CN110377943A - 一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种桥梁承载能力评估方法,属于土木工程应用技术领域。本发明方法首先通过现场试验,测得移动荷载作用下桥梁的动力响应;然后通过采用分段多项式函数模型和循环拟合的思路,计算提取桥梁的实际影响线;基于桥梁实际影响线和理论影响线,构建影响线评估指标;并用构建的指标替代传统桥梁荷载试验静力校验系数来评估桥梁承载能力。本发明解决了桥梁承载能力评估‑荷载试验法存在的开展成本高、需要影响或中断交通、耗时耗力等方面的不足;本发明基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估试验过程简单、获取记录的数据信息量大,对实现桥梁承载能力评估的快速化、经济化有着巨大意义;不仅如此,本发明还能避免静载试验因大量加载而导致桥梁损伤的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及一种桥梁承载能力评估方法;属于土木工程应用技术领域。
背景技术
桥梁承载能力评估是验证结构设计、检验施工质量和判断桥梁实际承载能力水平的必要手段,对防止桥梁事故的发生有着重要作用,能够为桥梁的维修加固和改造提供相应的技术依据。
目前土木工程领域常用的桥梁评估方法有基于外观检查法和荷载试验法。外观检查法需要对桥梁进行详细的外观检查,较适用于评价构造简单、受力明确且易于观察的构件,比如栏杆、伸缩缝、支座等;对复杂结构现有的评分标准及评估结果往往不够理想。荷载试验法是当前桥梁检测评估中最直观、最有效的方法,但其开展成本高、需要测试工况多、存在长时间影响或阻断交通等问题,给数量众多的桥梁评估带来了诸多不便。
截至2017年底,我国现役公路桥梁83.25万座,随着服役时间延长,都将逐步进入老化养护期。仍采用传统检测方法将带来巨大检测评估工作量和时间、经济消耗。如何实现对既有桥梁的快速化、经济化评估成为亟待解决的热点问题。桥梁影响线是桥梁结构的固有特征,能够反映其承载能力;近年来,对桥梁实际影响线的提取方法及试验手段逐渐成熟。在此基础上本专利发明了一种基于实际影响线的桥梁承载能力评估方法。
发明内容
本发明提供一种桥梁承载能力评估方法,从移动荷载作用下桥梁动力响应中提取实际影响线信息,以此评估桥梁结构承载能力,实现桥梁评估的快速化、经济化。本发明的主要内容包括:
(1)桥梁影响线理论模型
桥梁影响线描述桥梁结构在单位荷载作用于不同位置下的静力响应,它是桥梁结构重要的静力特征参数,与桥梁的边界条件、几何参数(截面、长度)、物理参数(刚度)等密切相关。以几种易于测试获取的桥梁响应(应变、挠度)为例,其影响线理论模型特征如下:①应变影响线:理想简支梁的应变影响线为分段折线;一般边界梁(一般边界梁指梁的一端或者两端存在扭转约束)的应变影响线为分段三次函数;②挠度影响线:理想简支梁和一般边界梁的挠度影响线均为分段三次函数,其分段数大于等于2。
(2)基于移动荷载试验的桥梁实际影响线的测试提取
桥梁移动荷载试验及实际影响线提取过程简述如下:
采用一辆已知轴重、轴距和轴数的试验车辆,根据实际情况控制车辆以已知速度(近似匀速)行驶通过待测桥梁。对整个试验过程,以合理采样频率采集桥梁测点的动力响应(挠度或应变响应)。选取试验车辆第一轴上桥至最后一轴出桥时间段内的桥梁响应,作为桥梁实际影响线提取的计算数据。
关于从桥梁动力响应中提取桥梁实际影响线的问题,专利(专利号:201510212858.9)采用“两段函数模型”实现了从车辆匀速或非匀速过桥的动力响应中提取实际影响线信息。该方法主要适合于刚度均匀的梁桥,对于含局部损伤的梁桥或变刚度梁桥,采用“两段函数模型”提取的影响线往往与实际不符。
进一步地,专利(专利号:201510212858.9)提出基于影响线的损伤检测方法时,其影响线提取环节将影响线模型由“两段函数模型”扩展至“多段函数模型”,用于准确描述提取损伤梁桥的实际影响线信息。但多段函数的采用同时降低了影响线模型的滤波功能,导致提取的影响线存在不可避免的微小波动,需进一步借助滤波、移动平均等信号处理手段消除波动干扰。
在上述研究基础上本专利发明了一种通过采用多段函数多次循环拟合的影响线提取方法,避免滤波、移动平均等信号处理手段的误差,通过多次循环拟合计算直接从桥梁动力响应提取高精度的准静态桥梁实际影响线。
本发明一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法,包括下述步骤:
步骤一:通过循环拟合计算方法,提取具有准静态特性桥梁实际影响线
①开展移动荷载试验,选取车辆上桥至出桥时间段内桥梁动力响应作为影响线提取研究对象;
②根据桥梁长度L确定分段数量,将影响线I沿桥长分为N段,分别记为I1,I2,……,IN,每段长度分别为L1,L2,……,LN;构建分段多项式函数模型f1(x);引入可调幅谐波函数f2(x)用于拟合移动荷载导致的波动部分;
f2(x)=(e2x2+e1x+e0)sin(w t) (2)
式(2)中w表示桥梁竖向振动基频,通过测试得到;t表示时间,取值介于0和车辆在桥上行驶总时间t0之间;x表示荷载到上桥端的距离,为变量,取值(0,Lb),与(1)式中x取值同步;e0、e1、e2为参数;
其中I1,I2,……,IN,均为三次多项式;起、止点值为零;且相邻分段函数在交点处满足连续、一阶求导后连续、二阶求导后连续的条件,见公式(3);
式中:xi描述各段相邻函数交点位置,0<xi<L;L指桥跨长度。
③结合步骤②分段多式函数模型和谐波函数模型共同拟合步骤①动力响应,经最小二乘法计算得到分段多项式函数ai、bi、ci、di和谐波函数模型的参数e0、e1、e2。从而得到分段多项式函数,即为初始影响线;
④定义第p次进行步骤③所得分段多项式函数为第p影响线;所述p大于等于1
将第p影响线(即:单位移动荷载作用下的响应信号)作为下一步影响线提取研究对象,以获得第P+1影响线;
⑤改变分段函数的分段数量和分段点位置,重新构建分段多项式函数模型;
⑥以步骤⑤分段多项式函数模型拟合步骤④中的第p影响线,经最小二乘法计算得到分段多项式函数模型的参数,从而获得到第P+1影响线;
⑦重复步骤④-⑥至少2次、优选为大于等于500次,得到所述准静态特性桥梁实际影响线;
步骤二:基于影响线的桥梁承载能力评估指标构建
类比桥梁荷载试验规范中校验系数的定义,校验系数η
η=Se/Ss (4)
式中:Se——试验荷载作用下量测的弹性变位值或应变值;
Ss——试验荷载作用下的理论计算变位值或应变值;
且Se、Ss要么同为变位值、要么同为应变值;
假定:
从移动荷载作用下桥梁动力响应中经循环拟合计算提取的桥梁实际影响线记为Ie;
由设计参数计算的桥梁同一测点理论影响线记为Is;
结合桥梁影响线的实际值Ie和理论值Is,构建影响线幅值校验系数ζD和影响线面积校验系数ζA如下:
影响线幅值校验系数ζD
式中:De表示桥梁实际影响线Ie的最大幅值;
Ds表示桥梁理论影响线Is的最大幅值。
影响线面积校验系数ζA
式中:Ae表示实际影响线Ie与坐标轴围成的面积;
As表示理论影响线Is与坐标轴围成的面积。
以简支梁影响线为例,其Ae、As如附图4、5所示。
静力校验系数η和影响线幅值校验系数ζD都是用测点最大响应去衡量结构整体性能;而影响线面积校验系数ζA则反映了移动荷载作用在桥梁不同位置时响应之和去衡量结构承载能力;
步骤三桥梁承载能力评估
与基于静力校验系数η的桥梁承载能力评估类似,定义基于影响线校验系数ζD和ζA的桥梁承载能力评估方法为:
当ζD<1且ζA<1时,说明实际影响线较理论影响线小,桥梁实际刚度大于理论刚度或结构受力性能良好,桥梁承载能力满足设计要求,且有安全储备;
当ζD=1或ζA=1时,说明实际影响线与理论影响线相符,桥梁实际刚度等于理论刚度,桥梁承载能力恰好满足设计要求,但没有安全储备;
当ζD>1或ζA>1时,说明实际影响线较理论影响线大,桥梁实际刚度小于理论刚度,桥梁承载能力不满足设计要求,桥梁结构工作性能较差,存在安全隐患。
本发明所涉及的多段函数模型可以较好的描述桥梁刚度不均匀的情况,更加准确地反映桥梁构的固有特征信息。但随着分段数量的增多,多段函数模型的拟合计算会受到桥梁振动、测试噪音等因素的影响而引起微小的波动。
本发明循环拟合计算过程以初始影响线为循环起点,采用分段函数模型对单位移动荷载作用下的响应信号进行拟合计算。其主要特征是每次循环都能完整保留准静态趋势项-影响线信息,并逐渐消除波动干扰项。结合移动荷载作用下桥梁动力响应,基于循环拟合计算方法提取桥梁实际影响线的基本流程如附图2所示。
本发明所设计的多段函数模型可以较好的描述桥梁刚度不均匀的情况,步骤一的②中,根据桥梁长度确定分段数量,一般地1-2米分一段,构建分段多项式函数模型;在实测桥梁竖向振动频率的基础上,引入谐波函数用于拟合移动荷载导致的波动部分。
本发明一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法,动力响应为挠度响应或应变响应。
本发明一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法,所述评估方法适用于正常运营桥梁承载能力的快速化评估。
本发明一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法,所述评估方法适用于旧桥承载能力的快速化评估。
本发明一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法,所述评估方法适用于老桥承载能力的快速化评估。
本发明一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法,所述评估方法适用于危桥承载能力的快速化评估。
本发明一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法,所述评估方法适用先简支梁后连续梁桥承载能力的快速化评估。
本发明一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法,所述评估方法用于快速化评估先简支梁后连续梁桥承载能力时;采用移动荷载试验的思路,获取实际影响线与设计时的理论影响线对比得到幅值校验系数ζD和面积校验系数ζA,再以此进行评估。
本发明方法基于移动荷载试验进行,由于通过循环拟合,可以利用小载荷的实验获取有用数据,这一改进,导致本发明特别适合于旧桥、老桥、先简支后连续等梁桥的承载能力评估问题。
对于危旧桥梁而言,其结构状况与最初设计状态往往相差较大,若仍用设计参数进行静态荷载试验评估有欠妥当,容易导致桥梁损伤甚至破坏。采用移动荷载试验的思路,获取实际影响线再进行承载能力评估则能避免上述问题。桥梁挠跨比与应力水平在本质上是一致的,都能够较好的反映桥梁承载能力状况。通过利用正常使用极限挠跨比计算桥梁正常使用极限影响线,将其代替理论影响线来评估桥梁承载能力,可以更好的评估危旧桥梁。
对于先简支后连续桥梁,随着服役时间延长,由于湿接缝段开裂、连接性能退化等原因,往往会处于一种介于简支与连续之间的工作状态。对此类桥梁采用静载试验进行评定时,若按连续梁桥设计加载,可能会因为过载而导致桥梁损伤;若按简支梁桥设计加载,则可能由于不满足荷载效率而给出不准确的评估结果。采用移动荷载试验的思路,获取实际影响线与设计时的理论影响线对比得到幅值校验系数ζD和面积校验系数ζA,再以此进行评估。
原理与优势
本发明以移动荷载试验的桥梁动力响应为研究对象,通过从桥梁动力响应中提取桥梁实际影响线,提出一种基于实际影响线的桥梁承载能力评估方法。
基本原理包括:
(1)桥梁影响线是结构的固有特征参数,是准静态单位力作用下的荷载效应,能够反映桥梁承载能力,是评估桥梁的良好参数。
(2)基于桥梁实际影响线和理论影响线,构建的影响线幅值校验系数、影响线面积校验系数,与静力校验系数(桥梁静载试验评估所用评估指标)类似,都能较好描述桥梁承载能力的变化情况。
主要优势包括:
(1)本发明进行实桥测试时,开展的移动荷载试验只需要用到一辆加载试验车,相较于静载试验繁多的多车辆加载工况,本发明的试验过程更加方便快捷。
(2)采用多段多次循环拟合方法提取的桥梁实际影响线,比专利(专利号:201510212858.9)提取的桥梁影响线更为精确,能够较好评估桥梁的承载能力。
(3)本发明采用移动荷载试验获取桥梁实际影响线特征,移动荷载试验测试时间短、费用低,符合桥梁的实际运营状态;试验车辆荷载总重远比静载试验轻,能避免因加载试验而导致桥梁损伤的可能性。
(4)本发明能够实现桥梁承载能力的快速化、经济化评估,具有重要的意义和实用价值。
(5)本发明基于实际影响线在对危旧桥梁承载能力评估、先简支后连续梁承载能力准确评估等方面较传统静态荷载试验法优势明显。
附图说明
附图1为影响线多段函数模型,其中I1,I2,……,IN均为三次多项式,分别表示第1-N段对应的函数模型。
附图2为桥梁实际影响线循环拟合提取流程图。
附图3为影响线幅值示意图,其中Ds表示理论影响线的最大幅值,De表示实际影响线的最大幅值。
附图4为影响线面积示意图,As表示桥梁理论影响线与坐标轴围成的面积,Ae表示桥梁实际影响线与坐标轴围成的面积。
附图5为试验桥梁桥型布置图。
附图6为连续箱梁横截面图。
附图7为静载试验和移动荷载试验所用的加载车辆。
附图8为桥梁底部挠度和应变测点布置图。
附图9为静载试验加载工况一的布载图。
附图10为静载试验加载工况二的布载图。
附图11为静载试验加载工况三的布载图。
附图12为现场试验图。
附图13为桥梁各测点提取的实际挠度影响线图。
附图14为桥梁各测点提取的实际应变影响线图。
具体实施方式
附图1-4为本实施方式以及本发明的原理,其中图1为影响线多段函数模型,其中I1,I2,……,IN均为三次多项式,分别表示第1-N段对应的函数模型。图2为桥梁实际影响线循环拟合提取流程图。图2中在实际应用时,通过重复替换至少2次影响线达到提高精度的目的,在具体工业上应用时,重复的次数建议大于等于500次。图3为影响线幅值示意图,其中Ds表示理论影响线的最大幅值,De表示实际影响线的最大幅值。图4为影响线面积示意图,As表示桥梁理论影响线与坐标轴围成的面积,Ae表示桥梁实际影响线与坐标轴围成的面积。
工程试验验证
针对基于实际影响线的桥梁承载能力评估方法,以某国道绕城高速6×30m预应力混凝土连续箱梁为试验桥梁。分别开展移动荷载试验(单车辆),静载试验(多辆车),测试提取桥梁实际影响线,计算幅值校验系数ζD和面积校验系数ζA;与静载试验得到的静力校验系数η进行对比,验证本发明方法的正确性和有效性。
试验桥梁的桥型布置如图6所示。桥梁所处公路等级为全封闭双向八车道高速公路,设计荷载等级为I级。桥梁全桥等高,梁高1.8m,桥面净宽20.85m。桥梁采用单箱三室横截面形式,如图7所示。图5、6、7中其单位均为cm。图8-11的单位均为m。
(1)静载试验
根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)对静力试验荷载效率的规定,结合桥梁设计荷载等级、控制截面主要考察指标及最不利效应值,确定荷载效率为1.01的加载控制值,进行相应的荷载试验。受现场条件限制,本文仅对试验桥梁第2跨开展静载试验,采用6辆三轴载重货车作为加载车辆,如图7所示。车辆参数如下:总重350kN,其中前轴重60kN,中、后轴重145kN;前中轴距385cm,中后轴距135cm,后轴轮距180cm,轮胎宽度为20cm。
选取静载试验3个主要工况进行研究,分别按桥梁第2跨的L/4截面最大正弯矩(工况一)、L/2截面最大正弯矩(工况二)和3L/4截面最大正弯矩(工况三)进行加载。为准确测量桥梁响应,在各控制截面底部分别布置3个位移测点(A1、A2、A3、C1、C2、C3、E1、E2、E3)和3个应变测点(B1、B2、B3、D1、D2、D3、F1、F2、F3)。测点布置情况详见图8所示,静载试验工况布载情况如图9、10、11所示,现场试验情况如图12所示。
(2)移动荷载试验
选取静载试验中的一辆加载车作为试验车辆,开展移动荷载试验。根据实际情况控制试验车辆以20km/h的速度匀速行驶通过加载路线二,试验过程中采用HBM动态测试系统实时采集各测点的挠度和应变响应。考虑试验误差的偶然性,重复试验三次。
试验结果
由静载试验实测的桥梁测点挠度和应变响应,结合有限元分析软件计算的测点理论响应值,计算出桥梁各种工况下各个测点的静力校验系数。因为试验工况是针对桥梁控制截面确定的,非控制截面响应不能很好的反映桥梁的荷载效应,所以仅选取各工况下对应控制截面上的测点数据进行分析。
从移动荷载试验实测的桥梁挠度和应变响应,采用本发明分段函数循环拟合的思路计算提取桥梁各个测点的实际挠度影响线和应变影响线,如附图13和14所示。基于提取的桥梁实际影响线信息,结合桥梁各测点计算的理论影响线,分别计算出桥梁影响线面积校验系数和影响线幅值校验系数(包括:挠度和应变)。其中图13、14表示6跨连续梁各个测点的实际影响线,是由移动单位力作用在6跨连续梁上时所产生的,与每一跨所对应的部分实际影响线都可由影响线一般模型(图1)计算求得;在工程应用时既可用桥梁测点的整条影响线进行评估、也可用测试点所在桥跨对应的部分影响线(移动单位力仅作用在桥上测点跨时测点的影响线)来进行评估。
对比静载试验得到的静力校验系数和基于移动荷载试验得到的影响线幅值校验系数ζD和面积校验系数ζA,结果如下表1所示。
表1基于静载试验和移动荷载试验的校验系数结果比较
由上表可知,在各种工况下,试验桥梁控制截面测点的影响线评估结果,与静载试验评估结果吻合较好,两者最大相对误差为-6.7%,说明基于实际影响线的桥梁承载能力评估方法具有较高精度,验证了本发明专利所述方法的正确性和有效性。
Claims (8)
1.一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法,其特征在于:包括下述步骤:
步骤一:通过循环拟合计算方法,提取具有准静态特性桥梁实际影响线
①开展移动荷载试验,选取车辆上桥至出桥时间段内桥梁动力响应作为影响线提取研究对象;
②根据桥梁长度L确定分段数量,将影响线I沿桥长分为N段,分别记为I1,I2,……,IN,每段长度分别为L1,L2,……,LN;构建分段多项式函数模型f1(x);引入可调幅谐波函数f2(x)用于拟合移动荷载导致的波动部分;
f2(x)=(e2x2+e1x+e0)sin(wt) (2)
式(2)中w表示桥梁竖向振动基频,通过测试得到;t表示时间,取值介于0和车辆在桥上行驶总时间t0之间;x表示荷载到上桥梁端的距离,为变量,取值(0,Lb),与(1)式中x取值同步;e0、e1、e2为参数;
其中I1,I2,……,IN,均为三次多项式;起、止点值为零;且相邻分段函数在交点处满足连续、一阶求导后连续、二阶求导后连续的条件,见公式(3);
式中:xi描述各段相邻函数交点位置,0<xi<L;L指桥跨长度。
③结合步骤②分段多式函数模型和谐波函数模型共同拟合步骤①动力响应,经最小二乘法计算得到分段多项式函数ai、bi、ci、di和谐波函数模型的参数e0、e1、e2。从而得到分段多项式函数,即为初始影响线;
④定义第p次进行步骤③所得分段多项式函数为第p影响线;所述p大于等于1;
将第p影响线(即:单位移动荷载作用下的响应信号)作为下一步影响线提取研究对象,以获得第P+1影响线;
⑤改变分段函数的分段数量和分段点位置,重新构建分段多项式函数模型;
⑥以步骤⑤分段多项式函数模型拟合步骤④中的第p影响线,经最小二乘法计算得到分段多项式函数模型的参数,从而获得到第P+1影响线;
⑦重复步骤④-⑥至少2次、优选为大于等于500次,得到所述准静态特性桥梁实际影响线;
步骤二:基于影响线的桥梁承载能力评估指标构建
类比桥梁荷载试验规范中校验系数的定义,校验系数η
η=Se/Ss (4)
式中:Se——试验荷载作用下量测的弹性变位值或应变值;
Ss——试验荷载作用下的理论计算变位值或应变值;
且Se、Ss要么同为变位值、要么同为应变值;
假定:
从移动荷载作用下桥梁动力响应中经循环拟合计算提取的桥梁实际影响线记为Ie;
由设计参数计算的桥梁同一测点理论影响线记为Is;
结合桥梁影响线的实际值Ie和理论值Is,构建影响线幅值校验系数ζD和影响线面积校验系数ζA如下:
影响线幅值校验系数ζD
式中:De表示桥梁实际影响线Ie的最大幅值;
Ds表示桥梁理论影响线Is的最大幅值。
影响线面积校验系数ζA
式中:Ae表示实际影响线Ie与坐标轴围成的面积;
As表示理论影响线Is与坐标轴围成的面积。
以简支梁影响线为例,其Ae、As如附图4、5所示。
静力校验系数η和影响线幅值校验系数ζD都是用测点最大响应去衡量结构整体性能;而影响线面积校验系数ζA则反映了移动荷载作用在桥梁不同位置时响应之和去衡量结构承载能力;
步骤三 桥梁承载能力评估
与基于静力校验系数η的桥梁承载能力评估类似,定义基于影响线校验系数ζD和ζA的桥梁承载能力评估方法为:
当ζD<1且ζA<1时,说明实际影响线较理论影响线小,桥梁实际刚度大于理论刚度或结构受力性能良好,桥梁承载能力满足设计要求,且有安全储备;
当ζD=1或ζA=1时,说明实际影响线与理论影响线相符,桥梁实际刚度等于理论刚度,桥梁承载能力恰好满足设计要求,但没有安全储备;
当ζD>1或ζA>1时,说明实际影响线较理论影响线大,桥梁实际刚度小于理论刚度,桥梁承载能力不满足设计要求,桥梁结构工作性能较差,存在安全隐患。
2.根据权利要求1所述的一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法,其特征在于:所述评估方法适用于正常运营桥梁承载能力的快速化评估。
3.根据权利要求1所述的一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法,其特征在于:所述评估方法适用于旧桥承载能力的快速化评估。
4.根据权利要求1所述的一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法,其特征在于:所述评估方法适用于老桥承载能力的快速化评估。
5.根据权利要求1所述的一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法,其特征在于:所述评估方法适用于危桥承载能力的快速化评估。
6.根据权利要求1所述的一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法,其特征在于:所述评估方法适用先简支梁后连续梁桥承载能力的快速化评估。
7.根据权利要求1所述的一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法,其特征在于:所述评估方法用于快速化评估先简支梁后连续梁桥承载能力时;采用移动荷载试验的思路,获取实际影响线与设计时的理论影响线对比得到幅值校验系数ζD和面积校验系数ζA,再以此进行评估。
8.根据权利要求1所述的一种基于移动荷载试验的桥梁承载能力评估方法,其特征在于:动力响应为挠度响应或应变响应。
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