CN110909405B - 基于车辆载荷的桥梁结构优化方法、系统及智能设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于车辆载荷的桥梁结构优化方法、系统及智能设备，所述方法包括：获取待优化桥梁的结构信息，并根据该结构信息搭建待优化桥梁的有限元分析模型；根据车流的多车道分布特性及桥梁所在道路等级，创建各车道差异化的车辆荷载标准及模型；将各车道差异化的车辆荷载模型加载于待优化桥梁结构进行分析，以确定各车道位置的桥梁构件响应；将桥梁构件响应基于目标可靠度最小二乘误差原则，确定各车道位置的桥梁构件的结构、尺寸及材料，以得到当前桥梁的优化桥梁结构，并对当前桥梁的优化桥梁结构进行车辆加载测试。本发明能够使所有车道位置的桥梁构件在差异性车道荷载作用下具有一致可靠性，满足了实际应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及将桥梁工程技术领域，特别是涉及一种基于车辆载荷的桥梁结构优化方法、系统及智能设备。
背景技术
近年来，随着我国道路交通运输产业的蓬勃增长，先前建设的道路和桥梁已经不能满足当前的交通运输的需求，亟待拓宽改建，以满足多车道交通的通行需求。新建的道路工程为了满足日益增长的交通运输需求，也往往设计成多车道结构型式，因此多车道型式的道路和桥梁结构，已经成为当期交通基础设施建设的重要特征。
实际行驶的交通流包含了各种车辆类型和特征，但总体可以划分为客车和货车两大类别。由于车辆外形特点与载重特性，客车往往具有良好的机动性能而趋于快速行驶以提高驾驶效率，货车则因为机动性不足而保持相对慢速行驶以保障交通安全。因为个体车辆差异化的驾驶特性，为了避免交通冲突同时最大程度提高通行效率，往往要求各种车型分车道行驶，例如大型货车建议在外侧慢车道行驶，而小型轿车建议在内侧超车道行驶，这种客观存在的车型分车道驾驶特性，形成了差异化的车道荷载规律：①机动性能好的轻型车辆倾向于在内侧超车道行驶，使得内侧超车道的车辆荷载等级低；②载重大而机动性能相对不足的重载车辆倾向于在外侧慢车道行驶，使得外侧慢车道的车辆荷载等级高；③随着车道数量的增加，内外车道的荷载等级差别愈加显著。差异化的车道荷载等级是客观存在的，且对处于内外车道不同位置的桥跨构件和下部结构产生差异性影响。
然而，当前桥梁设计采用均一化的车道汽车荷载标准，所有车道的荷载标准都与道路等级直接关联，这种设计思路认为所有车道的荷载等级都与设计道路的荷载等级一致，然而，客观存在的差异化车道荷载，必然导致桥梁中靠近重车道的桥梁构件相对于靠近超车道的易损性问题更突出，而一旦某一构件出现严重损伤或失效，将引发整体桥梁的更换或加固。因此，目前桥梁设计中均一化的车道汽车荷载标准，会使得很多桥梁构件的材料用量浪费，导致运营中桥梁管养资源配置的不合理。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种能够充分考虑多车道道路上车辆荷载的差异性，使得所有车道位置的桥梁构件在差异性车道荷载作用下具有一致可靠性，从而使桥梁受力更合理、材料用量更节省、全寿命周期成本更优的基于车辆载荷的桥梁结构优化方法、系统及智能设备。
一种基于车辆载荷的桥梁结构优化方法，所述方法包括：
获取待优化桥梁的结构信息，根据该结构信息搭建所述待优化桥梁的有限元分析模型；
根据车流的多车道分布特性及桥梁所在道路等级，创建各车道差异化的车辆荷载模型；
将各车道差异化的车辆荷载模型加载于待优化桥梁结构进行分析，以确定各车道位置的桥梁构件响应；
将桥梁构件响应基于目标可靠度最小二乘误差原则，确定各车道位置的桥梁构件的结构、尺寸及材料，以得到当前桥梁的优化桥梁结构，并对当前桥梁的优化桥梁结构进行车辆加载测试，以确定当前桥梁的优化桥梁结构是否合格。
根据本发明提供的基于车辆载荷的桥梁结构优化方法，通过将各车道差异化的车辆荷载模型加载于待优化桥梁结构进行分析，以确定各车道位置的桥梁构件响应；将桥梁构件响应基于目标可靠度最小二乘误差原则，确定各车道位置的桥梁构件的结构、尺寸及材料，使得不同车道位置的桥梁构件在差异化车道荷载标准下具有一致可靠性；通过对当前桥梁的优化桥梁结构进行车辆加载测试，以确定当前桥梁的优化桥梁结构是否合格。本发明能够更加合理地考虑实际多车道道路上分车道交通荷载的差异性，避免运营中某些构件严重损伤并达到它们的极限承载力，而其他构件仍然具有很大的安全储备，有利于节省材料用量、优化桥梁受力、提高全寿命周期成本，满足了实际应用需求。
另外，根据本发明上述的基于车辆载荷的桥梁结构优化方法，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，根据车流的多车道分布特性及桥梁所在道路的道路等级，确定各车道差异化的车辆荷载模型的方法包括：
通过正态分布概率值进行车道载荷数据的尾部外推，确定给定回归周期的最大车辆载荷，并对该最大车辆载荷进行回归，以得到车辆标准载荷模型；
根据各车道的当前车辆载荷及最大车辆载荷，确定各车道的车道系数；
根据各车道的日均交通流量及累积分部概率，得到各车道极限载荷的车道组合系数；
根据所述标准载荷模型、车道系数及车道组合系数确定各车道差异化的车辆荷载标准及模型。
进一步地，根据各车道的日均交通流量及累积分部概率，得到各车道极限载荷的车道组合系数的方法包括：
获取各车道的日均交通流量、车辆载荷的累积分部概率及车辆前后轴通过桥梁内力影响线最大位置所需要的平均时间，得到各车道分别出现大于最大车辆载荷的概率；
根据各车道分别出现大于最大车辆载荷的概率，计算各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率；
根据设计基准期限内桥梁车辆荷载保证率及各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率，得到各车道极限载荷的车道组合系数。
进一步地，各车道分别出现大于最大车辆载荷的概率为：
pi＝[Qi·(1-Fi(η·Mi))·Δt]/86400
其中，Qi(i＝1,…,n)为各车道日均交通流量，Fi(.)为各车道车辆载荷的累积分部概率，△t为车辆前后轴通过桥梁内力影响线最大位置所需要的平均时间。
进一步地，各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率为：
其中，Qi(i＝1,…,n)为各车道日均交通流量，Fi(.)为各车道车辆载荷的累积分部概率，△t为车辆前后轴通过桥梁内力影响线最大位置所需要的平均时间，W为车道车重，c为代表特征值，与荷载重现期有关。
进一步地，根据设计基准期限内桥梁车辆荷载保证率及各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率，得到各车道极限载荷的车道组合系数的方法包括：
获取设计基准期限内桥梁车辆荷载保证率，并根据该桥梁车辆荷载保证率计算各车道同时出现大于最大车辆载荷的相遇次数；
根据各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率及相遇次数，得到各车道极限载荷的车道组合系数。
进一步地，将各车道差异化的车辆荷载模型加载于待优化桥梁结构进行分析，以确定各车道位置的桥梁构件响应的方法包括：
根据所述车辆荷载模型及待优化桥梁的有限元分析模型，将作用于桥梁上的车辆载荷与结构自重等永久载荷、温度荷载及地震荷载相结合以对待优化桥梁桥梁结构进行载荷加载；
根据进行载荷加载时各个梁肋的跨中的汽车荷载弯矩效应、恒载弯矩效应及结构抗弯能力确定各车道位置的桥梁构件响应。
进一步地，所述桥梁信息包括道路等级、载荷信息及车流量信息，所述桥梁结构信息包括分孔布跨、桥面布置、桥跨类型及下部结构。
本发明的另一实施例提出一种基于车辆载荷的桥梁结构优化系统，解决了现有桥梁设计中均一化的车道汽车荷载标准，会使得很多桥梁构件的材料用量浪费，导致运营中桥梁管养资源配置的不合理，且一旦某一构件出现严重损伤或失效，将引发整体桥梁的更换或加固的问题。
根据本发明实施例的基于车辆载荷的桥梁结构优化系统，包括：
获取模块，获取待优化桥梁的结构信息，根据该结构信息搭建所述待优化桥梁的有限元分析模型；
创建模块，用于根据车流的多车道分布特性及桥梁所在道路等级，创建各车道差异化的车辆荷载标准及模型；
加载模块，用于将各车道差异化的车辆荷载模型加载于待优化桥梁结构进行分析，以确定各车道位置的桥梁构件响应；
确定模块，用于将桥梁构件响应基于目标可靠度最小二乘误差原则，确定各车道位置的桥梁构件的结构、尺寸及材料，以得到当前桥梁的优化桥梁结构，并对当前桥梁的优化桥梁结构进行车辆加载测试，以确定当前桥梁的优化桥梁结构是否合格。
本发明的另一个实施例还提出一种智能设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施例了解到。
附图说明
图1是本发明第一实施例提出的基于车辆载荷的桥梁结构优化方法的流程图；
图2是本发明第一实施例中桥梁结构的示意图；
图3是本发明第一实施例中车道交通流量统计图；
图4是本发明第一实施例中车道车辆荷载的分布图；
图5是图1中步骤S102的具体流程图；
图6是本发明第一实中车道级车辆荷载标准外推图；
图7是本发明第一实施例中桥梁设计规范的公路I级标准车道荷载模型；
图8是图5中步骤S1023的具体流程图；
图9是图1中步骤S103的具体流程图；
图10是本发明第二实施例提出的基于车辆载荷的桥梁结构优化系统的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
请参阅图1，本发明第一实施例提出的一种基于车辆载荷的桥梁结构优化方法，其中，包括步骤S101～S104：
步骤S101，获取待优化桥梁的结构信息，根据该结构信息搭建待优化桥梁的有限元分析模型。
如上所述，通过获取路网体系中所有道路和桥梁的结构信息及技术状况，以便于根据各桥梁的当前道路等级、载荷信息、车流量信息，以及各桥梁的设计图纸、变更图纸、养护记录、加固记录、试验检测结果确定待优化桥梁结构中的分孔布跨、桥面布置、桥跨类型及下部结构，从而搭建待优化桥梁的有限元分析模型，以便于及时确定各个桥梁的损耗状况，提高数据获取的可靠性，为后期桥梁优化提供必要准备。
请参阅图2，本实施例中确定的标准跨径20m单向四车道高速公路预应力混凝土T梁桥的结构型式，采用板式橡胶支座，下部结构采用桩柱式桥墩和盖梁，基础采用钻孔灌注桩。每个梁采用2根7-15.2的预应力钢绞线，梁底采用5根φ28的R235普通钢筋。
步骤S102，根据车流的多车道分布特性及桥梁所在道路等级，创建各车道差异化的车辆荷载标准及模型。
如上所述，由于各车道的车流量及载荷不同，因此会存在车道载荷的分布差异，为使所有车道位置的桥梁构件在差异性车道荷载作用下具有一致可靠性，需根据车流的多车道分布特性及桥梁所在道路等级，创建各车道差异化的车辆荷载标准及模型。
具体是实施时，对上述预应力混凝土T梁所要建造区域的多车道交通荷载特性通过相应的检测装置进行实时采集，若该桥梁所在的道路为高速公路，则获取四车道高速公路的车流荷载特性，如图3是车道交通流量的采集数据，由于桥梁结构设计主要关注货车荷载，轿车和客车等轻型车辆对于桥梁安全影响可以忽略，因此进一步获取车道货车荷载的分布特点，如图4所示。由于车型的分车道驾驶习性，车道之间的交通流量和荷载均有非常显著的差别，需要将车道荷载差异的特性考虑到桥梁车辆荷载标准中。
可以理解的，根据实测多车道荷载特性，确定车道车辆荷载等级。车道荷载模型Mi由标准荷载模型M和车道系数ri组成，Mi＝ri×M，其中标准荷载模型M是定义在单车道上用于分析桥梁荷载效应的车辆荷载模型，通过最大车道车辆荷载(或桥梁车辆荷载效应)回归而来，分车道差异性通过车道系数ri的取值不同体现，通过车道间车辆荷载(或桥梁汽车荷载效应)的比值确定。各个车道荷载标准作用下的桥梁构件响应，需要考虑不同车道的荷载模型同时加载的组合系数η，该组合系数通过车道车辆荷载(或桥梁汽车荷载效应)的相遇概率确定。总体的车辆荷载模型可以表达为：
Mq＝η·(M1+M2+…+MN)＝η·(r1+r2+…+rN)·M
请参阅图5，根据车流的多车道分布特性及桥梁所在道路的道路等级，确定各车道差异化的车辆荷载模型的方法包括如下步骤：
步骤S1021，通过正态分布概率值进行车道载荷数据的尾部外推，确定给定回归周期的最大车辆载荷，并对该最大车辆载荷进行回归，以得到车辆标准载荷模型。
步骤S1022，根据各车道的当前车辆载荷及最大车辆载荷，确定各车道的车道系数。
如上所述，标准荷载模型M通过标准车道最大汽车荷载确定，这里标准车道指呈现最大车辆荷载的车道，而车道系数ri通过车道间最大车辆荷载的比值确定，通过采用正态分布概率值进行车道货车荷载数据的尾部外推，确定给定回归周期的车道车辆荷载最大值，例如设定车辆荷载的重现期为1950年，根据图6的车道货车荷载数据，进行正态概率值尾部数据外推，如图7所示，得到车道1～4在1950年回归周期下的最大车重分别为69.10t，69.03t，65.04t和58.40t。因此四个车道的车道系数分别为r1＝1.00，r2＝0.99，r3＝0.94，r4＝0.84。标准荷载模型M通过载重69.10t的车辆荷载计算确定，相当于规范公路I级车道荷载如图7所示的1.26倍。因此车道1～4的汽车荷载等级分别是规范标准车道荷载等级的1.26，1.25，1.18和1.06倍，这是因为实测数据中包含了大量的超过规范55t限值的超载货车，注意到，本实施例不剔除这些车辆，仅介绍方法的实施思路和过程，对于其他区域数据特点可以采用本方法同样进行车道级车辆荷载标准的桥梁结构优化。
步骤S1023，根据各车道的日均交通流量及累积分部概率，得到各车道极限载荷的车道组合系数。
可以理解的，车道荷载组合加载的系数通过车道车辆荷载(或桥梁车辆荷载效应)的相遇概率确定，因此通过各车道的日均交通流量及累积分部概率，得到各车道极限载荷的车道组合系数，以确定该桥梁可能承受的最大载荷值及承受最大载荷值的概率。
请参阅图8，根据各车道的日均交通流量及累积分部概率，得到各车道极限载荷的车道组合系数的方法包括如下步骤：
步骤S1023a，获取各车道的日均交通流量、车辆载荷的累积分部概率及车辆前后轴通过桥梁内力影响线最大位置所需要的平均时间，得到各车道分别出现大于最大车辆载荷的概率。
进一步地，各车道分别出现大于最大车辆载荷的概率为：
pi＝[Qi·(1-Fi(η·Mi))·Δt]/86400
其中，Qi(i＝1,…,n)为各车道日均交通流量，Fi(.)为各车道车辆载荷的累积分部概率，△t为车辆前后轴通过桥梁内力影响线最大位置所需要的平均时间。
步骤S1023b，根据各车道分别出现大于最大车辆载荷的概率，计算各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率。
进一步地，各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率为：
其中，Qi(i＝1,…,n)为各车道日均交通流量，Fi(.)为各车道车辆载荷的累积分部概率，△t为车辆前后轴通过桥梁内力影响线最大位置所需要的平均时间，W为车道车重，c为代表特征值，与荷载重现期有关。
步骤S1023c，根据设计基准期限内桥梁车辆荷载保证率及各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率，得到各车道极限载荷的车道组合系数。
进一步地，获取设计基准期限内桥梁车辆荷载保证率，并根据该桥梁车辆荷载保证率计算各车道同时出现大于最大车辆载荷的相遇次数；根据各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率及相遇次数，得到各车道极限载荷的车道组合系数。
具体的，设定荷载重现期为1950年，对应于设计基准期100年的95％概率保证率，100年设计基准期内发生上述不利货车荷载相遇次数为m＝(365·T·86400)/Δt，即设计基准期限内各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率。根据重复独立试验的概率原理，桥梁设计基准起内，发生上述相遇车道荷载事件的次数k服从二项分布m是很大的值，而p趋于零，因此可以采用强度λ＝m×p的泊松分布近似代替，P(X＝k)＝e-m·p·(m·p)k/k！，相遇车道荷载事件在桥梁设计基准期内发生的概率应保证在允许范围，本实施例中，若规范要求100年设计基准期内桥梁车辆荷载保证率为95％，进而λ＝m×p＝0.0513。
因此，相遇车道荷载的计算可转化为：
由于Fi(.)是单调递增函数，因此多车道组合系数η具有唯一解。根据图6的车道荷载分布模型及图7外推的车道荷载等级，可以得到车道组合系数结果如表1，由于车道级荷载标准的差异性，不同车道的组合加载其系数是差异化的。
表1.车道组合加载系数取值
步骤S1024，根据所述标准载荷模型、车道系数及车道组合系数确定各车道差异化的车辆荷载标准及模型。
可以理解的，根据所述标准载荷模型、车道系数及车道组合系数确定各车道差异化的车辆荷载标准及模型，从而方便根据车辆载荷模型优化各车道位置桥梁构件的尺寸和材料，使得不同车道位置的桥梁构件在差异化车道荷载标准下具有一致可靠性。
步骤S103，将各车道差异化的车辆荷载模型加载于待优化桥梁结构进行分析，以确定各车道位置的桥梁构件响应。
请参阅图9，将各车道差异化的车辆荷载模型加载于待优化桥梁结构进行分析，以确定各车道位置的桥梁构件响应的方法包括如下步骤：
步骤S1031，根据所述车辆荷载模型及待优化桥梁的有限元分析模型，将作用于桥梁上的车辆载荷与结构自重等永久载荷、温度荷载及地震荷载相结合以对待优化桥梁桥梁结构进行载荷加载。
步骤S1032，根据进行载荷加载时各个梁肋的跨中的汽车荷载弯矩效应、恒载弯矩效应及结构抗弯能力确定各车道位置的桥梁构件响应。
可以理解的，结构的最不利荷载响应需要考虑车辆荷载与结构自重等永久作用、温度荷载等可变作用、地震荷载等偶然作用的可能组合，为简化实施例说明，采用永久荷载与车辆荷载两个进行组合，计算桥梁各个构件的最不利荷载效应，其中最不利荷载效应考虑了不同车道的组合加载计算的汽车荷载总效应。对于预应力混凝土简支梁桥而言，抗弯强度是控制结构设计的关键因素，抗剪强度、结构刚度和疲劳性能等通常不控制设计，因此实施例中重点分析桥梁的抗弯承载力。表2给出了应用车道级汽车荷载标准后各个梁肋的跨中各种组合作用下的弯矩效应，可以看到由于车道荷载级别的差异性，靠近慢车道的梁肋荷载组合效应最大，而靠近内侧超车道的梁肋荷载组合效应最小，其中梁1#是靠近慢车道的最外侧梁肋。
表2.车道级汽车荷载标准下的各梁的汽车荷载效应取值
步骤S104，将桥梁构件响应基于目标可靠度最小二乘误差原则，确定各车道位置的桥梁构件的结构、尺寸及材料，以得到当前桥梁的优化桥梁结构，并对当前桥梁的优化桥梁结构进行车辆加载测试，以确定当前桥梁的优化桥梁结构是否合格。
如上所述，根据各车道位置的桥梁构件的结构、尺寸及材料对待优化桥梁的有限元分析模型进行更新，以得到当前桥梁的优化桥梁结构，从而便于通过该优化桥梁结构的有限元模型进行载荷加载测试，提高了优化桥梁结构模型确定的准确性与可靠性。
可以理解的，为了使得所有桥梁构件达到一致目标可靠性，应用最小二乘误差原则，对梁肋的预应力配束数量进行优化，优化结果如表3。可以看到，采用常规设计思路的各个梁肋安全储备不同，会导致部分梁肋的建造材料浪费，而优化后的所有梁肋的安全储备基本相同，说明了采用车道级汽车荷载标准对于桥梁优化设计的意义。此外，通过对当前桥梁的优化桥梁结构进行车辆加载测试，以确定当前桥梁的优化桥梁结构是否合格，即通过对当前桥梁的优化桥梁结构的有限元模型进行载荷加载测试，以确定该优化桥梁结构是否合格，从而提高了桥梁结构优化的可靠性。
表3.基于梁体抗弯承载力的车道级汽车荷载标准的桥梁优化
根据本发明提供的基于车辆载荷的桥梁结构优化方法，通过将各车道差异化的车辆荷载模型加载于待优化桥梁结构进行分析，以确定各车道位置的桥梁构件响应；将桥梁构件响应基于目标可靠度最小二乘误差原则，确定各车道位置的桥梁构件的结构、尺寸及材料，使得不同车道位置的桥梁构件在差异化车道荷载标准下具有一致可靠性；通过对当前桥梁的优化桥梁结构进行车辆加载测试，以确定当前桥梁的优化桥梁结构是否合格。本发明能够更加合理地考虑实际多车道道路上分车道交通荷载的差异性，避免运营中某些构件严重损伤并达到它们的极限承载力，而其他构件仍然具有很大的安全储备，有利于节省材料用量、优化桥梁受力、提高全寿命周期成本，满足了实际应用需求。
请参阅图10，基于同一发明构思，本发明第二实施例提供的基于车辆载荷的桥梁结构优化系统，包括：
获取模块10，获取待优化桥梁的结构信息，根据该结构信息搭建所述待优化桥梁的有限元分析模型。其中，所述桥梁信息包括道路等级、载荷信息及车流量信息，所述桥梁结构信息包括分孔布跨、桥面布置、桥跨类型及下部结构。
创建模块20，用于根据车流的多车道分布特性及桥梁所在道路等级，创建各车道差异化的车辆荷载标准及模型。
本实施例中，所述创建模块20包括：
回归单元，用于通过正态分布概率值进行车道载荷数据的尾部外推，确定给定回归周期的最大车辆载荷，并对该最大车辆载荷进行回归，以得到车辆标准载荷模型。
加载单元，用于根据各车道的当前车辆载荷及最大车辆载荷，确定各车道的车道系数。
统计单元，用于根据各车道的日均交通流量及累积分部概率，得到各车道极限载荷的车道组合系数。
进一步地，获取各车道的日均交通流量、车辆载荷的累积分部概率及车辆前后轴通过桥梁内力影响线最大位置所需要的平均时间，得到各车道分别出现大于最大车辆载荷的概率pi＝[Qi·(1-Fi(η·Mi))·Δt]/86400，其中，Qi(i＝1,…,n)为各车道日均交通流量，Fi(.)为各车道车辆载荷的累积分部概率，△t为车辆前后轴通过桥梁内力影响线最大位置所需要的平均时间。
进一步地，根据各车道分别出现大于最大车辆载荷的概率，计算各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率其中，Qi(i＝1,…,n)为各车道日均交通流量，Fi(.)为各车道车辆载荷的累积分部概率，△t为车辆前后轴通过桥梁内力影响线最大位置所需要的平均时间，W为车道车重，c为代表特征值，与荷载重现期有关。
进一步地，根据设计基准期限内桥梁车辆荷载保证率及各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率，得到各车道极限载荷的车道组合系数。具体的，获取设计基准期限内桥梁车辆荷载保证率，并根据该桥梁车辆荷载保证率计算各车道同时出现大于最大车辆载荷的相遇次数；根据各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率及相遇次数，得到各车道极限载荷的车道组合系数。
确定单元，用于根据所述标准载荷模型、车道系数及车道组合系数确定各车道差异化的车辆荷载标准及模型
加载模块30，用于将各车道差异化的车辆荷载模型加载于待优化桥梁结构进行分析，以确定各车道位置的桥梁构件响应。
具体的，根据所述车辆荷载模型及待优化桥梁的有限元分析模型，将作用于桥梁上的车辆载荷与结构自重等永久载荷、温度荷载及地震荷载相结合以对待优化桥梁桥梁结构进行载荷加载；根据进行载荷加载时各个梁肋的跨中的汽车荷载弯矩效应、恒载弯矩效应及结构抗弯能力确定各车道位置的桥梁构件响应。
确定模块40，用于将桥梁构件响应基于目标可靠度最小二乘误差原则，确定各车道位置的桥梁构件的结构、尺寸及材料，以得到当前桥梁的优化桥梁结构，并对当前桥梁的优化桥梁结构进行车辆加载测试，以确定当前桥梁的优化桥梁结构是否合格。
根据本发明提供的基于车辆载荷的桥梁结构优化系统，通过将各车道差异化的车辆荷载模型加载于待优化桥梁结构进行分析，以确定各车道位置的桥梁构件响应；将桥梁构件响应基于目标可靠度最小二乘误差原则，确定各车道位置的桥梁构件的结构、尺寸及材料，使得不同车道位置的桥梁构件在差异化车道荷载标准下具有一致可靠性；通过对当前桥梁的优化桥梁结构进行车辆加载测试，以确定当前桥梁的优化桥梁结构是否合格。本发明能够更加合理地考虑实际多车道道路上分车道交通荷载的差异性，避免运营中某些构件严重损伤并达到它们的极限承载力，而其他构件仍然具有很大的安全储备，有利于节省材料用量、优化桥梁受力、提高全寿命周期成本，满足了实际应用需求。
本发明实施例提出的基于车辆载荷的桥梁结构优化系统的技术特征和技术效果与本发明实施例提出的方法相同，在此不予赘述。
此外，本发明的实施例还提出一种介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
此外，本发明的实施例还提出一种智能设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于车辆载荷的桥梁结构优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
获取待优化桥梁的结构信息，根据该结构信息搭建待优化桥梁的有限元分析模型；
根据车流的多车道分布特性及桥梁所在道路等级，创建各车道差异化的车辆荷载标准及模型；
将各车道差异化的车辆荷载模型加载于待优化桥梁结构进行分析，以确定各车道位置的桥梁构件响应；
将桥梁构件响应基于目标可靠度最小二乘误差原则，确定各车道位置的桥梁构件的结构、尺寸及材料，以得到当前桥梁的优化桥梁结构，并对当前桥梁的优化桥梁结构进行车辆加载测试，以确定当前桥梁的优化桥梁结构是否合格；
所述根据车流的多车道分布特性及桥梁所在道路等级，创建各车道差异化的车辆荷载标准及模型包括：
通过正态分布概率值进行车道载荷数据的尾部外推，确定给定回归周期的最大车辆载荷，并对该最大车辆载荷进行回归，以得到车辆标准载荷模型；
根据各车道的当前车辆载荷及最大车辆载荷，确定各车道的车道系数；
根据各车道的日均交通流量及累积分部概率，得到各车道极限载荷的车道组合系数；
根据所述标准载荷模型、车道系数及车道组合系数确定各车道差异化的车辆荷载标准及模型；
根据各车道的日均交通流量及累积分部概率，得到各车道极限载荷的车道组合系数的方法包括：
获取各车道的日均交通流量、车辆载荷的累积分部概率及车辆前后轴通过桥梁内力影响线最大位置所需要的平均时间，得到各车道分别出现大于最大车辆载荷的概率；
根据各车道分别出现大于最大车辆载荷的概率，计算各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率；
根据设计基准期限内桥梁车辆荷载保证率及各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率，得到各车道极限载荷的车道组合系数；
根据设计基准期限内桥梁车辆荷载保证率及各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率，得到各车道极限载荷的车道组合系数的方法包括：
获取设计基准期限内桥梁车辆荷载保证率，并根据该桥梁车辆荷载保证率计算各车道同时出现大于最大车辆载荷的相遇次数；
根据各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率及相遇次数，得到各车道极限载荷的车道组合系数。
2.根据权利要求1所述的基于车辆载荷的桥梁结构优化方法，其特征在于，各车道分别出现大于最大车辆载荷的概率为：
pi＝[Qi·(1-Fi(η·Mi))·Δt]/86400
其中，Qi(i＝1,…,n)为各车道日均交通流量，Fi(.)为各车道车辆载荷的累积分部概率，△t为车辆前后轴通过桥梁内力影响线最大位置所需要的平均时间。
3.根据权利要求1所述的基于车辆载荷的桥梁结构优化方法，其特征在于，各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率为：
其中，Qi(i＝1,…,n)为各车道日均交通流量，Fi(.)为各车道车辆载荷的累积分部概率，△t为车辆前后轴通过桥梁内力影响线最大位置所需要的平均时间，W为车道车重，c代表特征值，与荷载重现期有关。
4.根据权利要求1所述的基于车辆载荷的桥梁结构优化方法，其特征在于，将各车道差异化的车辆荷载模型加载于待优化桥梁结构进行分析，以确定各车道位置的桥梁构件响应的方法包括：
根据所述车辆荷载模型及待优化桥梁的有限元分析模型，将作用于桥梁上的车辆载荷与结构自重等永久载荷、温度荷载及地震荷载相结合以对待优化桥梁桥梁结构进行载荷加载；
根据进行载荷加载时各个梁肋的跨中的汽车荷载弯矩效应、恒载弯矩效应及结构抗弯能力确定各车道位置的桥梁构件响应。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的基于车辆载荷的桥梁结构优化方法，其特征在于，所述桥梁信息包括道路等级、载荷信息及车流量信息，所述桥梁结构信息包括分孔布跨、桥面布置、桥跨类型及下部结构。
6.一种基于车辆载荷的桥梁结构优化系统，其特征在于，所述系统包括：
获取模块，用于获取待优化桥梁的结构信息，根据该结构信息搭建所述待优化桥梁的有限元分析模型；
创建模块，用于根据车流的多车道分布特性及桥梁所在道路等级，创建各车道差异化的车辆荷载标准及模型，包括：
通过正态分布概率值进行车道载荷数据的尾部外推，确定给定回归周期的最大车辆载荷，并对该最大车辆载荷进行回归，以得到车辆标准载荷模型；
根据各车道的当前车辆载荷及最大车辆载荷，确定各车道的车道系数；
根据各车道的日均交通流量及累积分部概率，得到各车道极限载荷的车道组合系数，包括：
获取各车道的日均交通流量、车辆载荷的累积分部概率及车辆前后轴通过桥梁内力影响线最大位置所需要的平均时间，得到各车道分别出现大于最大车辆载荷的概率；
根据各车道分别出现大于最大车辆载荷的概率，计算各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率；
根据设计基准期限内桥梁车辆荷载保证率及各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率，得到各车道极限载荷的车道组合系数，包括：
获取设计基准期限内桥梁车辆荷载保证率，并根据该桥梁车辆荷载保证率计算各车道同时出现大于最大车辆载荷的相遇次数；
根据各车道同时出现大于最大车辆载荷的概率及相遇次数，得到各车道极限载荷的车道组合系数；
根据所述标准载荷模型、车道系数及车道组合系数确定各车道差异化的车辆荷载标准及模型；
加载模块，用于将各车道差异化的车辆荷载模型加载于待优化桥梁结构进行分析，以确定各车道位置的桥梁构件响应；
确定模块，用于将桥梁构件响应基于目标可靠度最小二乘误差原则，确定各车道位置的桥梁构件的结构、尺寸及材料，以得到当前桥梁的优化桥梁结构，并对当前桥梁的优化桥梁结构进行车辆加载测试，以确定当前桥梁的优化桥梁结构是否合格。
7.一种智能设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至4任意一项所述的方法。
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