CN110399678A - 一种大件车辆通过简支梁桥可行性判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大件车辆通过简支梁桥可行性判断方法，包括以下步骤：1)采集桥梁基本信息；2)采集大件车辆轴载信息；3)根据桥梁结构设计参数信息确定简支梁横向分布正则方程，得到简支梁桥各块板梁横向分布影响线；4)根据桥涵设计规范确定各截面简支梁桥沿桥长方向剪力影响线及弯矩影响线分布函数；5)确定设计车道荷载作用下桥面板各截面的弯矩及剪力值；6)确定每块板各截面在大件车辆荷载作用下弯矩值及剪力值；7)确定变量信息及目标函数；8)判断大件车辆是否可通过。本发明提供了一种快速判断大件车辆通过简支梁桥可行性的判断方法。

Description

一种大件车辆通过简支梁桥可行性判断方法

技术领域

本发明涉及桥梁安全，尤其涉及一种大件车辆通过简支梁桥可行性判断方法。

背景技术

随着我国交通行业及物流行业的发展，公路桥梁通过的大件车辆日益增多。大件车辆荷载与桥梁设计车辆荷载相比具有轴轮多，轴载大的特点，因此大件车辆通过简支梁桥时存在承载力储备不足安全隐患。且随着桥梁使用年限的增加，桥梁结构存在老化、承载力降低情况，在计算桥梁承载时需要考虑旧桥折减系数的影响。传统的验算大件车辆荷载过桥可行性方法是通过Midas civil或者桥梁博士建立桥梁实际结构的有限元模型，分别定义大件车辆荷载及汽车荷载，然后手动确定最不利加载位置进行计算。然而Midas civil软件并不具备计算大件车辆荷载或者汽车荷载的横向分布系数功能，且桥梁博士软件不具备多轮大件车辆荷载的横向分布系数计算功能，因此对于大件车辆通过简支梁的验算需要验算者手动确定最不利加载位置，而人为确定最不利加载位置往往存在精度不高、操作繁琐等弊端，亟需一种能够快速、精确判断大件车辆通过简支梁的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种大件车辆通过简支梁桥可行性判断方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大件车辆通过简支梁桥可行性判断方法，包括以下步骤：

1)采集桥梁基本信息，所述桥梁基本信息包括桥梁结构设计参数信息、设计荷载信息以及旧桥综合折减系数，所述综合折减系数包括检算系数Z₁、恶化系数ξ_e和截面折减系数ξ_c；

2)采集大件车辆轴载信息，包括大件车辆车轴纵向布置信息，车轮横向布置信息以及轴载信息；

3)根据桥梁结构设计参数信息确定简支梁横向分布正则方程，得到简支梁桥各块板梁横向分布影响线；

4)根据桥涵设计规范确定各截面简支梁桥沿桥长方向剪力影响线及弯矩影响线分布函数；

5)根据步骤(4)中的横向分布影响线分布函数确定设计车道荷载作用下每块板的横向分布系数值，根据纵桥向剪力及弯矩影响线分布情况计算设计车道荷载各截面最不利加载位置，从而确定设计车道荷载作用下桥面板各截面的弯矩及剪力值f_DM(y)、f_DV(y)，根据各块板的设计车道荷载作用下横向分布系数值确定每块板各截面在设计车道荷载作用下弯矩值及剪力值

6)以大件车辆车头前部中心点为基点确定大件车辆荷载于桥面板坐标(x,y),根据大件车所在坐标位置及步骤(4)中的横向分布影响线确定大件车辆荷载作用下各块板的横向分布系数值m_n(x)；并根据步骤(5)中纵向剪力及弯矩影响线分布情况确定大件车辆荷载作用下桥面板各截面所受到弯矩及剪力值f_SM(y)与f_SV(y)，根据大件车辆荷载作用下各块板的横向分布系数值确定每块板各截面在大件车辆荷载作用下弯矩值及剪力值

7)确定变量信息及目标函数：根据大件车辆(以大件车辆车头前部中心点为基点)在桥梁上的坐标(x,y)确定目标函数变量，分别构建简支梁桥各块板各截面在大件车辆荷载作用下及桥梁设计车道荷载作用下的弯矩及剪力值之差的目标函数，即

8)确定主梁关键截面位置，采用鱼群算法寻找在目标函数变量范围内各块板梁关键截面在定义区间及最大值，并分别判断各截面是否均小于等于0，若是则大件车辆可通过，否则不能通过。

按上述方案，所述步骤4)中桥涵设计规范包括《桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG3362-2018)。

按上述方案，所述步骤5)中各截面弯矩值及剪力值表示如下：

式中，为第n块板梁在截面y处设计车道荷载产生的剪力效应值；

为第n块板梁在截面y处设计车道荷载产生的弯矩效应值；

Z₁为旧桥检算系数；ξ_e为旧桥恶化系数；ξ_c为旧桥截面折减系数；

及为根据桥涵设计规范获取的设计车道荷载作用下简支梁桥各块板梁沿着桥长方向剪力及弯矩分布值。

按上述方案，所述步骤6)中根据大件车辆纵向轴载布置情况确定其剪力及弯矩作用效应值f_SV(y)及f_SM(y)，各块板的剪力值及弯矩值表达式如下：

式中：为大件车辆位于车道板横向位置x时，截面y处的剪力效应值；

为大件车辆位于车道板横向位置x时，截面y处的弯矩效应值；

m_n(x)为大件车辆位于车道板横向位置x时，第n块板梁的横向分布系数值。

按上述方案，所述步骤8)中主梁关键截面位置包括位于0、1/8L、2/8L、3/8L、4/8L、5/8L、6/8L、7/8L、L位置截面。

按上述方案，所述步骤8)中采用鱼群算法寻找在目标函数变量范围内各块板梁关键截面在定义区间及最大值，具体步骤如下：

8.1)设置鱼群算法参数初始值，包括鱼群规模N、迭代次数n及各迭代次数下的尝试次数m、视野范围Visual、移动步距Step、拥挤因子δ；根据大件车辆在桥面板的行驶空间确定参数定义域(x,y)∈[VLB,VUB]；

8.2)初始化参数值(x,y)，分别计算各鱼群坐标对应的目标函数适应度值，并找初始参数值对应下的全局最优解，并记录在公告板中；

8.3)进入鱼群算法迭代过程，分别执行每代下鱼群的聚群行为、追尾行为以及随机游动行为，找到当前代数下新产生的全局最大值，将当前代数的值更新到公告板中；

8.4)直到迭代到预设次数，第n块板梁截面A目标函数收敛到一个最大值结束鱼群算法的迭代过程；

8.5)用鱼群算法分别得到各块板梁所有关键截面以剪力为标准的目标函数最大值以及得到各块板梁有关键截面以弯矩为标准的目标函数最大值时，判断是否满足以下式子：

若同时满足以上两个式子，表明大件车通过桥面板的任意位置，都能满足对桥梁的弯矩及剪力作用效应值小于设计车道荷载对桥梁的作用效应值，则大件车可顺利通过桥梁，若以上两个式子有一个不满足，则大件车辆通过桥梁存在安全隐患。

本发明产生的有益效果是：本发明提供了一种基于鱼群算法的大件车辆通过简支梁桥可行性判断方法。该方法能够快速寻找到大件车辆在桥面板上行驶区间内各块板各截面最不利坐标点，并综合考虑旧桥折减的设计车道荷载对桥梁的作用效应，做出大件车通过简支梁桥可行性判断，解决了传统计算软件难以快速判断大件车辆通过简支梁桥可行性问题。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例中基于鱼群算法的大件车辆通过简支梁桥可行性判断方法包括下述步骤：

(1)确定桥梁基本信息，包括桥梁结构设计参数信息、设计荷载信息、及旧桥综合折减系数,综合折减系数包括检算系数Z₁、恶化系数ξ_e、截面折减系数ξ_c；

桥梁结构设计参数信息：根据桥梁设计图纸桥梁计算跨径L、桥宽W、主梁个数、主梁截面尺寸信息，根据主梁截面尺寸信息计算主梁抗弯惯性矩I及抗扭惯性矩I_T；

设计荷载信息：根据设计图纸获得桥梁车道荷载等级、车道数目、桥面横向布置情况，桥面横向布置情况包括护栏、人行道、车行道、中央分隔带信息；

(2)确定大件车辆轴载信息，包括大件车辆车轴纵向布置信息，车轮横向布置信息以及轴载信息；

(3)确定简支梁横向分布正则方程，得到简支梁桥各块板梁横向分布影响线；

对于空心板简支梁桥，以第一块板梁为例，横向分布正则方程确定方法如下：

对于T梁或者小箱梁简支梁桥，以第一块板梁为例，横向分布正则方程确定方法如下：

δ_g＝2(1+γ+β')

δ_m＝2(γ+3β')

式中：d₁—对于T梁及小箱梁，主梁截面翼缘板宽度；

h₁—对于T梁及小箱梁，主梁截面翼缘板厚度；

I—主梁抗弯惯性矩；

I_T—主梁抗扭惯性矩；

L—桥梁计算跨径；

b—单片梁宽度；

E—主梁混凝土弹性模量；G—主梁混凝土剪切模量；

g_n—单位荷载作用下，第n个铰缝间的剪力值；

m_n—单位荷载作用下，第n个铰缝间的弯矩值。

(4)确定各截面简支梁桥沿桥长方向剪力及弯矩影响线；

对于简支梁桥，以某一截面A为例，剪力影响线表达式如下：

对于简支梁桥，弯矩影响线表达式如下：

式中：V^A(y)——截面A处剪力影响线在距离起点y处的值；

M^A(y)——截面A处弯矩影响线在距离起点y处的值；

a——截面A距离桥梁桥长方向起点距离。

(5)计算每块板桥梁在设计车道荷载作用下各截面弯矩值及剪力值

根据《桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG3362-2018)分别确定在设计车道荷载作用下简支梁桥各块板梁沿着桥长方向剪力及弯矩分布值及考虑综合折减系数的影响，折减后的作用效应表达式如下：

(6)设置鱼群算法参数初始值，包括鱼群规模N、迭代次数n及各迭代次数下的尝试次数、视野范围Visual、移动步距Step、拥挤因子δ；

(7)确定变量信息及目标函数：根据大件车辆(以大件车辆车头前部中心点为基点)在桥梁上的坐标(x,y)确定目标函数变量，分别构建简支梁桥各块板各截面在大件车辆荷载作用下及桥梁设计车道荷载作用下的弯矩及剪力值之差的目标函数即

确定变量信息具体操作方法如下：大件车辆(以大件车辆车头前部中心点为基点)在桥面板车行道横向移动范围变量x，以及大件车辆(以大件车辆车头前部中心点为基点)在桥面板车行道桥长方向移动范围变量y，并根据桥面板允许大件车辆通行区域确定变量(x,y)的区间范围[VLB,VUB]。

确定目标函数操作步骤如下：

①由步骤(3)分别确定每块板梁横向分布影响线，根据大件车辆在车道板的位置x及大件车轴轮分布情况,确定每块板梁的横向分布系数与变量x的函数关系m₁(x),m₂(x),...,m_n(x)。

以计算第一块板梁的横向分布系数为例，假设大件车含有k个车轴，轴载分别F₁，F₂...F_k。一个车轴有车轮m个，将轴载单位化，设置为F＝1,则每一个车轮的荷载大小均为：

式中：P_m——当轴载单位化后，一个车轴第m个车轮的荷载值。

当大件车辆车头前部中心点位置处于桥面板横向位置为x时，各车轮唯一对应的横向分布影响线坐标分别为：则第一块板梁的横向分布系数计算表达式如下：

式中：——当大件车位于桥面板x时，第m个车轮对应的第一块板梁横向分布影响线值

②根据(4)确定各截面简支梁桥沿桥长方向的弯矩及剪力影响线，并根据大件车辆纵向轴载布置情况确定其剪力及弯矩作用效应值f_SV(y)及f_SM(y)，以第一块板梁为例，由步骤(4)可获得第一块板梁剪力及弯矩影响线，当大件车行驶到桥长方向距离起点y时，则此时截面A受到的弯矩及剪力值表达式如下：

式中：——大件车辆处于y时，主梁A截面的剪力效应值；

——大件车辆处于y时，主梁A截面的弯矩效应值。

考虑第一块板梁的横向分布系数m₁(x)，则大件车辆位于车道板坐标(x,y)时，截面A处的弯矩及剪力效应表达式如下：

式中：——大件车辆处于(x，y)时，第一块板梁A截面的剪力效应值；

——大件车辆处于(x，y)时，第一块板梁A截面的弯矩效应值；

③根据设计车道荷载及大件车辆荷载的作用效应确定如下目标函数表达式,以第一块板截面A为例，目标函数表达式如下：

式中：——第n块板梁以各截面剪力为基准构建的目标函数；

——第n块板梁以各截面弯矩为基准构建的目标函数。

(8)确定主梁关键截面位置，采用鱼群算法寻找在目标函数变量范围内各块板梁关键截面在定义区间及最大值，并判断各关键截面是否小于等于0，若是则大件车辆可通过，否则不能通过。以第n块板梁截面A目标函数为例，具体操作步骤如下：

①步骤(6)，设置鱼群算法参数初始值，包括鱼群规模N、迭代次数n及各迭代次数下的尝试次数m、视野范围Visual、移动步距Step、拥挤因子δ；根据步骤(7)大件车辆在桥面板的行驶空间确定参数定义域(x,y)∈[VLB,VUB]，根据步骤(7)确定目标函数；

②初始化参数值(x,y)，分别计算各鱼群坐标对应的目标函数适应度值，并找初始参数值对应下的全局最优解，并记录在公告板中；

③进入鱼群算法迭代过程，分别执行每代下鱼群的聚群行为、追尾行为以及随机游动行为，找到当前代数下新产生的全局最大值，将当前代数的值更新到公告板中；

④直到迭代到预设次数，第n块板梁截面A目标函数收敛到一个最大值结束鱼群算法的迭代过程；

用鱼群算法分别得到各块板梁所有关键截面以剪力为标准的目标函数最大值以及得到各块板梁有关键截面以弯矩为标准的目标函数最大值时，判断是否满足以下式子：

若同时满足以上两个式子，表明大件车通过桥面板的任意位置，都能满足对桥梁的弯矩及剪力作用效应值小于设计车道荷载对桥梁的作用效应值，则大件车可顺利通过桥梁。若以上两个式子有一个不满足，则大件车辆通过桥梁存在安全隐患，建议改变路线或者对通行桥梁进行加固处理。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种大件车辆通过简支梁桥可行性判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集桥梁基本信息，所述桥梁基本信息包括桥梁结构设计参数信息、设计荷载信息以及旧桥综合折减系数，所述综合折减系数包括检算系数Z₁、恶化系数ξ_e和截面折减系数ξ_c；

2)采集大件车辆轴载信息，包括大件车辆车轴纵向布置信息，车轮横向布置信息以及轴载信息；

3)根据桥梁结构设计参数信息确定简支梁横向分布正则方程，得到简支梁桥各块板梁横向分布影响线；

4)根据桥涵设计规范确定各截面简支梁桥沿桥长方向剪力影响线及弯矩影响线分布函数；

5)根据步骤(4)中的横向分布影响线分布函数确定设计车道荷载作用下每块板的横向分布系数值，根据纵桥向剪力及弯矩影响线分布情况计算设计车道荷载各截面最不利加载位置，从而确定设计车道荷载作用下桥面板各截面的弯矩及剪力值f_DM(y)、f_DV(y)，根据各块板的设计车道荷载作用下横向分布系数值确定每块板各截面在设计车道荷载作用下弯矩值及剪力值

6)以大件车辆车头前部中心点为基点确定大件车辆荷载于桥面板坐标(x,y),根据大件车所在坐标位置及步骤(4)中的横向分布影响线确定大件车辆荷载作用下各块板的横向分布系数值m_n(x)；并根据步骤(5)中纵向剪力及弯矩影响线分布情况确定大件车辆荷载作用下桥面板各截面所受到弯矩及剪力值f_SM(y)与f_SV(y)，根据大件车辆荷载作用下各块板的横向分布系数值确定每块板各截面在大件车辆荷载作用下弯矩值及剪力值

7)确定变量信息及目标函数：根据大件车辆在桥梁上的坐标(x,y)确定目标函数变量，分别构建简支梁桥各块板各截面在大件车辆荷载作用下及桥梁设计车道荷载作用下的弯矩及剪力值之差的目标函数，即

8)确定主梁关键截面位置，采用鱼群算法寻找在目标函数变量范围内各块板梁关键截面在定义区间及最大值，并分别判断各截面是否均小于等于0，若是则大件车辆可通过，否则不能通过。

2.根据权利要求1所述的大件车辆通过简支梁桥可行性判断方法，其特征在于，所述步骤4)中桥涵设计规范包括《桥涵设计通用规范》JTG D60-2015及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG3362-2018。

3.根据权利要求1所述的大件车辆通过简支梁桥可行性判断方法，其特征在于，所述步骤5)中各截面弯矩值及剪力值表示如下：

式中，为第n块板梁在截面y处设计车道荷载产生的剪力效应值；

为第n块板梁在截面y处设计车道荷载产生的弯矩效应值；

Z₁为旧桥检算系数；ξ_e为旧桥恶化系数；ξ_c为旧桥截面折减系数；

及为根据桥涵设计规范获取的设计车道荷载作用下简支梁桥各块板梁沿着桥长方向剪力及弯矩分布值。

4.根据权利要求1所述的大件车辆通过简支梁桥可行性判断方法，其特征在于，所述步骤6)中根据大件车辆纵向轴载布置情况确定其剪力及弯矩作用效应值f_SV(y)及f_SM(y)，各块板的剪力值及弯矩值表达式如下：

式中：为大件车辆位于车道板横向位置x时，截面y处的剪力效应值；

为大件车辆位于车道板横向位置x时，截面y处的弯矩效应值；

m_n(x)为大件车辆位于车道板横向位置x时，第n块板梁的横向分布系数值。

5.根据权利要求1所述的大件车辆通过简支梁桥可行性判断方法，其特征在于，所述步骤8)中主梁关键截面位置包括位于0、1/8L、2/8L、3/8L、4/8L、5/8L、6/8L、7/8L、L位置截面。

6.根据权利要求1所述的大件车辆通过简支梁桥可行性判断方法，其特征在于，所述步骤8)中采用鱼群算法寻找在目标函数变量范围内各块板梁关键截面在定义区间及最大值，具体步骤如下：

8.1)设置鱼群算法参数初始值，包括鱼群规模N、迭代次数n及各迭代次数下的尝试次数m、视野范围Visual、移动步距Step、拥挤因子δ；根据大件车辆在桥面板的行驶空间确定参数定义域(x,y)∈[VLB,VUB]；

8.2)初始化参数值(x,y)，分别计算各鱼群坐标对应的目标函数适应度值，并找初始参数值对应下的全局最优解，并记录在公告板中；

8.3)进入鱼群算法迭代过程，分别执行每代下鱼群的聚群行为、追尾行为以及随机游动行为，找到当前代数下新产生的全局最大值，将当前代数的值更新到公告板中；

8.4)直到迭代到预设次数，第n块板梁截面A目标函数收敛到一个最大值结束鱼群算法的迭代过程；

8.5)用鱼群算法分别得到各块板梁所有关键截面以剪力为标准的目标函数最大值以及得到各块板梁有关键截面以弯矩为标准的目标函数最大值时，判断是否满足以下式子：

若同时满足以上两个式子，表明大件车通过桥面板的任意位置，都能满足对桥梁的弯矩及剪力作用效应值小于设计车道荷载对桥梁的作用效应值，则大件车可顺利通过桥梁，若以上两个式子有一个不满足，则大件车辆通过桥梁存在安全隐患。