CN110530589B - 一种考虑连续车流耦合效应的梁式桥冲击系数检测方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑连续车流耦合效应的梁式桥冲击系数检测方法，属于桥梁检测试验技术领域。先获得桥梁动位移实测数据，再计算得到不同车速、不同车辆数的车队荷载作用下可能引起的桥梁最不利冲击系数；而后综合结果形成检测桥梁的最不利冲击系数影响面，可对检测桥梁实际车流荷载作用下的冲击系数进行评价。本发明提出了一种混合试验方法，可搜索更全面的可行加载工况，避免遗漏最不利工况。相对于实际采用多辆试验车共同激励的冲击系数检测试验，本发明方法易于控制、耗时短、花费低；相对于目前通用的冲击系数检测方法，在不增加现场检测的工作量的同时，可使检测结果的数据价值得到更充分的开发利用。

Description

一种考虑连续车流耦合效应的梁式桥冲击系数检测方法

技术领域

本发明涉及一种考虑连续车流耦合效应的梁式桥冲击系数检测方法，属于桥梁检测试验技术领域。

背景技术

移动车辆荷载通过桥梁时，会使桥梁结构发生受迫振动，在桥梁工程中，此种受迫振动所引起的荷载放大效应被称为冲击效应，通过冲击系数来描述。

在目前的桥梁工程中，冲击系数的研究工作多是针对新建桥梁的设计方向进行，针对既有桥梁检测方向冲击系数的研究相对较少，设计与检测二者之间关于冲击系数的研究虽有关联，但研究内容和目标又不完全相同：

在新建桥梁设计工作中，对冲击系数研究的主要目标，是寻找一个冲击系数的合理上限，保证冲击系数的设计值可满足一大类桥梁的安全性要求，不追求针对具体桥梁冲击系数的精细计算，是针对冲击系数的宏观研究。在既有桥梁检测工作中，研究对象为具体检测桥梁，研究目标为获得试验状态下结构真实的冲击效应，并据此对桥梁运营状态下的冲击效应做出判断，以评价桥梁的工作性能。检测工作要求针对冲击系数的细观研究，需要考虑更多冲击系数的细部影响因素。

根据目前的规范指导方向和工程实践情况，冲击系数的检测多是基于车辆过桥时的响应-时间曲线进行计算，但该曲线在何种荷载条件下获得的却没有明确的规范定义。跑车试验法通常采用单辆试验车驶过桥梁来激励结构的动响应，但在实际运营过程中，桥梁结构所承担的是连续车流荷载，存在多辆车同时作用在桥梁上以及车队顺次连续驶过桥梁的荷载工况。在此两种工况下，车流中前后车辆之间的相互影响与耦合作用，将会影响到桥梁结构被实际激发出的动力响应，桥梁结构的冲击系数也会与单辆车激励的工况存在不同。

由此可见，目前常用的桥梁冲击系数检测方法，试验激励荷载与实际运营荷载存在显著差异的问题，二者之间的差别使得冲击系数检测结果能否准确反映桥梁的实际动力状态成为未知数，检测结果不具有明确的代表性，冲击系数检测方法需要改进。

直接在冲击系数检测试验中同时使用多辆车作为激励荷载，原则上可以解决上述问题，但一方面，实际的车流荷载是一个随机过程，难以如同桥梁静载试验一般，提炼出一个可行的试验加载方案对其进行等效模拟；另一方面，难以实现试验现场精确地组织特定速度、特定排列方式的车队驶过桥梁，且实际的车队状态与试验预设状态之间不可避免的存在差异，难以保证试验实施的准确性。因此，必须从其他角度出发，寻求可以考虑实际车流耦合效应的冲击系数检测方法。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种考虑连续车流耦合效应的梁式桥冲击系数检测方法。

实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种考虑连续车流耦合效应的梁式桥冲击系数检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：对待检测的桥梁进行现场单辆试验车的跑车激振试验，并在桥梁跨中截面采用采集设备量测得到桥梁动位移实测数据；实测数据包括：桥梁准静态位移s₀以及试验车在桥梁最高运营车速范围内呈等量变化的一组跑车激振动位移数据集合{s_i}；

步骤二：根据待检测桥梁的跨径以及试验车辆的长度，确定车队最大车辆数N，则用于计算的车队车辆数分别为n_i＝2，3，…，N；

步骤三：在最不利冲击系数随机搜索算法主程序中，给定本次计算中车队车辆数n_i、车队行驶速度v_i的具体取值以及所述主程序中遗传算法的具体算法参数；

步骤四：向步骤三所述主程序中导入桥梁准静态位移s₀，根据步骤三中的车队行驶速度v_i导入对应的跑车激振动位移数据s_i，以车队中车辆间距集合{x_j}作为分析控制变量，根据步骤三所述车队车辆数n_i与桥梁跨径确定控制变量车辆间距集合{x_j}的取值范围，再根据步骤三中给定的算法参数，在取值范围内随机生成第一代车辆间距样本矩阵X_k；

步骤五：将步骤四中的桥梁准静态位移s₀、跑车激振动位移数据s_i以及第一代车辆间距样本矩阵X_k传递给适应度函数计算子程序，通过子程序计算第一代车辆间距样本矩阵X_k中每一个独立车辆间距集合{x_j}对应的适应度函数值，适应度函数值即按样本车辆间距集合{x_j}布置的车队荷载通过桥梁时所激发的桥梁冲击系数；

步骤六：将步骤五中子程序计算得到的适应度函数值传回主程序，主程序对适应度函数值进行存储并对适应度值按大小排序，并根据各样本对应适应度值的排序位置，对本代的样本进行遗传进化，得到下一代新的车辆间距样本矩阵X_k+1；

步骤七：采用步骤六中的样本矩阵X_k+1代替第一代车辆间距样本矩阵X_k，并重复步骤五和步骤六至计算收敛，得到最大适应度函数值，即得到由n_i辆试验车组成的车队荷载按车队行驶速度v_i驶过检测桥梁时，所能造成的最不利冲击系数；

步骤八：对所有车队行驶车速v_i对应的跑车激振动位移数据s_i以及所有车队最大车辆数N内的车队车辆数n_i，均进行步骤三至步骤七的分析，得到各种车队行驶工况下的最不利冲击系数，即可得到车流荷载作用下的桥梁最不利冲击系数矩阵U_v,n，根据所述矩阵U_v,n绘出最不利冲击系数影响面，即可实现在考虑车流叠加效应的情况下，对桥梁的冲击系数进行检测评价。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明针对目前冲击系数检测方法中试验荷载与运营荷载存在显著差异的问题，以现场实测数据采集为基础，通过基于遗传算法框架的最不利冲击系数的随机搜索算法，分析得到车流荷载作用下冲击系数的最不利取值；通过现场试验与优化算法相结合的混合试验方法，相对于实际采用多辆试验车共同激励的冲击系数检测试验，本发明方法可搜索更多可行加载工况，避免遗漏最不利工况，同时由于只需要实际进行单辆车的跑车试验，本发明方法现场试验环节易于控制、耗时短、花费低；且主要发明工作是对目前检测试验中测试数据的处理方法进行挖掘，相对于传统冲击系数检测方法，不增加现场检测的工作量，而是通过创新算法，使检测结果的数据价值得到更充分的开发利用，有效提高目前梁式桥冲击系数检测结果的应用价值。

附图说明

图1是本发明案例中桥梁断面示意图；

图2是单辆试验车跑车时中跨跨中动位移图，其中：

图a是车速为10km/h时的中跨跨中动位移图；

图b是车速为30km/h时的中跨跨中动位移图；

图c是车速为50km/h时的中跨跨中动位移图；

图d是车速为70km/h时的中跨跨中动位移图；

图e是车速为90km/h时的中跨跨中动位移图；

图3是遗传算法进化过程图；

图4是最不利冲击系数影响面图；

图5是不同速度下冲击系数随车辆数变化图；

图6是中跨跨中动位移对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，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。

具体实施方式一：本发明公开了一种考虑连续车流耦合效应的梁式桥冲击系数检测方法，由于真实车流的随机性与不确定性，在冲击系数检测试验中完全地对车流荷载进行模拟难以实现，因此考虑在桥梁响应极限值上进行等效近似，是一种更为可行的技术手段。本发明为解决冲击系数检测试验中试验荷载与运营荷载差异显著、检测结果代表性不明确的问题，提出一种基于单辆车的现场跑车试验检测数据，通过遗传算法框架内的最不利冲击系数随机搜索算法，对车流荷载作用下的最不利冲击系数进行预测分析的检测方法；所述方法包括以下步骤：

步骤一：对待检测的桥梁进行现场单辆试验车的跑车激振试验，并在桥梁跨中截面采用采集设备(动态位移计等)量测得到桥梁动位移实测数据；实测数据包括：试验车车速小于5km/h的跑车激振动位移数据，以近似桥梁准静态位移s₀以及试验车在桥梁最高运营车速范围内呈等量变化的一组跑车激振动位移数据集合{s_i}；

步骤二：根据待检测桥梁的跨径以及试验车辆的长度，确定车队最大车辆数N，则用于计算的车队车辆数分别为n_i＝2，3，…，N；

步骤三：在最不利冲击系数随机搜索算法主程序中，给定本次计算中车队车辆数n_i、车队行驶速度v_i的具体取值以及所述主程序中遗传算法的具体算法参数；

步骤四：向步骤三所述主程序中导入桥梁准静态位移s₀，根据步骤三中的车队行驶速度v_i导入对应的跑车激振动位移数据s_i(跑车激振动位移数据集合{s_i}为包含所有速度工况的动位移曲线集合，跑车激振动位移数据s_i表示与车队行驶速度v_i对应的具体的一个动位移曲线，跑车激振动位移数据s_i是跑车激振动位移数据集合{s_i}中的一个个体)，以车队中车辆间距集合{x_j}作为分析控制变量，根据步骤三所述车队车辆数n_i与桥梁跨径确定控制变量车辆间距集合{x_j}的取值范围，再根据步骤三中给定的算法参数，在取值范围内随机生成第一代车辆间距样本矩阵X_k；

步骤五：将步骤四中的桥梁准静态位移s₀、跑车激振动位移数据s_i以及第一代车辆间距样本矩阵X_k传递给适应度函数计算子程序，通过子程序计算第一代车辆间距样本矩阵X_k中每一个独立车辆间距集合{x_j}对应的适应度函数值，适应度函数值即按样本车辆间距集合{x_j}布置的车队荷载通过桥梁时所激发的桥梁冲击系数；

步骤六：将步骤五中子程序计算得到的适应度函数值传回主程序，主程序对适应度函数值进行存储并对适应度值按大小排序，并根据各样本对应适应度值的排序位置，对本代的样本进行遗传进化，得到下一代新的车辆间距样本矩阵X_k+1；

步骤七：采用步骤六中的样本矩阵X_k+1代替第一代车辆间距样本矩阵X_k，并重复步骤五和步骤六至计算收敛，得到最大适应度函数值，即得到由n_i辆试验车组成的车队荷载按车队行驶速度v_i驶过检测桥梁时，所能造成的最不利冲击系数；

步骤八：对所有车队行驶车速v_i对应的跑车激振动位移数据s_i以及所有车队最大车辆数N内的车队车辆数n_i，均进行步骤三至步骤七的分析，得到各种车队行驶工况下的最不利冲击系数，即可得到车流荷载作用下的桥梁最不利冲击系数矩阵U_v,n，根据所述矩阵U_v,n绘出最不利冲击系数影响面，即可实现在考虑车流叠加效应的情况下，对桥梁的冲击系数进行检测评价。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，步骤一中所述等量变化的一组跑车的试验车车队行驶车速v_i为：最小车速v₁＝10km/h，最大车速v_max为检测桥梁最高限速，中间车速按速度梯度20km/h递增取值。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，步骤三中所述算法参数包括：初始样本数量、精英样本保留概率、样本交叉概率以及样本变异概率。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，步骤五中所述适应度函数计算子程序，包含以下步骤：

步骤一：根据所述主程序给出的车辆间距集合{x_j}，确定车队的布置形式；

步骤二：根据实测跑车激振动位移数据s_i，生成车队中每一辆试验车引起的动位移分量；

步骤三：采用延时叠加法，得到车队荷载作用下，桥梁的动位移曲线Y(x)可近似等效为：

其中，n_i为本次计算中车队的车辆总数；

步骤四：根据实测桥梁准静态位移s₀，采用与上述步骤二和步骤三相同的方法，得到车队荷载作用下，桥梁的等效静位移曲线Y₀(x)；

步骤五：根据等效静位移曲线Y₀(x)和动位移曲线Y(x)，在曲线Y₀(x)上量取最大静位移y_s，在曲线Y(x)上量取最大动位移y_d，则可计算得到车队荷载作用下桥梁的动力冲击系数μ，

冲击系数μ即为车辆间距集合{x_j}对应的适应度函数值。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四作出的进一步说明，所述步骤二过程如下：对车队中的第j(j＝1,2，…,n_i)辆车，根据其距队尾车辆的时间距离，在跑车激振动位移数据s_i上截取相应长度的余振信号，得到中间量y'(x)；再根据该车距队首车辆的时间距离在y'(x)信号前段补充相应数量的零值，得到y_j(x)，y_j(x)，即为车队荷载作用下车队中第j辆车引起的动位移分量。。

实施例1

本实施例通过MATLAB编程语言及其提供的遗传算法工具箱实现，但本发明方法不限于此，基于其它编程语言及遗传算法框架亦可实现本发明。

桥梁模型以跨径为L＝3×30m的三跨连续梁桥为例，主梁形式为等截面单箱三室混凝土箱梁，截面抗弯刚度EI＝1.9×10¹¹N·m²，单位长度质量m＝31000kg/m，箱梁截面尺寸如图1所示，试验车辆模型以两轴载重卡车为例，车辆模型参数如表1所示。

表1：

本实施例通过模拟计算获得车辆通过桥梁时的桥梁动位移，模拟计算结果与实测数据本质上相同，采用模拟分析是为了可方便对本发明方法的正确性进行验证。模拟计算中桥面按A级不平整度模拟，车速范围取为10km/h～90km/h，间隔20km/h，以涵盖由低到高车速情况下桥梁的动响应情况。在车辆驶出桥梁后，记录足够的桥梁跑车后余振信息，因为在采用延时叠加法时，前车引起的桥梁余振将与后车引起的动响应叠加，不计桥梁余振会造成对动响应的低估。单辆车跑车激振试验，检测桥梁中跨跨中位置的动位移结果如图2所示。

将单车激励的动响应曲线导入冲击系数优化搜索程序，即可对检测桥梁车队荷载作用下的动位移和冲击系数结果进行分析。

试验桥单跨跨径L为30m，试验车辆车长为4.7m，5台试验车即已布满桥跨，因此本实施例对2～5辆车组成的车队分别进行分析，车距范围取为0.5～60m，以不遗漏所有可能的不利工况。

对于连续梁桥，由于边跨对中跨的静力卸载效应，会引起“虚高”的冲击系数，此时桥梁的实际动挠度绝对值并不大，应进行区别。所以，在最不利冲击系数的搜索过程中，以单辆车荷载工况下桥梁的最大动挠度为基准，当车队作用下的最大动挠度大于单辆车工况时，采纳此冲击系数；当车队作用下的最大动挠度小于单车工况时，则忽略优化计算得到的冲击系数，此工况的冲击系数仍按单车工况考虑。

遗传算法的运行参数选择如下：

各车辆间距X_j值取值范围0.5m～60m，取值间距为0.1m；每代中精英样本保留概率5％，样本交叉概率60％，样本变异概率35％；初始样本数量取为总可行解数量的1％。图3为算法一次运行过程中，适应度值即冲击系数随样本逐代进化的变化曲线。

图4为在车队车辆数n_i＝1～5、车队行驶车速v_i＝10～90km/h的各工况下，车队荷载引起的最不利冲击系数随车队车辆数n_i和车队行驶车速v_i两个参数的变化影响面，即为最不利冲击系数矩阵U_v,n的可视化。图5为将图4的变形曲面进行投影，以反映不同车速下各自的冲击系数随车辆数变化趋势。

可见，在不同车速下冲击系数均随车队中车辆数目的增加而提高，五辆车组成车队作用下将得到最大的冲击系数，相对于单辆车作用情况，车速30km/h时，冲击系数提高最多，达到3.6倍；车速50km/h时，冲击系数提高最少，为1.9倍。

所以，在车队作用下引起的冲击系数相对于单辆车可能会有较大程度的提高。若被测桥梁交通量较大，例如交通繁忙的主干道桥梁，由于连续车流的不间断激励作用，如果桥梁阻尼不能及时将余振能量消耗，便有可能导致桥梁结构动响应幅值的逐渐放大。此种情况下，一方面结构的总体响应可能超过正常使用极限状态的限值，影响结构的安全性；另一方面，未超限的结构持续振动也可能引起结构的过早疲劳，影响其耐久性；过大的结构振幅对于桥梁的行车舒适性也会产生不利的影响。

但也需要注意，此种提高效应需要在一定的行车条件下才会出现，是在车流连续不断作用下桥梁的一种非持续状态，对于车流量繁忙的桥梁应结合现场实际的车流观测情况予以酌情考虑，而对于较少存在车辆连续通过工况的桥梁，应避免据此对冲击系数做出过高的估值。

综上所述，应用本发明提出的冲击系数检测方法，分析得到了车辆顺次通过桥梁时的桥梁结构动力状态，此结果是一般的冲击系数检测试验方法所不能得到的，本发明对当前的梁式桥冲击系数检测评定工作起到了延拓补充的作用。

另一方面，为验证本发明步骤五中，适应度函数计算子程序采用延时叠加法计算冲击系数的准确性，对n_i＝3、v_i＝70km/h，即由3辆试验车做成的车队按速度70km/h通过桥梁，在前两车间距为2m、后两车间距为3m的工况下，分别采用本发明的延时叠加法和通用有限元软件ANSYS按完整车队直接计算桥梁的动位移，结果如图6所示，可见二者计算结果基本一致，存在的偏差很小且保持在工程精度范围之内。延时叠加算法与完整车队算法理论上的区别在于，简化了相邻车辆之间车辆自身振动状态的相互影响，但在实际情况下，桥梁的动响应幅值一般均保持在较小幅值范围内，所以车辆之间的相互影响也较为轻微，不会显著影响计算精度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种考虑连续车流耦合效应的梁式桥冲击系数检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一：对待检测的桥梁进行现场单辆试验车的跑车激振试验，并在桥梁跨中截面采用采集设备量测得到桥梁动位移实测数据；实测数据包括：桥梁准静态位移s₀以及试验车在桥梁最高运营车速范围内呈等量变化的一组跑车激振动位移数据集合{s_i}；

步骤二：根据待检测桥梁的跨径以及试验车辆的长度，确定车队最大车辆数N，则用于计算的车队车辆数分别为n_i＝2，3，…，N；

步骤三：在最不利冲击系数随机搜索算法主程序中，给定本次计算中车队车辆数n_i、车队行驶速度v_i的具体取值以及所述主程序中遗传算法的具体算法参数；

步骤四：向步骤三所述主程序中导入桥梁准静态位移s₀，根据步骤三中的车队行驶速度v_i导入对应的跑车激振动位移数据s_i，以车队中车辆间距集合{x_j}作为分析控制变量，根据步骤三所述车队车辆数n_i与桥梁跨径确定控制变量车辆间距集合{x_j}的取值范围，再根据步骤三中给定的算法参数，在取值范围内随机生成第一代车辆间距样本矩阵X_k；

步骤五：将步骤四中的桥梁准静态位移s₀、跑车激振动位移数据s_i以及第一代车辆间距样本矩阵X_k传递给适应度函数计算子程序，通过子程序计算第一代车辆间距样本矩阵X_k中每一个独立车辆间距集合{x_j}对应的适应度函数值，适应度函数值即按样本车辆间距集合{x_j}布置的车队荷载通过桥梁时所激发的桥梁冲击系数；步骤五中所述适应度函数计算子程序，包含以下步骤：

步骤A：根据所述主程序给出的车辆间距集合{x_j}，确定车队的布置形式；

步骤B：根据实测跑车激振动位移数据s_i，生成车队中每一辆试验车引起的动位移分量；

步骤C：采用延时叠加法，得到车队荷载作用下，桥梁的动位移曲线Y(x)可近似等效为：

其中，n_i为本次计算中车队的车辆总数；

步骤D：根据实测桥梁准静态位移s₀，采用与上述步骤二和步骤三相同的方法，得到车队荷载作用下，桥梁的等效静位移曲线Y₀(x)；

步骤E：根据等效静位移曲线Y₀(x)和动位移曲线Y(x)，在曲线Y₀(x)上量取最大静位移y_s，在曲线Y(x)上量取最大动位移y_d，则可计算得到车队荷载作用下桥梁的动力冲击系数μ，

冲击系数μ即为车辆间距集合{x_j}对应的适应度函数值；

步骤六：将步骤五中子程序计算得到的适应度函数值传回主程序，主程序对适应度函数值进行存储并对适应度值按大小排序，并根据各样本对应适应度值的排序位置，对本代的样本进行遗传进化，得到下一代新的车辆间距样本矩阵X_k+1；

步骤七：采用步骤六中的样本矩阵X_k+1代替第一代车辆间距样本矩阵X_k，并重复步骤五和步骤六至计算收敛，得到最大适应度函数值，即得到由n_i辆试验车组成的车队荷载按车队行驶速度v_i驶过检测桥梁时，所能造成的最不利冲击系数；

步骤八：对所有车队行驶车速v_i对应的跑车激振动位移数据s_i以及所有车队最大车辆数N内的车队车辆数n_i，均进行步骤三至步骤七的分析，得到各种车队行驶工况下的最不利冲击系数，即可得到车流荷载作用下的桥梁最不利冲击系数矩阵U_v,n，根据所述矩阵U_v,n绘出最不利冲击系数影响面，即可实现在考虑车流叠加效应的情况下，对桥梁的冲击系数进行检测评价。

2.根据权利要求1所述的一种考虑连续车流耦合效应的梁式桥冲击系数检测方法，其特征在于：步骤一中所述等量变化的一组跑车的试验车车队行驶车速v_i为：最小车速v₁＝10km/h，最大车速v_max为检测桥梁最高限速，中间车速按速度梯度20km/h递增取值。

3.根据权利要求1所述的一种考虑连续车流耦合效应的梁式桥冲击系数检测方法，其特征在于：步骤三中所述算法参数包括：初始样本数量、精英样本保留概率、样本交叉概率以及样本变异概率。

4.根据权利要求1所述的一种考虑连续车流耦合效应的梁式桥冲击系数检测方法，其特征在于：所述步骤B过程如下：对车队中的第j辆车，根据其距队尾车辆的时间距离，在跑车激振动位移数据s_i上截取相应长度的余振信号，得到中间量y'(x)；再根据该车距队首车辆的时间距离在y'(x)信号前段补充相应数量的零值，得到y_j(x)，y_j(x)，即为车队荷载作用下车队中第j辆车引起的动位移分量。

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