CN113239481A - 一种32米高铁标准简支梁的动挠度监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种32米高铁标准简支梁的动挠度监测方法,涉及一种动挠度监测方法。基于Ansys有限元数值模拟提取关键测点的位移和应变影响线;建立UM多体动力学模型提取关键测点的位移与应变时程曲线;基于桥梁两车道列车荷载偏载分布和桥面广义节点外荷载稀疏分布,应变影响线采用l1正则化稀疏重构反演等效广义节点外荷载,和位移影响线重构全桥位移场,求解等效广义节点外荷载确定最佳正则化参数;计算重构与理论或者实测的时程位移向量之间的相对误差百分比验证准确性。基于桥梁关键测点的应变影响线采用l1正则化稀疏重构理论重构等效广义节点外荷载,解决列车偏载弯扭耦合作用下不符合平截面假设的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种动挠度监测方法,尤其是一种32米高铁标准简支梁的动挠度监测方法,属于高铁桥梁健康监测技术领域。
背景技术
截止到2020年,我国的高速铁路营业总里程超过3.5万公里,高铁桥梁总数达到3万多座其总里程突破1.6万公里,是世界第一的高速铁路桥梁大国。高铁桥梁作为高速铁路交通中的咽喉和要道,其安全与否直接影响到交通的正常运行和国民经济的发展。而如此巨大体量的高铁桥梁中85%以上为等跨径布置的预应力混凝土简支箱梁桥,其在长期服役过程中由于受到气候、环境等自然因素和人为因素的影响,难以避免出现逐渐老化和局部损坏,进而导致其承载能力逐渐下降,成为病害桥梁,其正常使用阶段的安全性和耐久性已经成为关系桥梁结构安全运营的关键问题,一旦出现破坏,将造成严重的经济损失和恶劣的社会影响。在历经近十几年大规模建设后,我国高速铁路主要采用的32米标准梁将全面迎来养护期。目前,桥梁的检测、评估与维护均采用定期检测,需要耗费巨大的人力、物力、财力,不能做到在线实时监测桥梁安全状况,桥梁一旦发生损伤难以及时发现和采取补救措施。
因此,为了保证在役高铁桥梁的健康运营,需要对高铁32米标准梁的健康情况进行长期监测,而桥梁动态挠度是评价桥梁竖向刚度的主要判断依据及分析桥梁受力变形和动力响应的主要控制参数,所以高铁32米标准梁的动挠度监测对于运行安全性和结构损伤评估是十分重要的。在长期的桥梁结构检测、验收和鉴定工作中,国内外学者、检测人员总结了多种桥梁挠度测量方法,其中典型测量方法包括:精密水准仪测量法、全站仪测量法、光电成像和CCD法、PSD激光测量法、GPS法、加速度传感器积分法、百分表法、悬锤法、连通管式测量法、位移传感器直接测量法、倾角仪传感器间接测量法等,但普遍存在成本高、精度低、不易安装与维护、需要静态参考点、易受天气影响等局限性。
近年来随着桥梁健康监测技术的发展,通过利用桥梁结构的应变-位移关系来识别出结构的挠曲线,是一种间接测量变形的方法,这类方法适用于简单梁式桥梁的挠度测量。但是目前的分析方法都是将桥梁梁体简化为欧拉-伯努利梁,假设桥梁断面的变形符合平截面假定,而对于高铁32米标准梁上列车荷载偏载分布的特点,在弯扭耦合作用下传统的“应变-动挠度”转化方程不能够成立。因此,如何测试高铁32米标准梁在弯扭耦合作用下的动态挠度是一个亟待解决的难题,开展列车偏载作用下考虑弯扭耦合效应的32米高铁标准简支梁动挠度监测方法的研究具有重要的现实意义。
发明内容
为解决高铁32米标准梁列车偏载弯扭耦合作用下不符合平截面假定,基于初等梁理论的“应变-动挠度”转化方程不再成立,本发明提供一种32米高铁标准简支梁的动挠度监测方法,它提出了一种基于桥梁关键测点的应变影响线采用l1正则化稀疏重构理论重构等效广义节点外荷载,从而实现动挠度监测的方法,能够适用于解决列车偏载弯扭耦合作用下不符合平截面假设的问题。
为实现上述目的,本发明采取下述技术方案:一种32米高铁标准简支梁的动挠度监测方法,包括以下步骤:
步骤1:基于Ansys有限元数值模拟提取桥面轨道线上单位荷载作用下布置在桥梁底板的关键测点的位移影响线和应变影响线;
步骤2:建立32米高铁标准简支梁的UM多体动力学模型,设置列车分别以不同的速度行驶过桥梁,设置采样频率,提取桥梁底板各个关键测点的位移与应变时程曲线作为UM数值模拟算法验证的数据集;
步骤3:基于桥梁两车道列车荷载偏载分布和桥面广义节点外荷载稀疏分布的特点,基于桥梁关键测点的应变影响线采用l1正则化稀疏重构理论反演桥面上具有特定时空分布的等效广义节点外荷载,基于等效广义节点外荷载和关键测点的位移影响线重构全桥位移场,基于凸优化算法对等效广义节点外荷载进行求解,求解过程中利用L形曲线法则确定出最佳正则化参数;
步骤4:采用UM数值模拟数据集和联调联试动载试验数据集,计算重构的时程位移向量与理论或者实测的时程位移向量之间的相对误差百分比来衡量误差大小从而验证本发明算法的准确性。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明针对我国高速铁路主要采用的32米标准梁两车道列车荷载偏载分布的特点,提出了一种基于桥梁关键测点的应变影响线采用l1正则化稀疏重构理论重构等效广义节点外荷载,从而实现动挠度监测的方法,能够适用于解决列车偏载弯扭耦合作用下不符合平截面假设的问题,可以作为桥梁健康监测实时预警子系统的组成部分,直接实时地对桥梁关键断面的预测挠度是否超限进行判断识别,提高桥梁健康监测实时预警子系统智能识别的自动化、智能化、准确性和鲁棒性,为桥梁健康监测动挠度在线实时预警子系统的建立提供了解决方案。
附图说明
图1是本发明实施例Ansys有限元模型的效果图;
图2是本发明实施例Ansys、UM软件建模数值模拟与动载试验现场桥梁底板传感器测点布置示意图;
图3是本发明实施例UM多体动力学模型的效果图;
图4是本发明实施例UM中320km/h速度下各关键断面代表性测点重构位移与理论位移时程对比图;
图5是本发明实施例动载试验320km/h速度下各关键断面代表性测点重构位移与实测位移时程对比图。
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。
一种32米高铁标准简支梁的动挠度监测方法,包括以下步骤:
步骤1:基于Ansys有限元数值模拟提取桥面轨道线上单位荷载作用下布置在桥梁底板的关键测点的位移影响线和应变影响线。
1.1根据桥梁设计图纸采用Ansys实体单元建立有限元模型,将梁体的设计弹性模量、容重和桥面二期恒载的大小作为修正参数对有限元模型进行修正,满足修正后其第一阶频率与现场动载试验实测的第一阶频率之间的相对误差在2%以内,则认定Ansys有限元模型的力学性能代表实际桥梁,根据现场动载试验在箱梁底板中心线上安装竖向加速度传感器采集加速度信号计算出桥梁实测的第一阶频率,箱梁底板中心线上选取5个测点安装竖向加速度传感器,包括桥梁L/4、L/2和3L/4共3个断面分别与箱梁底板中心线交汇的3个点位,以及箱梁底板中心线上与梁体两端邻近的2个点位;
1.2在箱梁底板选取6个关键测点安装应变传感器和位移传感器,包括桥梁L/4、L/2和3L/4共3个断面分别与箱梁底板中心线和列车上行车道一侧的腹板底部中心线交汇的6个点位,对列车上行车道一侧的桥梁不同横断面的两条轨道线上的两个节点分别施加0.5KN的力,提取布置在桥梁底板的所关心桥梁关键测点的位移影响线和应变影响线。
步骤2:建立32米高铁标准简支梁的UM多体动力学模型,设置列车分别以不同的速度行驶过桥梁,设置采样频率,提取桥梁底板各个关键测点的位移与应变时程曲线作为UM数值模拟算法验证的数据集。
2.1在UM多体动力学仿真软件建立包含8节编组的列车,刚体分为轮对、转向架及车体,轮对与转向架之间通过一系悬挂系统连接,转向架与车体之间通过二系悬挂系统连接,通过给定列车初始状态最终完成车-轨系统的建立,按照设计说明在UM多体动力学仿真软件中对桥梁的支座区域施加刚度约束,并根据中国铁路规范标准设置轨道的轨距、轨道重量和轨道谱参数;
2.2在UM多体动力学仿真软件中建立轨道时采用连续弹性基础梁模型,将轨道视为弹性的连续梁,将轨道下的基础在竖向上视为并联线性弹簧阻尼系统联接,在横向上视为串联线性弹簧阻尼系统联接,设置列车分别以不同的速度行驶过桥梁,设置提取数据的采样频率,提取各个关键测点的位移与应变时程曲线作为UM数值模拟算法验证的数据集。
步骤3:基于桥梁两车道列车荷载偏载分布和桥面广义节点外荷载稀疏分布的特点,基于桥梁关键测点的应变影响线采用l1正则化稀疏重构理论反演桥面上具有特定时空分布的等效广义节点外荷载,基于等效广义节点外荷载和关键测点的位移影响线重构全桥位移场,基于凸优化算法对等效广义节点外荷载进行求解,求解过程中利用L形曲线法则确定出最佳正则化参数。
3.1动力荷载作用下考虑结构弹性抗力、荷载冲击力、惯性力、粘滞阻尼力的综合影响,结构的多自由度运动方程可以表示为:
其中,v代表梁体的竖向位移,p(t)代表作用在桥上的外荷载即列车荷载,Φ矩阵代表关键测点的位移影响线矩阵,m代表质量,c代表阻尼系数,k代表刚度;
3.2列车沿着给定的轨道线在桥上行驶并且其各个车轴独立地作用在桥上,根据公式(2)可得在列车各个车轴作用下引起的关键测点应变响应可以表示为:
其中,εm×1代表τ时刻桥梁m个关键测点位置的应变响应矩阵,Ψm×n代表m个关键测点位置的应变影响线矩阵,其每一行代表某一个关键测点位置的应变影响线,n代表有限元建模时桥梁轨道线沿纵桥向划分单位后生成的节点个数,xn代表某一个关键测点应变影响线上的第n个节点位置坐标,代表τ时刻作用在桥上n个节点位置处的等效广义节点外荷载;
3.3根据所测的桥梁m个关键测点位置的应变响应矩阵和l1正则化稀疏重构理论重构m个关键测点位置的等效广义节点外荷载,其目标函数可以表示为:
其中,α代表正则化系数,δ为采用等效广义节点外荷载重构应变响应时控制的相对误差大小,本方案中取δ=2%则认为已经具有足够的重构精度,基于凸优化算法求解出等效广义节点外荷载的估计值求解过程中采用L形曲线法则确定出最佳正则化参数,根据重构的等效广义节点外荷载的估计值预测m个关键测点位置的位移:
步骤4:采用UM数值模拟数据集和联调联试动载试验数据集,计算重构的时程位移向量与理论或者实测的时程位移向量之间的相对误差百分比来衡量误差大小从而验证本发明算法的准确性。
4.1采用UM数值模拟数据集,基于等效广义节点外荷载和关键测点的位移影响线重构全桥位移场,采用相对误差百分比RPEi(i=1,2…m)来衡量各个关键测点重构的时程位移向量与理论或者实测的时程位移向量之间的误差大小:
其中,vpre为重构的时程位移向量,vreal为理论的时程位移向量。
实施例:通过结合Ansys有限元建模、UM多体动力学仿真数据集和32米高铁标准简支梁动载试验进行说明。
针对32米高铁标准简支梁进行通车前的联调联试动载试验,依据设计图纸建立Ansys有限元实体单元模型,考虑预应力和二期恒载的建模,将梁体的设计弹性模量、容重以及桥面二期恒载大小作为修正参数对有限元模型进行修正,Ansys模型分析中共有6个关键测点作为桥梁动应变的监测点,选取L/4、L/2、3L/4处的断面作为关键断面,Ansys、UM软件建模数值模拟与动载试验现场桥梁底板传感器关键测点布置参照图1、图2所示。
步骤1:在Ansys有限元模型中提取桥梁底板如图2中1-6号关键测点在桥面轨道线单位荷载作用下的位移影响线和应变影响线,对列车上行车道一侧的桥梁不同横断面的两条轨道线上的两个点分别施加0.5KN的力,提取所关心桥梁关键测点的位移影响线和应变影响线,依据联调联试动载试验所测的加速度数据进行功率谱分析得到第一阶自振频率为5.86Hz,对Ansys模型进行修正后第一阶频率为5.81Hz,相对误差0.85%,可以认为Ansys有限元模型的静、动力性能可以很好的代表实际桥梁;
步骤2:采用UM多体动力学仿真软件建立包含8节编组的列车,轮对与转向架之间通过一系悬挂系统相互联系,转向架与车体之间通过二系悬挂系统相互联系。通过给定车辆初始状态最终完成车-轨系统的建立,按照设计说明在UM中对桥梁的支座区域施加刚度约束,并根据中国铁路规范标准,设置轨道的轨距、轨道重量和轨道谱参数,完成轨道模型的构建。在UM软件中建立轨道时采用连续弹性基础梁模型,该模型将轨道视为弹性的连续梁,将轨道下的基础在竖向上视为并联线性弹簧阻尼系统联接,在横向上视为串联线性弹簧阻尼系统联接。同样采用图2中桥梁底板传感器的测点布置,在列车上行工况下,设置列车分别以320km/h和350km/h的速度从距桥头100m的轨道上出发行驶过桥梁,采样频率设置为200Hz,提取1-6号关键测点的位移与应变时程曲线作为UM数值模拟算法验证的数据集,参照图3为UM多体动力学模型的效果图;
步骤3:采用UM多体动力学数值模拟数据集,基于桥梁两车道列车荷载偏载分布和桥面广义节点外荷载稀疏分布的特点,基于桥梁关键测点的应变影响线采用l1正则化稀疏重构理论重构桥面上具有特定时空分布的等效广义节点外荷载,基于凸优化算法对等效广义节点外荷载进行求解,求解过程中利用L形曲线法则确定出最佳正则化参数为7.027e-08,基于重构的等效广义节点外荷载和1-6号关键测点的位移影响线重构出1-6号关键测点的位移时程曲线参照图4所示;
步骤4:基于UM多体动力学数值模拟数据集,由表1中可以看出,在不同的速度级别下,本发明所提算法重构的1-6号关键测点的时程位移与真实的时程位移的相对误差百分比RPEi都在5%以内,最大为2.87%,表明重构值与真实值吻合良好,验证了本发明所提方法的有效性、准确性。参照图2所示动载试验现场关键测点布置,在现场32米标准梁的L/4、L/2、3L/4共3个断面的梁底分别安装应变、位移、竖向加速度传感器,安装传感器之前,用砂纸对关键测点进行打磨,保证传感器粘贴的牢固可靠,位移传感器加固稳定保证所测数据的准确性,1-6号关键测点同时布设应变传感器和位移传感器,箱梁底板中心线上的7、4、5、6、8号关键测点安装竖向加速度传感器,采集的加速度信号用于计算桥梁基频,根据桥梁基频实现Ansys有限元模型修正。动载试验过程中当列车上行行驶时,可以得到各个速度级别下1-6号关键测点所测应变和位移,基于本发明的算法,采用列车上行时1-6号关键测点的实测应变预测出1-6号关键测点的位移并与1-6号关键测点的实测位移进行对比验证,进而完成本发明中所提算法的精度验证。
参照图5所示,以动载试验速度为320km/h的列车上行行驶为例,各关键断面代表性测点的重构时程位移与理论时程位移吻合良好,由表2可以看出,在动载试验不同的测试速度级别下,本发明算法重构的1-6号关键测点的时程位移与实测的时程位移的相对误差百分比大多都在5%以内,最大为5.47%,表明重构值与真实值吻合良好,证明了该方法的有效性、准确性,以及在高铁桥梁动挠度健康监测系统中大规模应用的实用性。
表1UM数值模拟不同速度下各个测点重构时程位移的相对误差百分比RPEi
速度级别(km/h) | 测点1 | 测点2 | 测点3 | 测点4 | 测点5 | 测点6 |
320 | 2.81% | 1.25% | 1.29% | 2.32% | 1.52% | 1.69% |
350 | 2.78% | 2.05% | 2.07% | 2.87% | 1.73% | 2.85% |
表2动载试验不同速度下各个测点重构时程位移的相对误差百分比RPEi
速度级别(km/h) | 测点1 | 测点2 | 测点3 | 测点4 | 测点5 | 测点6 |
320 | 4.38% | 2.57% | 4.76% | 4.32% | 2.91% | 5.25% |
350 | 5.07% | 3.25% | 4.64% | 3.61% | 3.52% | 5.47% |
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32米高铁标准简支梁的动挠度监测方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤1:基于Ansys有限元数值模拟提取桥面轨道线上单位荷载作用下布置在桥梁底板的关键测点的位移影响线和应变影响线,
1.1根据桥梁设计图纸采用Ansys实体单元建立有限元模型,将梁体的设计弹性模量、容重和桥面二期恒载的大小作为修正参数对有限元模型进行修正,满足修正后其第一阶频率与现场动载试验实测的第一阶频率之间的相对误差在2%以内,则认定Ansys有限元模型的力学性能代表实际桥梁,根据现场动载试验计算出桥梁实测的第一阶频率;
1.2对列车上行车道一侧的桥梁不同横断面的两条轨道线上的两个节点分别施加0.5KN的力,提取布置在桥梁底板的所关心桥梁关键测点的位移影响线和应变影响线;
步骤2:建立32米高铁标准简支梁的UM多体动力学模型,设置列车分别以不同的速度行驶过桥梁,设置采样频率,提取桥梁底板各个关键测点的位移与应变时程曲线作为UM数值模拟算法验证的数据集,
2.1在UM多体动力学仿真软件建立包含8节编组的列车,刚体分为轮对、转向架及车体,轮对与转向架之间通过一系悬挂系统连接,转向架与车体之间通过二系悬挂系统连接,通过给定列车初始状态最终完成车-轨系统的建立,按照设计说明在UM多体动力学仿真软件中对桥梁的支座区域施加刚度约束,并根据中国铁路规范标准设置轨道的轨距、轨道重量和轨道谱参数;
2.2在UM多体动力学仿真软件中建立轨道时采用连续弹性基础梁模型,将轨道视为弹性的连续梁,将轨道下的基础在竖向上视为并联线性弹簧阻尼系统联接,在横向上视为串联线性弹簧阻尼系统联接,设置列车分别以不同的速度行驶过桥梁,设置提取数据的采样频率,提取各个关键测点的位移与应变时程曲线作为UM数值模拟算法验证的数据集;
步骤3:基于桥梁两车道列车荷载偏载分布和桥面广义节点外荷载稀疏分布的特点,基于桥梁关键测点的应变影响线采用l1正则化稀疏重构理论反演桥面上具有特定时空分布的等效广义节点外荷载,基于等效广义节点外荷载和关键测点的位移影响线重构全桥位移场,基于凸优化算法对等效广义节点外荷载进行求解,求解过程中利用L形曲线法则确定出最佳正则化参数,
3.1动力荷载作用下考虑结构弹性抗力、荷载冲击力、惯性力、粘滞阻尼力的综合影响,结构的多自由度运动方程表示为:
其中,v代表梁体的竖向位移,p(t)代表作用在桥上的外荷载即列车荷载,Φ矩阵代表关键测点的位移影响线矩阵,m代表质量,c代表阻尼系数,k代表刚度;
3.2列车沿着给定的轨道线在桥上行驶并且其各个车轴独立地作用在桥上,根据公式(2)可得在列车各个车轴作用下引起的关键测点应变响应可以表示为:
其中,εm×1代表τ时刻桥梁m个关键测点位置的应变响应矩阵,Ψm×n代表m个关键测点位置的应变影响线矩阵,其每一行代表某一个关键测点位置的应变影响线,n代表有限元建模时桥梁轨道线沿纵桥向划分单位后生成的节点个数,xn代表某一个关键测点应变影响线上的第n个节点位置坐标,代表τ时刻作用在桥上n个节点位置处的等效广义节点外荷载;
3.3根据所测的桥梁m个关键测点位置的应变响应矩阵和l1正则化稀疏重构理论重构m个关键测点位置的等效广义节点外荷载,其目标函数可以表示为:
其中,α代表正则化系数,δ为采用等效广义节点外荷载重构应变响应时控制的相对误差大小,基于凸优化算法求解出等效广义节点外荷载的估计值求解过程中采用L形曲线法则确定出最佳正则化参数,根据重构的等效广义节点外荷载的估计值预测m个关键测点位置的位移:
步骤4:采用UM数值模拟数据集和联调联试动载试验数据集,计算重构的时程位移向量与理论或者实测的时程位移向量之间的相对误差百分比来衡量误差大小从而验证本发明算法的准确性,
4.1采用UM数值模拟数据集,基于等效广义节点外荷载和关键测点的位移影响线重构全桥位移场,采用相对误差百分比RPEi(i=1,2…m)来衡量各个关键测点重构的时程位移向量与理论或者实测的时程位移向量之间的误差大小:
其中,vpre为重构的时程位移向量,vreal为理论的时程位移向量。
2.根据权利要求1所述的一种32米高铁标准简支梁的动挠度监测方法,其特征在于:所述步骤1的1.1中计算桥梁实测的第一阶频率时,在箱梁底板中心线上选取5个测点安装竖向加速度传感器采集加速度信号,所述5个测点包括桥梁L/4、L/2和3L/4共3个断面分别与箱梁底板中心线交汇的3个点位,以及箱梁底板中心线上与梁体两端邻近的2个点位。
3.根据权利要求1所述的一种32米高铁标准简支梁的动挠度监测方法,其特征在于:所述步骤1的1.2中提取关键测点的位移影响线和应变影响线时,在箱梁底板选取6个关键测点安装应变传感器和位移传感器,所述6个关键测点包括桥梁L/4、L/2和3L/4共3个断面分别与箱梁底板中心线和列车上行车道一侧的腹板底部中心线交汇的6个点位。
4.根据权利要求1所述的一种32米高铁标准简支梁的动挠度监测方法,其特征在于:所述步骤3的3.3中取δ=2%则认为具有足够的重构精度。
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