CN113494957B - 板桥车辆超载安全检测识别方法 - Google Patents

Abstract

一种板桥车辆超载的检测识别方法，包括步骤：第一步：不含车重时的板桥结构基频统计基准量E_f0；第二步：对待测车辆行经待测桥梁的测试断面产生的振动加速度进行监测，获得分析样本，对分析样本进行频域特征识别，获得车‑桥系统基频(f_1j)、各测点对应基频(f_1j)的归一化幅值比向量{Δ}_1j；第三步：由步骤二中归一化幅值比向量{Δ}_1j计算车‑桥系统基频模态振动的多板梁有效参与系数η_j；第四步：由步骤三中待测车辆对应的多板梁有效参与系数η_j和待测桥梁设计固有参数，计算确定超载预警系数λ₀；第五步：由步骤一中E_f0、步骤二中f_1j计算桥梁基频降低率λ_j；第六步：通过比较基频降低率λ_j与超载预警系数λ₀的大小关系，确定车辆是否超载。

Description

板桥车辆超载安全检测识别方法

技术领域

本发明涉及桥梁车辆超载检测识别技术，适用于既有、新建中小型板桥桥梁。

背景技术

重车超载对桥梁结构的安全性危害巨大，尤其对于以板桥为主要类型的既有中小型桥梁，重车超载不仅会损伤铰缝等横向连接部件，也会造成板梁结构损伤，危及行车安全。目前，对于板桥重车超载的治理主要依靠如下几方面手段：

一是通过停车称重来判定车量是否超重，这类方法的判别精度高、误判率很低，但该方法需要大量人力，且影响交通效率，而驾驶人员刻意躲避执法的情况也屡见不鲜；

二是通过视频监控，由车型外观来粗略判断车辆是否超重，这一方法的自动化程度高，但由于车量载重情况各异，仅凭视频图像展示的外观得出的判别结果可靠性低、误判率低；

三是通过在车体上安装相应的监测设备，进行超载车辆的判别，安装于车体上的载重监测设备虽可有判定车辆荷载，但一方面难于在各类车辆上强制安装，另一方面即便安装后，也难以掌控车辆的车行路线，不便管控；

四是通过在所关注的桥梁上安装相应设备进行超载车量识别的方法，这类方法多通过监测桥梁变形、位移等物理反算车辆荷载，从而完成识别工作。

发明内容

本发明公开一种桥梁超载安全检测识别新方法，通过对行车引发的桥梁振动响应进行频域特征识别统计，判定板桥上车辆超载的检测方法。

本发明技术方案原理概括为：

一种板桥车辆超载的检测识别方法，采用振动加速度作为基础分析数据，其特征在于，包括如下步骤：

第一步(step1)：在板桥跨中断面布置与板梁数量匹配的振动测点，识别监测数据的频域特征，确定该待测桥梁在不含车重时的板桥结构基频统计基准量E_f0 ，用于提供给步骤五；

第二步(step2)：对待测车辆行经待测桥梁的测试断面产生的振动加速度进行监测，获得待测车辆对应待测桥段处的分析样本，对分析样本进行频域特征识别，获得该待测车辆对应待测桥段处的车-桥系统基频(f_1j)、各测点对应基频(f_1j)的归一化幅值比向量 {Δ}_1j ；

第三步(step3)：由步骤二中归一化幅值比向量{Δ}_1j 计算车-桥系统基频模态振动的多板梁有效参与系数η_j ；

第四步(step4)：由步骤三中待测车辆对应的多板梁有效参与系数η_j 和待测桥梁设计固有参数，计算确定超载预警系数λ₀ ，用于提供步骤六；

第五步(step5)：由步骤一中的E_f0、步骤二中的f_1j 计算桥梁的基频降低率λ_j ，用于提供步骤六；

第六步(step6)：通过比较所述基频降低率λ_j 与超载预警系数λ₀ 的大小关系，确定车辆是否超载。

第一步(step1)中，对日常行车振动加速度监测数据进行基频识别，获得的基频统计直方图，再取分布的均值作为板桥基频的统计基准E_f0。

本发明首次定义了车-桥系统基频模态振动多板梁有效参与系数η_j 、车辆超载预警系数λ₀ 等关键判据指标，物理意义明确、判据简单直观。采用监测数据的频域特征量作为判据指标，力学原理明确，实现过程简洁。

采用振动加速度作为基础分析数据，相较于压力、位移、速度等物理量，加速度更易测量、数据稳定性更高，且加速度监测设备成本低廉。

附图说明

图1本发明方法原理图

图2板梁(简支梁)一阶纵向弯曲振型

图3多根板梁拼装的板桥考虑车辆荷载作用下时的一阶自振模态示意图

图4行车作用下板桥梁振动监测台阵示意图

图5典型的原始数据时程

图6典型板桥基频的识别过程(以小波时频变换方法为例)

图7实施例板桥基频(不含车重)统计基准值确定

图8实施例待判定车辆行经监测断面产生的有效分析样本加速度时程

图9实施例车-桥系统一阶频率与一阶频响归一化幅值识别结果

具体实施方式

基于振动加速度作为基础样本分析数据，本发明首次公开一种板桥车辆超载的检测识别方法，在本领域属于首创，无接近现有技术。为此，以下介绍“车量超载的判定”技术方案原理(推理过程)，并结合附图对场景辅以解释。

一、给出定义及分析

(1)首先由单根板梁定义λ₀来描述理论问题

(a)板梁一阶自振频率f₀、一阶模态质量M₁、一阶模态刚度K₁

设待测桥梁板桥由单根板梁组成，问题退化为板梁情况，其实际支撑条件可由欧拉简支梁模型描述，设板桥每根板梁的质量为m₀，一阶弯曲振动的形函数可取为

板梁一阶模态质量为M₁＝m₀/2，则有

式中，f₀为简支板梁的一阶自振频率，K₁为一阶模态刚度，m₀为单根板梁总质量，(如图2(a)，图2中L为板梁计算跨度)。

(b)车-桥系统一阶频率

设板梁上行车的车辆荷载达到桥梁设计限载质量m_s时(如图2(b))，令

C_s＝m_s/M₁＝2m_s/m₀ (4)

C_s为桥梁设计限载质量系数，M₁为板梁一阶模态质量，m_s为桥梁设计限载质量，m₀为单根板梁总质量。

则此时的车-桥系统一阶自振频率

由式(3)修正为式(5)

(c)超载预警系数λ₀定义如下：

将式(4)、(5)代入式(6)，可得到由设计限载质量系数C_s表达的λ₀：

综合式(6)、(7)可见，λ₀的物理意义是：当板桥上所行驶车辆刚好达到桥梁设计车辆限载时，车-桥系统基频与不考虑附加车辆荷载桥基频的变化率，当车辆重量超过桥梁设计限载质量m_s时，车-桥系统基频小于

相应的基频变化率必将大于λ₀，即超载；否则不超载。

(2)再由多板梁组成的板桥车辆超载预警系数λ₀来描述实际问题

(a)当板桥由多根板梁拼装而成时，作用于某根板梁上的车载经由横向联系构件传至其它板梁，这一传递效应可由板桥一阶纵向模态的断面幅值比表征，而该幅值与断面各响应点(监测点)一阶频响幅值比对应，如图3所示。单根板梁推导过程，相当于多根板梁以相同的振型曲线均匀参与，即板桥横向刚度无限大的情况；但实际工程中，板桥横向刚度并非无限大，而是具有一定横向传递效应的弹性板，故在车辆荷载作用下，将产生图3所示的一阶振动整体响应模态。

若每根板梁下均布置至少一个监测点，n个监测点，图3中的断面频响幅值比向量{Δ}_j可表达为。

{Δ}_j＝{A_j1 … A_ji … A_jn} (8)

式中，A_ji定义为经向量{Δ}_j中最大值元素归一化后的相对比值,A_ji≤1。

(b)设由n根桥梁组成的板桥一阶模态振动多板梁有效参与系数η_j

显然，由于A_ji≤1，η_j必然是不大于1的值，当η_j＝1时，问题退化至单根板梁分析情况。

于是针对于实际工程中的多根板梁拼装而成的板桥，当桥面行驶车辆的质量刚好为桥梁车辆限载值m_s时，式(4)、式(5)和式(7)就分别修正为式(10)～式(12)

式中，各量的说明与前文同。显然，λ₀的物理意义与前述相同，表示当板桥上所行驶车辆刚好达到桥梁设计车辆限载时，车-桥系统基频与不考虑附加车辆荷载桥基频的变化率。基于此，可通过分析车-桥系统基率降低率λ_j来判定行驶于桥面的车辆是否超载。

由以上公式(4)、公式(12)理论可知，所述超载预警系数λ₀由限载质量系数Cs、桥梁设计自重、板梁设计数量n这些桥梁设计的固有属性决定，这些参数均可通过查阅档案获得。

二、采用基频变化量判定车量超载的原理

首先，分析车-桥系统基频降低率λ_j

设质量为m_j的车辆在板桥上行驶时，车-桥系统基频相较于无车的桥梁基频降低率为λ_j。令

C_s,j＝m_j/M₁ (13)

式中M₁为板桥一阶模态质量。与式(12)类似，得：

式中，

为车(质量m_s)-桥系统基频，由理论表达由式(15)给出。实际工程中，

就是车-桥系统频率，由实测获得。

进一步，由式(13)、(14)可得：

而由式(4)、式(12)可得：

将式(16)与式(17)相除，得：

由λ_j和λ₀的大小关系，由式(18)有三种结果：

最后，得以判断：可见，通过获得车-桥系统基频降低率λ_j，并将之与板桥车辆超载预警系数λ₀进行比较，即可判定车辆是否超载。

实际工程中，λ_j是通过实测获得，λ₀则通过实测和理论相结合计算获得，从而达到判定车辆是否超载的目标。实际工程中，车-桥系统频率可由车辆行经产生的车-桥振动响应进行频域分析后识别获得。

作为实施方式，以下给出监测样本的采集获取和处理，以获得板桥基频率统计基准E_f0。但这部分不是本发明技术方案的核心部分。

三、板桥基频率统计基准E_f0的获得

(1)行车振动监测数据分析样本[S]

(a)如图4所示监测点与板梁数量相匹配，测线断面位于板梁纵向跨中，获得各测点的原始监测数据集[R](对应板梁沿垂向振动方向)：

[R]＝[r₁ … r_i … r_n]

对原始数据[R]进行多点同步、基线校准等初步处理后，典型监测样本见图5所示。

(b)原始数据集r_i中包括行车产生的强迫振动段和无车脉动段两类成份，车辆通过监测断面时，板梁产生明显的竖向振动。将这些振动显著的时段进行二次截段后可获得分析子样本s_ji，令任一次原始数据r_i中包括m个子样本，可得到分析样本集[S]，

其中任一行数据对应的典型分析子样时程如图6所示。

(2)板桥基频统计基准E_f0

(a)板桥基频识别

板桥的基频对应板梁一阶纵向弯曲振型，板桥基频指仅包含自重(不含车重)的一阶固有频率。

依照《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01-2015)中6.6.2条第(4)款的相关要求，对本发明分析样本集[S]给出的任一行子样本，选取样本中对应车辆驶离本桥段后的余振信号(如图6中的“桥梁拖尾自振段”)作为结构一阶自振频率的识别依据。

实际的监测数据判断时域信号的余振部分有难度，本发明通过对样本进行时频分析，选择拖尾时频能量谱嵴线(图6中的红色虚线)对应的频率作为板梁一阶自振频率(无附加车辆荷载)的识别值f_0j(下标j表示采用第j个子样分析获得的一阶自振频率)。

(b)板桥基频统计基准E_f0

选取不少于24h的持续在线监测数据子样(子样编号为1,2,…,m)，均进行与图3类似的一阶自振频率识别，可得到板桥基频(不考虑附加车辆荷载时的一阶自振频率)识别结果的大样本统计分布，取统计分布的均值作为不考虑附加车辆荷截获时的板桥基频统计基准值E_f0，并令f₀＝E_f0。

通过对某实际板桥日常行车振动加速度监测数据进行基频识别后，获得的基频统计直方图，取分布的均值作为板桥基频的统计基准E_f0。

四、实例

(1)某空心板梁桥，板梁安装就位后面层铺钢筋混凝土整浇层，共8根板梁，基于桥梁基础资料可知，板梁为跨度22m的简支梁，单根板梁重量(含面层)为25吨；

(2)板桥设计车辆限载30吨，相应的C_s＝30/(25/2)＝2.4；

(3)选取板梁纵向跨中为测线位置，布置与板梁数量匹配的8个振动监测点(p1,p2，…，p8)，基于监测台站进行的48h预监测数据样本，获得板桥基频(不含车重)统计基准值E_f0＝4.64Hz；图7所示。

(4)待判定车辆行经测线获得的实时监测样本数据加速度时程如图8所示，经时-域变换后所得的频谱与一阶频响幅值比的识别结果见图9所示

(5)超载判定

(a)计算多板梁组成的板桥一阶模态振动有效参与系数η_j

(b)板桥车辆超载预警系数λ₀，将n＝8及C_s、η_j代入式(12)

(c)计算待评估车辆作用下车-桥系统基频变化率λ_j(本例中j＝1，下同)

据实测，由图9可见，车-桥系统基频识别结果为

可得

(d)比较判定：

λ_j>λ₀，判定该辆车超载。即可提示风险。

Claims (1)

1.一种板桥车辆超载的检测识别方法，采用振动加速度作为基础分析数据，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：在板桥跨中断面布置与板梁数量匹配的振动测点，识别监测数据的频域特征，确定待测板桥在不含车重时的板桥结构基频统计基准量E_f0，用于提供给步骤五；其中E_f0的取值为：选取不少于24h的持续在线监测数据子样，均进行一阶自振频率识别，得到板桥基频识别结果的大样本统计分布，取统计分布的均值作为不考虑附加车辆荷截获时的板桥结构基频统计基准量E_f0；

步骤二：对待测车辆行经待测板桥的测试断面产生的振动加速度进行监测，获得待测车辆对应待测桥段处的分析样本，对分析样本进行频域特征识别，获得该待测车辆对应待测桥段处的车-桥系统基频f_1j、各测点对应基频f_1j的归一化幅值比向量{Δ}_1j；具体为：板桥由n根板梁组成，若每根板梁下均布置至少一个监测点，共n个监测点，断面频响幅值比向量{Δ}_j可表达为

{Δ}_j＝{A_j1 … A_ji … A_jn}

式中，A_ji定义为经向量{Δ}_j中最大值元素归一化后的相对比值,A_ji≤1；

步骤三：由步骤二中归一化幅值比向量{Δ}_1j计算车-桥系统基频模态振动的多板梁有效参与系数η_j；

步骤四：由步骤三中待测车辆对应的多板梁有效参与系数η_j和待测板桥设计固有参数，计算确定超载预警系数λ₀，用于提供步骤六；其中：设由n根板梁组成的板桥一阶模态振动多板梁有效参与系数η_j

由于A_ji≤1，η_j必然是不大于1的值，当η_j＝1时，问题退化至单根板梁分析情况；

式中，f₀为板桥一阶自振频率，

为车-桥系统一阶自振频率，C_s为桥梁设计限载质量系数；λ₀的物理意义表示当板桥上所行驶车辆刚好达到桥梁设计车辆限载时，车-桥系统基频与不考虑附加车辆荷载桥基频的变化率；基于此，通过分析桥梁基频降低率λ_j来判定行驶于桥面的车辆是否超载；所述超载预警系数λ₀由限载质量系数Cs、桥梁设计自重、板梁设计数量n这些桥梁设计的固有属性决定，这些参数均通过查阅档案获得；

步骤五：由步骤一中的E_f0、步骤二中的f_1j计算板桥的桥梁基频降低率λ_j，用于提供步骤六；具体为：

设质量为m_j的车辆在板桥上行驶时，车-桥系统基频相较于无车的桥梁基频降低率λ_j，令

C_s,j＝m_j/M₁

式中M₁为板桥一阶模态质量，得：

式中，

为车-桥系统基频，由理论表达式

给出，其中，M₁为一阶模态质量、K₁为一阶模态刚度；实际工程中，

就是车-桥系统频率，由实测获得；

步骤六：通过比较所述桥梁基频降低率λ_j与超载预警系数λ₀的大小关系，确定车辆是否超载，具体为

实际工程中，λ_j是通过实测获得，λ₀则通过实测和理论相结合计算获得，从而达到判定车辆是否超载的目标。

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