CN111829738A - 一种基于冲击荷载的桥梁承载力轻量化评定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于冲击荷载的桥梁承载力轻量化评定方法，利用落锤模拟冲击荷载对桥梁进行加载，采用位移传感器和加速度传感器测量桥梁控制截面的位移时程曲线和加速度时程曲线，将提取的动力响应与理论计算值进行对比分析，建立评估指标评定桥梁承载能力；本发明解决了常规荷载试验评定桥梁承载能力存在的周期长、成本高、对交通影响大的不足，在评估方法上克服了评估指标的随机性和方法的模糊性带来的评定的不确定性，具有方便快速，采集数据量大，评估方便准确等优点。

Description

一种基于冲击荷载的桥梁承载力轻量化评定方法
技术领域
本发明涉及桥梁工程中桥梁检测试验技术领域，特别是一种基于冲击荷载的桥梁承载力轻量化评定方法。
背景技术
桥梁荷载试验是在对桥梁进行了外观病害检查和结构材料检测之后，根据检测结果，对破损严重、结构材料状况差的桥梁进行桥梁荷载试验。其目的是通过对桥梁按设计荷载直接加载，测试桥梁在最不利荷载作用下的实际响应，以进一步分析和了解桥梁的工作状态，从而判断桥梁结构的实际承载能力。通过动载试验可测定桥梁结构动力特性参数和在动力荷载作用下的强迫振动响应，确定桥梁在车辆荷载作用下的动力效应及使用条件。荷载试验能对桥梁结构的正常使用性能、强度、刚度、裂缝等各项指标做出全面的评价，并对桥梁结构的实际承载能力做出科学的评估。
桥梁荷载试验存在问题：1、通常情况下特别是对既有桥梁进行荷载试验时，需要中断交通且时间较长，对交通的正常运行的造成较大的影响；2、在进行荷载试验中，存在较为突出的安全风险，如现场安全工作安排实施不当容易导致交通安全事故，特别在高速公路和城市主干道进行试验时；3、如对存在较为严重病害和损伤桥梁进行荷载试验，如控制加载量出问题，导致桥梁病害损伤恶化，甚至出现桥梁垮塌等严重事故。4、荷载试验项目较为耗时费力，花费巨大的人力物力，在决策时应全面、客观分析实施荷载试验的必要性和可行性。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种基于冲击荷载的桥梁承载力轻量化评定方法。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种基于冲击荷载的桥梁承载力轻量化评定方法，包括以下步骤：
S1、确定对桥梁的加载冲击荷载大小和冲击荷载加载点位置；
S2、在冲击荷载加载点位置的桥梁上布置位移和加速度测点；
S3、现场对桥梁的冲击荷载加载点加载冲击荷载，采集桥梁的冲击荷载加载点实测挠度位移时程曲线和加速度时程曲线；
S4、采用有限元软件建立在冲击荷载下的桥梁模型，在模型中考虑桥梁质量分布，刚度大小、边界条件和荷载分布等特性，并利用时程分析对受冲击荷载的桥梁进行理论计算，提取桥梁控制截面的理论挠度位移时程曲线和加速度时程曲线；
S5、基于实测挠度位移时程曲线和加速度时程曲线、理论挠度位移时程曲线和加速度时程曲线分别计算出实测挠度与理论挠度相关性系数和实测加速度与理论加速度相关性系数；
S6、基于实测挠度与理论挠度相关性系数和实测加速度与理论加速度相关性系数，评定桥梁的实际承载力。
进一步，所述步骤S1具体包括：根据桥梁设计资料和现行荷载试验规范制定桥梁冲击荷载试验方案，通过理论计算截面的试验效率系数，确定对桥梁的加载冲击荷载大小和冲击荷载加载点位置，所述截面的试验效率系数介于0.95～1.00之间，位移和加速度测点布置于冲击荷载加载位置和桥梁变形受力最大处。
进一步，所述步骤S2中在位移和加速度测点布置位移传感器和加速度传感器，所述位移传感器和加速度传感器布置于冲击荷载加载点位置和桥梁变形受力最大处的桥梁上。
进一步，所述步骤S3具体包括：根据冲击荷载试验方案，采用落锤系统将重锤做自由落体运动，冲击放置在冲击荷载加载点位置的被测桥面上的加载板，使得桥面发生变形；同时通过数据采集控制器进行数据采集桥梁的冲击荷载加载点实测挠度位移时程曲线和加速度时程曲线。
进一步，所述步骤S5中，
所述实测挠度与理论挠度相关性系数的计算公式为：
Figure BDA0002592869880000031
式中，α为实测挠度与理论挠度相关性系数；{Δ}为实测挠度向量；{S}为理论挠度向量；
所述实测加速度与理论加速度相关性系数的计算公式为：
Figure BDA0002592869880000032
式中：β为实测加速度与理论加速度相关性系数；{Α}为实测加速度位移向量；{Φ}为理论加速度向量。
进一步，所述步骤S6中是根据以下公式评定桥梁的实际承载力的：
γ＝κα+(1-κ)β；
式中：γ为综合性评价指标；κ为组合系数；κ为0.4，阀值为0.95；若γ值大于或等于设定的阀值，表示冲击荷载加载点的桥梁的支座处于正常工作状态；若γ值小于设定的阀值，表示击荷载加载点的桥梁的支座处于非正常工作状态。
进一步，所述步骤S1中试验效率系数ηd＝sd/s,其中ηd为冲击荷载下挠度的荷载效率系数，sd为冲击荷载作用下控制截面的最大变形或内力；s为设计标准荷载作用下控制界面的最大变形或内力。
优选地，所述步骤S2中所述位移传感器为LVDT传感器，加速度传感器为电磁式加速度传感器。
与现有技术相比，本发明利用落锤模拟冲击荷载对桥梁进行加载，采用位移传感器和加速度传感器测量桥梁控制截面的位移时程曲线和加速度时程曲线，将提取的动力响应与理论计算值进行对比分析，建立评估指标评定桥梁承载能力；本发明解决了常规荷载试验评定桥梁承载能力存在的周期长、成本高、对交通影响大的不足，在评估方法上克服了评估指标的随机性和方法的模糊性带来的评定的不确定性，具有方便快速，采集数据量大，评估方便准确等优点。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为冲击荷载加载检测原理、桥面挠度测点布置示意图。
图3为冲击荷载加载点实测挠度位移时程曲线图。
图4为冲击荷载加载点实测挠度加速度时程曲线图。
图5为冲击荷载加载点理论挠度位移时程曲线图。
图6为冲击荷载加载点理论挠度加速度时程曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、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的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。
如图1所示，本实施例的一种基于冲击荷载的桥梁承载力轻量化评定方法，具体步骤如下：
S1、确定对桥梁的加载冲击荷载大小和冲击荷载加载点位置：
根据桥梁设计资料和现行荷载试验规范制定桥梁冲击荷载试验方案，通过理论计算截面的试验效率系数，试验效率系数ηd＝sd/s,其中ηd为冲击荷载下挠度的荷载效率系数，sd为冲击荷载作用下控制截面的最大变形或内力；s为设计标准荷载作用下控制界面的最大变形或内力；确定对桥梁的加载冲击荷载大小和冲击荷载加载点位置，所述截面的试验效率系数介于0.95～1.00之间，位移和加速度测点布置于冲击荷载加载位置和桥梁变形受力最大处。
S2、在冲击荷载加载点位置的桥梁上布置位移和加速度测点：
如图2所示，在位移和加速度测点布置位移传感器2和加速度传感器3，所述位移传感器2和加速度传感器3布置于冲击荷载加载点位置和桥梁变形受力最大处的桥梁上，所述位移传感器2为LVDT传感器，加速度传感器3为电磁式加速度传感器，位移传感器2和加速度传感器3由数据采集控制器4采集信号并发送都计算机5进行处理。
S3、现场对桥梁的冲击荷载加载点加载冲击荷载，由数据采集控制器4采集桥梁的冲击荷载加载点实测挠度位移时程曲线和加速度时程曲线：
根据冲击荷载试验方案，采用落锤1系统将重锤做自由落体运动，冲击放置在冲击荷载加载点位置的被测桥面上的加载板，使得桥面发生变形；同时通过数据采集控制器4进行数据采集桥梁的冲击荷载加载点实测挠度位移时程曲线和加速度时程曲线，具体如图3所示为冲击荷载加载点实测挠度位移时程曲线图，图4为冲击荷载加载点实测挠度加速度时程曲线图。
S4、采用计算机5内的有限元软件建立在冲击荷载下的桥梁模型，在模型中考虑桥梁质量分布，刚度大小、边界条件和荷载分布等特性，并利用时程分析对受冲击荷载的桥梁进行理论计算，提取桥梁控制截面的理论挠度位移时程曲线和加速度时程曲线，具体如图5为冲击荷载加载点理论挠度时程曲线图，图6为冲击荷载加载点理论挠度加速度时程曲线图。
S5、基于实测挠度位移时程曲线和加速度时程曲线、理论挠度位移时程曲线和加速度时程曲线分别计算出实测挠度与理论挠度相关性系数和实测加速度与理论加速度相关性系数：
所述实测挠度与理论挠度相关性系数的计算公式为：
Figure BDA0002592869880000061
式中，α为实测挠度与理论挠度相关性系数；{Δ}为实测挠度向量；{S}为理论挠度向量；
所述实测加速度与理论加速度相关性系数的计算公式为：
Figure BDA0002592869880000062
式中：β为实测加速度与理论加速度相关性系数；{Α}为实测加速度位移向量；{Φ}为理论加速度向量。
S6、基于实测挠度与理论挠度相关性系数和实测加速度与理论加速度相关性系数，评定桥梁的实际承载力：
γ＝κα+(1-κ)β；
式中：γ为综合性评价指标；κ为组合系数；κ为0.4，阀值为0.95；若γ值大于或等于设定的阀值，表示冲击荷载加载点的桥梁的支座处于正常工作状态；若γ值小于设定的阀值，表示击荷载加载点的桥梁的支座处于非正常工作状态。
综述，本发明利用落锤模拟冲击荷载对桥梁进行加载，采用位移传感器和加速度传感器测量桥梁控制截面的位移时程曲线和加速度时程曲线，将提取的动力响应与理论计算值进行对比分析，建立评估指标评定桥梁承载能力。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于冲击荷载的桥梁承载力轻量化评定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定对桥梁的加载冲击荷载大小和冲击荷载加载点位置；
S2、在冲击荷载加载点位置的桥梁上布置位移和加速度测点；
S3、现场对桥梁的冲击荷载加载点加载冲击荷载，采集桥梁的冲击荷载加载点实测挠度位移时程曲线和加速度时程曲线；
S4、采用有限元软件建立在冲击荷载下的桥梁有限元模型，在模型中考虑桥梁质量分布，刚度大小、边界条件和荷载分布等特性，并利用时程分析对受冲击荷载的桥梁进行理论计算，提取桥梁控制截面的理论挠度位移时程曲线和加速度时程曲线；
S5、基于实测挠度位移时程曲线和加速度时程曲线、理论挠度位移时程曲线和加速度时程曲线分别计算出实测挠度与理论挠度相关性系数和实测加速度与理论加速度相关性系数；
S6、基于实测挠度与理论挠度相关性系数和实测加速度与理论加速度相关性系数，评定桥梁的实际承载力。
2.根据权利要求1所述的基于冲击荷载的桥梁承载力轻量化评定方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：根据桥梁设计资料和现行荷载试验规范制定桥梁冲击荷载试验方案，通过理论计算截面的试验效率系数，确定对桥梁的加载冲击荷载大小和冲击荷载加载点位置，所述截面的试验效率系数介于0.95～1.00之间，位移和加速度测点布置于冲击荷载加载位置和桥梁变形受力最大处。
3.根据权利要求2所述的基于冲击荷载的桥梁承载力轻量化评定方法，其特征在于：所述步骤S2中在位移和加速度测点布置位移传感器和加速度传感器，所述位移传感器和加速度传感器布置于冲击荷载加载点位置和桥梁变形受力最大处的桥梁上。
4.根据权利要求3所述的基于冲击荷载的桥梁承载力轻量化评定方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：根据冲击荷载试验方案，采用落锤系统将重锤做自由落体运动，冲击放置在冲击荷载加载点位置的被测桥面上的加载板，使得桥面发生变形；同时通过数据采集控制器进行数据采集桥梁的冲击荷载加载点实测挠度位移时程曲线和加速度时程曲线。
5.根据权利要求1所述的基于冲击荷载的桥梁承载力轻量化评定方法，其特征在于，所述步骤S5中，
所述实测挠度与理论挠度相关性系数的计算公式为：
Figure FDA0002592869870000021
式中，α为实测挠度与理论挠度相关性系数；{Δ}为实测挠度向量；{S}为理论挠度向量；
所述实测加速度与理论加速度相关性系数的计算公式为：
Figure FDA0002592869870000022
式中：β为实测加速度与理论加速度相关性系数；{Α}为实测加速度位移向量；{Φ}为理论加速度向量。
6.根据权利要求5所述的基于冲击荷载的桥梁承载力轻量化评定方法，其特征在于，所述步骤S6中是根据以下公式评定桥梁的实际承载力的：
γ＝κα+(1-κ)β；
式中：γ为综合性评价指标；κ为组合系数；κ为0.4，阀值为0.95；若γ值大于或等于设定的阀值，表示冲击荷载加载点的桥梁的支座处于正常工作状态；若γ值小于设定的阀值，表示击荷载加载点的桥梁的支座处于非正常工作状态。
7.根据权利要求2所述的基于冲击荷载的桥梁承载力轻量化评定方法，其特征在于，所述步骤S1中试验效率系数ηd＝sd/s,其中ηd为冲击荷载下挠度的荷载效率系数，sd为冲击荷载作用下控制截面的最大变形或内力；s为设计标准荷载作用下控制界面的最大变形或内力。
8.根据权利要求3所述的基于冲击荷载的桥梁承载力轻量化评定方法，其特征在于，所述步骤S2中所述位移传感器为LVDT传感器，加速度传感器为电磁式加速度传感器。
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