组TDj之间进行时间对齐处理。
在上述技术方案的基础上，对每一数组TDj按时间先后进行排序后，先剔除数组TDj内的奇异值数据和重复数据，再采用中值法进行滤波处理。
在上述技术方案的基础上，计算每一峰值对应时间的主梁的实际横向分布系数的公式为计算主梁与位于该主梁两侧的主梁的实际应力相对差值的计算公式为
在上述技术方案的基础上，采集位于同一断面的每一片主梁的时间范围为24h。
在上述技术方案的基础上，每一动应变传感器的采样频率为20Hz～30Hz。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供了一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法，基于动数据的分析计算方法一般均要求各测点间数据的同步性，而目前已建成的健康监测系统，各动应变采集模块间均未考虑同步措施，本方法评估精度高，能实时评估梁桥的横向协同工作性能，且采用波形相关性比较法对动测数据进行了同步处理，不需要额外增加GPS等同步设备，测量计算方便，受外界环境影响小，成本低，另外，还可以对历史数据进行计算分析，通过比较历年的分析结果，从而了解桥梁病害的发展历程，推测其发展趋势，做到风险预估及处理，实用性强。
附图说明
图1为本发明实施例中的多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法的梁桥的结构示意图；
图2为本发明实施例中的多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法的梁桥断面的示意图；
图3为本发明实施例中的多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法的测试系统架构图；
图4为本发明实施例中的多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法的预处理前的实测应力典型时程曲线图；
图5为本发明实施例中的多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法的预处理后的实测应力典型时程曲线图；
图6为本发明实施例中的多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法的梁桥上实际运营的轴数为2的车辆的示意图；
图7为本发明实施例中的多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法的梁桥上实际运营的轴数为3的车辆的示意图；
图8为本发明实施例中的多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法的梁桥上实际运营的轴数为4的车辆的示意图；
图9为本发明实施例中的多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法的梁桥上实际运营的轴数为5的车辆的示意图；
图10为本发明实施例中的多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法的梁桥上实际运营的轴数为6的车辆的示意图。
图中：1-梁桥，2-主梁。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
参见图1-3所示，本发明实施例提供一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法，其主要用于评价梁桥1的横向协同工作性能，其中，梁桥1包括多片沿桥的宽度方向并排连接的主梁2，主梁2之间通过横向联系连接。横向协同工作性能的评估方法的具体步骤包括首先采集梁桥1同一断面的每一片主梁2的应力值X(i,t)，其中，i为片主梁2的序号，t为时间；然后对X(i,t)进行预处理，并提取出经预处理后的X(i,t)的前p个峰值，这里p＞100，计算每一峰值对应时间的每一主梁2的实际横向分布系数η(i,t)和与位于该主梁2两侧的主梁2的实际应力相对差值：k(i-1,t)和k(i,t)，比如1号主梁2与2号主梁2之间的横向联系则为1号横向联系，2号主梁2与3号主梁2之间的横向联系则为2号横向联系，那么此时，1号主梁2与2号主梁2之间的实际应力相对差值则为k(1,t)，2号主梁2与3号主梁2之间的实际应力相对差值则为k(2,t)；再以η(i,t)的最大值作为主梁特征值ηmax(i)，以k(i,t)的最大值作为横向联系特征值kmax(i)。
得到实际测试及计算的数据后，建立梁桥1的有限元模型，分别获取其在理论状态下的当梁桥在完好和损坏状态时的数据。具体的，当梁桥在完好状态时，计算同一断面的每一片主梁2的理论最不利横向分布系数η0(i)和每相邻两片主梁2的理论最大相对应力差k0(i)；当梁桥在横向联系损伤的状态时，计算同一断面的每一片主梁2左右两侧的理论最不利横向分布系数η1(i)和每相邻两片主梁2的理论最大相对应力差k1(i)。最后根据ηmax(i)、η0(i)和η1(i)计算梁桥1的主梁可靠度βL(i)，根据kmax(i)、k0(i)和k1(i)计算横向联系可靠度βH(i)，再根据βL(i)和βH(i)形成评估图，结合评估图对多片主梁2之间的横向协同工作性能进行综合评估。
具体的，计算采用的车辆如下表所示，为武汉市三环线桥梁上实际运营的最为常见的几种典型车辆。
具体的，根据ηmax(i)、η0(i)和η1(i)计算梁桥1的主梁可靠度βL(i)，具体步骤包括，当ηmax(i)≤η0(i)时，βL(i)＝1，当ηmax(i)≥η1(i)时，βL(i)＝0，当η0(i)<ηmax(i)<η1(i)，采用插值法计算βL(i)；根据kmax(i)、k0(i)和k1(i)计算横向联系可靠度βH(i)，具体步骤包括，当kmax(i)≤k0(i)时，βH(i)＝1，当kmax(i)≥k1(i)时，βH(i)＝0，当k0(i)<kmax(i)<k1(i)，采用插值法计算βH(i)。如上，βL(i)和βH(i)的取值会构成一个曲形图，操作人员根据曲形图的变化并结合自己的经验，从而对梁桥1的横向协同工作性能进行评估。本方法评估精度高，能实时评估梁桥1的横向协同工作性能，且采用波形相关性比较法对动测数据进行了同步处理，不需要额外增加GPS等同步设备，测量计算方便，受外界环境影响小，成本低；另外，还可以对历史数据进行计算分析，通过比较历年的分析结果，从而了解桥梁病害的发展历程，推测其发展趋势，做到风险预估及处理，实用性强。
参见图1-3所示，在梁桥1的底部设置多个数据监测单元，利用数据监测单元采集梁桥1同一断面的每一片主梁2的应力值X(i,t)，每一数据监测单元均包括多个动应变传感器、一采集设备和一传输设备，每一片主梁2上存在一个测试点，每一个测试点上设置一动应变传感器，每一采集设备上可以同时连接四台动应变传感器，动应变传感器通过测试主梁2的实时数据，相应的，采集设备对主梁2的实时数据进行采集，并通过传输设备传输至数据端，如电脑等可以做分析计算的显示工具上，操作人员可以较直观的观测实时测试情况，这里，多个数据监测单元构成了整个梁桥的数据监测系统。具体的，利用动应变传感器监测主梁2的应力值X(i,t)，利用采集设备采集X(i,t)后再通过传输设备对X(i,t)进行传输及预处理，提取经预处理后的X(i,t)的前p个峰值，并对前p个峰值进行预处理。
具体的，预处理的具体步骤包括，根据第j个采集设备的时间数据建立时间向量Tj，其中j＝1、2、…、m，m为采集设备的数量，由于一台采集设备可以连接四台动应变传感器，因此，m的值比传感器的数量小；再根据每一片主梁2的应力值X(i,t)建立矩阵Dataj，将时间向量Tj与矩阵Dataj按照时间对应组合得到数组TDj；随后对数组TDj按时间先后进行排序后，采用中值法进行滤波处理，滤波的原因是测试过程中可能受其他杂波或电信号的干扰而产生奇异数据，因此为了保证测试的准确性，对其进行滤波处理；最后对多个数组TDj之间进行时间对齐处理，使各片主梁2的数据时间点一致。比如，时间向量：
采集第j个采集设备测得的四个测试点的应力值数据X(a,t)、X(b,t)、X(c,t)、X(d,t)组成矩阵Dataj，其中
矩阵Dataj其中的每列数据为与第j个采集设备相连的各个动应变传感器的实测数据，每行对应一个时刻各动应变传感器采集到的数据，最后将同一时刻下，采集到的时间数据与实测应力值数据按照时间对应组合，形成数组TDj，其中
进一步的，对每一数组TDj按时间先后进行排序后，先剔除数组TDj内的奇异值数据和重复数据，再采用中值法进行滤波处理。这里的奇异值数据是其他杂波或电信号的干扰而产生，重复数据则是在测试采集的过程中在同一时间点采集了两次。
参加图4-5所示，进一步的，多个数组TDj之间进行时间对齐处理时，可以从两个方面着手。首先是从硬件方面，每天固定时间位于操作人员根据位于数据端的服务器给各采集设备发送时间指令，对各采集设备的时间进行校准，经测试，校准后24h内各采集设备的时间差在10s以内；从软件方面，对连接不同采集设备的两相邻的主梁2上的测试点进行时间对齐处理，比如：1#采集设备上的第4通道对应梁桥1上的4#动应变传感器，2#采集设备的第1通道对应梁桥1上的5#动应变传感器，利用这两个测试点的动应变传感器监测的数据对1#采集设备和2#采集设备进行时间同步处理。
首先，选取4#动应变传感器对应的测试点的某一时刻前后10min范围内的数据，并提取最大峰值点H的数据，截取峰值前后各100个点组成向量A＝X(4,H-100:H+100)；其次，选取5#动应变传感器对应的测试点的H+t时刻前后各100个测试点的数据，组成向量B＝X(5,H+t-100:H+t+100)；随后，将t从-300变化到+300，求向量A与向量B的相关性，并记录相关性最大时t的取值tmax；最后，将2#采集设备的数据整体平移tmax，即可将2#采集设备的数据与1#采集设备的数据的时间对齐，若进行软件对齐，每隔1h进行一次。
进一步的，提取每一片主梁2的X(i,t)的前p个峰值，其中i＝1、2、…、n，n为主梁2的数量，计算每一峰值对应时间的主梁2的实际横向分布系数的公式为计算主梁2与位于该主梁2两侧的主梁2的实际应力相对差值的计算公式为
进一步的，采集位于同一断面的每一片主梁2的时间范围为24h，每一动应变传感器的采样频率为20Hz～30Hz。
本发明不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本发明相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
采集梁桥(1)同一断面的每一片主梁(2)的应力值X(i,t)，其中，i为主梁(2)的序号，t为时间；
对X(i,t)进行预处理，提取出经预处理后的X(i,t)的前p个峰值，p＞100，再计算每一峰值对应时间的主梁(2)的实际横向分布系数η(i,t)和与位于该片主梁(2)两侧的主梁(2)的实际应力相对差值：k(i-1,t)和k(i,t)；
以η(i,t)的最大值作为主梁特征值ηmax(i)，以k(i,t)的最大值作为横向联系特征值kmax(i)；
当梁桥在完好状态时，计算同一断面的每一片主梁(2)的理论最不利横向分布系数η0(i)和每相邻两片主梁(2)的理论最大相对应力差k0(i)，当梁桥在横向联系损伤的状态时，计算同一断面的每一片主梁(2)左右两侧的理论最不利横向分布系数η1(i)和每相邻两片主梁(2)的理论最大相对应力差k1(i)；
根据ηmax(i)、η0(i)和η1(i)计算梁桥(1)的主梁可靠度βL(i)，根据kmax(i)、k0(i)和k1(i)计算横向联系可靠度βH(i)，再根据βL(i)和βH(i)形成评估图，对多片主梁(2)之间的横向协同工作性能进行评估。
2.如权利要求1所述的一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法，其特征在于，根据ηmax(i)、η0(i)和η1(i)计算梁桥(1)的主梁可靠度βL(i)，具体步骤包括：
当ηmax(i)≤η0(i)时，βL(i)＝1，当ηmax(i)≥η1(i)时，βL(i)＝0，当η0(i)<ηmax(i)<η1(i)，采用插值法计算βL(i)。
3.如权利要求1所述的一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法，其特征在于，根据kmax(i)、k0(i)和k1(i)计算横向联系可靠度βH(i)，具体步骤包括：
当kmax(i)≤k0(i)时，βH(i)＝1，当kmax(i)≥k1(i)时，βH(i)＝0，当k0(i)<kmax(i)<k1(i)，采用插值法计算βH(i)。
4.如权利要求1所述的一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法，其特征在于：在梁桥(1)的底部设置多个数据监测单元，利用数据监测单元采集梁桥(1)同一断面的每一片主梁(2)的应力值X(i,t)，每一数据监测单元均包括多个动应变传感器、一采集设备和一传输设备，利用动应变传感器监测主梁(2)的应力值X(i,t)，利用采集设备采集X(i,t)后再通过传输设备对X(i,t)进行传输。
5.如权利要求4所述的一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法，其特征在于，对X(i,t)进行预处理，具体包括：
根据第j个采集设备的时间数据建立时间向量Tj，其中j＝1、2、…、m，并根据采集的每一片主梁(2)的应力值X(i,t)建立矩阵Dataj；
将时间向量Tj与矩阵Dataj按照时间对应组合得到数组TDj；
对数组TDj按时间先后进行排序后，采用中值法进行滤波处理；
对多个数组TDj之间进行时间对齐处理。
6.如权利要求5所述的一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法，其特征在于：对每一数组TDj按时间先后进行排序后，先剔除数组TDj内的奇异值数据和重复数据，再采用中值法进行滤波处理。
7.如权利要求6所述的一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法，其特征在于：计算每一峰值对应时间的主梁(2)的实际横向分布系数的公式为计算主梁(2)与位于该主梁(2)两侧的主梁(2)的实际应力相对差值的计算公式为
8.如权利要求1所述的一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法，其特征在于：采集位于同一断面的每一片主梁(2)的时间范围为24h。
9.如权利要求1所述的一种多片式梁桥横向协同工作性能的评估方法，其特征在于：每一动应变传感器的采样频率为20Hz～30Hz。
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