CN113627060A - 一种基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及桥梁承载能力测试技术领域，尤其涉及一种基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法，参考《评定规程》当桥梁作用效应与抗力效应的比值在1.0～1.2之间时，根据本发明所公开的方法进行桥梁承载能力快速评定，需要进行桥梁准静态快速荷载试验，通过试验数据获得挠度影响线，并通过试验数据修正有限元模型，分别通过在挠度影响线和修正有限元模型上做虚拟荷载试验加载得到检测点的挠度虚拟实测值f1，根据有限元模型得到检测点的挠度理论值f2，计算快速荷载试验校验系数ζk，从而快速评定桥梁结构健康状况。在荷载试验之前先进行准确的准静态快速荷载试验，节约了大量的人力、物力、财力，同时减少了对桥梁日常交通通行的影响。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁承载能力测试技术领域，尤其涉及一种基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法。
背景技术
对于公路梁式桥承载能力的评定，由于受限于桥梁设计荷载等级、施工方法与质量、材料性能好坏及结构完好状况等众多因素影响，一般难以对桥梁结构状态进行定量分析。大多对桥梁承载能力的测评主要以外观调查、检测评定并铺以载荷试验来进行。桥梁外观检查和检算虽能快速检评桥梁结构状态，但由于受主观因素影响，精度较差；荷载试验精度虽高但费时费力，且需长时段中断交通。
我国现有的公路桥梁承载能力评定方法，采用引入分项检算系数(z1和z2)修正极限状态设计表达式的方法对在用桥梁承载能力进行检测评定。通过多年实践发现，z1的取值偏于保守，一般z1＜1，即是对桥梁抗力折减，但是往往在需要做荷载试验的时候，最后计算z2＞1，即在绝大部分通过z1无法确定桥梁是否安全的情况下，经历过荷载试验过后判定桥梁结构是安全的。所以若在进行荷载试验之前有更准确的方法判定桥梁结构的承载能力，那么可以减少一部分荷载试验数量，也就节约了大量的人力、物力、财力，并且也会减少对桥梁日常交通通行的影响。
鉴于上述问题的存在，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法，使其更具有实用性。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术中存在的缺陷提供一种基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法，能够减少梁式桥承载能力测评过程中荷载试验的工作量。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法，包括如下步骤：
S1：通过分析软件对桥梁建模，得到有限元模型；
S2：检测桥梁的健康状况并输入有限元模型中，修正桥梁的结构抗力效应R和荷载作用效应S；
S3：计算桥梁荷载作用效应S与结构抗力效应R的比值，当1.0≤S/R≤1.2时实施步骤S4，当S/R＞1.2时实施步骤S7，当S/R＜1.0时实施步骤S8；
S4：进行准静态快速荷载实验并计算快速荷载试验校验系数ζk，当ζk＞1时实施步骤S5，当ζk≤1时实施步骤S6；
S5：进行荷载试验并计算荷载试验校验系数ζ，当ζ≤1时实施步骤S6，当ζ＞1时实施步骤S7；
S6：根据计算出的校验系数在检算系数表中对应得到检算系数Z2，并用检算系数Z2替换检算系数Z1，实施步骤S2；
S7：判定桥梁的承载能力不足；
S8：判定桥梁的承载能力足够。
进一步地，通过准静态快速荷载试验数据获得挠度影响线，并通过试验数据修正有限元模型，分别通过在挠度影响线和修正有限元模型上做虚拟荷载试验加载得到检测点的挠度虚拟实测值f1，根据桥梁有限元模型得到检测点的挠度理论值f2，通过如下公式计算快速荷载试验校验系数ζk：
ζk=1.1* f1/ f2。
进一步地，通过挠度影响线获取检测点的挠度虚拟实测值f1包括如下步骤：
S41：采用三轴试验加载车，确定并列设置的三个轴中相邻两轴间的间距分别为t和s，设定三轴轴重分别为Q、P和N；
S42：沿桥梁车道方向设置至少两条检测路径，通过试验加载车沿路径缓慢移动并记录挠度数据；
S43：将挠度数据拟合转换成挠度曲线并得到挠度曲线方程G(X)；
S44：设定挠度影响线方程为F(X)，根据如下公式计算F(X)：
G(X)=N* F(X)+P *F(X-s)+Q* F(X-s-t)。
进一步地，桥梁的有限元模型能够通过荷载试验方法建立，并通过准静态快速荷载实验所获得的实测挠度影响线修正有限元模型并得到能够反应桥梁实际状态的有限元模型。
进一步地，通过经验试算法和优化迭代法得到修正参数，再由修正参数对有限元模型进行修正；
经验试算法首先选定试算参数并确定目标指标，通过小幅改动试算参数使有限元模型缓慢逼近目标指标；
优化迭代法首先选择目标函数，编制程序使分析软件自动更改参数并计算与目标函数方差，在设定方差范围内停止迭代计算。
进一步地，所述修正参数包括各区段对杆系模型EiIi、对板壳模型Eiti及转角约束Kr。
进一步地，通过计算出横桥向的沿桥变化率k，能够得到桥梁检测路径之外处加载布置位置的挠度影响线，具体通过如下公式计算：
K=(F1-F2)/(x1-x2)；
其中，F1，F2为两条检测路径挠度影响线值；
x1，x2为两条检测路径中心线距相应主系杆梁的距离。
进一步地，通过检测桥梁技术状况、材料性能与耐久性退化状况和构件损伤程度分别得到检算系数Z1、承载能力恶化系数ξe和截面折减系数ξc、ξs，用于修正结构抗力效应R；
通过试验汽车荷载变异得到截面折减系数ξq，用于修正荷载作用效应S。
本发明的有益效果为：
本发明所公开的基于实测挠度影像线的公路梁式桥承载能力评定方法适用于已交工验收后交付使用的公路梁桥承载能力评定，能够实现在桥梁短时间封闭的条件下实现对桥梁承载力的评定与状态评估；
准静态快速荷载试验能够在一定程度上替代常规荷载试验，通过计算桥梁作用效应与抗力效应的比值在1.0~1.2之间时，可以先进行桥梁快速测试判定桥梁承载能力，再通过荷载试验进行最终判定；
在荷载试验之前先进行更准确的准静态快速荷载试验判定桥梁结构的承载能力，减少一部分荷载试验的数量，节约了大量的人力、物力、财力，同时也减少了对桥梁日常交通通行的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法流程示意图；
图2为本发明实施例中基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法的框架示意图；
图3为本发明实施例中准静态快速荷载实验的流程框架示意图；
图4为本发明实施例中准静态挠度影响线获取示意图；
图5为本发明实施例中《公路桥梁承载能力检测评定规程JTG/T J21-2011》中经过荷载试验的承载能力检算系数Z2值。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1至图5所示的一种基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法，与《公路桥梁承载能力检测评定规程JTG/T J21-2011》（简称为：《评定规程》）为互补关系，能够减少荷载试验的工作量，增加桥梁检测的工作效率，并降低了成本，特别适用于已交工验收后交付使用的公路梁桥承载能力评定，适用于桥梁的快速普查与评估，具体的参照《评定规程》，当桥梁作用效应与抗力效应的比值在1.0～1.2之间时，可先进行桥梁快速测试判定桥梁承载能力，若桥梁快速测试判定承载能力不满足要求，可再通过荷载试验进行最终判定。
本发明所公开的公路梁式桥承载能力评定方法，具体包括如下步骤：S1：通过分析软件对桥梁建模，得到有限元模型；S2：检测桥梁的健康状况并输入有限元模型中，修正桥梁的结构抗力效应R和荷载作用效应S；S3：计算桥梁荷载作用效应S与结构抗力效应R的比值，当1.0≤S/R≤1.2时实施步骤S4，当S/R＞1.2时实施步骤S7，当S/R＜1.0时实施步骤S8；S4：进行准静态快速荷载实验并计算快速荷载试验校验系数ζk，当ζk＞1时实施步骤S5，当ζk≤1时实施步骤S6；S5：进行荷载试验并计算荷载试验校验系数ζ，当ζ≤1时实施步骤S6，当ζ＞1时实施步骤S7；S6：根据计算出的校验系数在检算系数表中对应得到检算系数Z2，并用检算系数Z2替换检算系数Z1，实施步骤S2；S7：判定桥梁的承载能力不足；S8：判定桥梁的承载能力足够。
在具体实施过程中，参考《评定规程》当桥梁作用效应与抗力效应的比值在1.0～1.2之间时，根据本发明所公开的方法进行桥梁承载能力快速评定，首先为了获得试验荷载（轻荷载）作用下的挠度影响线，需要进行桥梁准静态快速荷载试验；通过准静态快速荷载试验数据获得挠度影响线，并通过试验数据修正有限元模型，分别通过在挠度影响线和修正有限元模型上做虚拟荷载试验加载得到检测点的挠度虚拟实测值f1，根据桥梁有限元模型得到检测点的挠度理论值f2，通过公式：ζk=1.1* f1/ f2，计算快速荷载试验校验系数ζk，从而对桥梁结构健康状况进行快速评定。
在上述实施过程中，通过准静态快速荷载试验获取的准静态影响线是在单位荷载加载下所获得的，在实际对比分析中还需采用影响线直接加载法，即在快速荷载试验中得到实测挠度影响线的基础上，将荷载试验所施加的荷载直接加到挠度影响线上，得到观测点的挠度虚拟实测值f1的方法，再与有限元模型得到检测点的挠度理论值f2对比，达到规避挠度荷载试验而得到快速荷载试验校验系数ζk。
作为本发明的优选实施例，通过准静态快速荷载试验得到快速荷载试验校验系数，其中，通过挠度影响线获取检测点的挠度虚拟实测值f1包括如下步骤：
S41：采用三轴试验加载车，确定并列设置的三个轴中相邻两轴间的间距分别为t和s，设定三轴轴重分别为Q、P和N；
S42：沿桥梁车道方向设置至少两条检测路径，通过试验加载车沿路径缓慢移动并记录挠度数据；
S43：将挠度数据拟合转换成挠度曲线并得到挠度曲线方程G(X)；
S44：设定挠度影响线方程为F(X)，根据如下公式计算F(X)：
G(X)=N* F(X)+P *F(X-s)+Q* F(X-s-t)。
在上述实施例中，通过对桥梁结构施加指定路径的缓慢移动的荷载，采集桥梁结构的应变、挠度影响线，具体通过试验加载车以较低的速度通过桥面，忽略由于桥面不平整对试验荷载的放大作用，近似认为试验荷载为匀速移动的静力荷载，进而可以通过动态试验获得与静力荷载试验评价桥梁结构等效的结构校验系数。
在试验过程中，如图4所示，使用三轴试验加载车作为移动荷载，采用微波干涉雷达或者倾角仪的静动挠度测量技术采集车辆在桥梁上行进过程中安装位置的全时刻挠度数据，即可以得到试验加载车在通过桥梁时某点的完整挠度曲线。因此，准静态影响线不同于一般的影响线，加载载荷不是单位荷载，而是三个或多个集中力的汽车荷载，作用点连续移动，方向和大小保持不变。
因此，进一步的，将三轴试验加载车的各个轴视作独立集中力以匀速通过桥梁时产生的挠度相叠加而得到的，通过准静态快速荷载试验拟合出挠度曲线方程G(X)，再反推出影响线挠度影响线方程为F(X)，具体通过公式G(X)=N* F(X)+P *F(X-s)+Q* F(X-s-t)反推出影响线挠度影响线方程F(X)。
进一步的，通过在反推出的影响线挠度影响线方程为F(X)上做虚拟荷载试验加载得到检测点的挠度虚拟实测值f1。
综上所述，准静态检测方法无需逐级加载就可以快速完成荷载试验，可以避免静力检测法中由于试验荷载过大引起的结构不可恢复的变形或永久损伤的情况。准静态检测方法无需长时间阻断交通，有利于节约时间；无需大量的人力物力进行试验加载，有利于节约成本。同时，准静态荷载试验采集的是荷载作用下的桥梁结构的连续力学响应，一次加载测试即可获得丰富的实测数据。
在本发明中，桥梁的有限元模型能够通过荷载试验方法建立，并通过准静态快速荷载实验所获得的实测挠度影响线修正有限元模型并得到能够反应桥梁实际状态的有限元模型。进一步的，通过经验试算法和优化迭代法得到修正参数，再由修正参数对有限元模型进行修正；其中，经验试算法首先选定试算参数并确定目标指标，通过小幅改动试算参数使有限元模型缓慢逼近目标指标；优化迭代法首先选择目标函数，编制程序使分析软件自动更改参数并计算与目标函数方差，在设定方差范围内停止迭代计算。修正参数包括各区段对杆系模型EiIi、对板壳模型Eiti及转角约束Kr。
在具体实施过程中，通过快速荷载试验得到较为精确的影响线后，可以按荷载试验的方法来建立桥梁有限元模型，并用实测挠度影响线来修正有限元模型得到能反应桥梁实际状态的有限元模型，即通过合理修改桥梁部分参数如材料弹性模量、桥梁截面参数等将计算挠度影响线修正到与实际影响线相符。
进一步的，利用MIDAS/Civil有限元软件对桥梁进行荷载试验模拟及修正，MIDAS/Civil中对于建立了的桥梁模型可以在前处理模式中修改其桥梁参数，利用已测得的挠度影响线对按设计参数建立的MIDAS/Civil模型进行修正，并认为修正后的模型能够反映桥梁实际状态。对于修正参数，通过经验试算法和优化迭代法得到；其中，经验试算法适合新建桥梁以及桥梁结构不复杂的模型；优化迭代法较为精准，但是计算颇为繁琐。
对影响桥梁应变影响线和结构挠度的因素进行全面分析中，主要考虑了未意识到的连续性、未意识到的约束性、荷载横向分布的影响、未意识到的组合作用、材料变异性的影响和施工及运营中产生的病害这6大设计计算中未考虑的主要影响因素；在考虑这些影响因素相关性的基础上，将最终修正参数锁定于各区段EiIi（对杆系模型）、Eiti（对板壳模型）及转角约束Kr为主要修正参数。同时将遗传算法引入到基于影响线的模型校准中，编写合适的智能算法程序，实现了优化算法与有限元程序的结合。
在本发明中，基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法应用于快速荷载试验时有一些问题，由于快速荷载试验是在固定的车道上进行的，所以得到的影响线可视为是各车道中心线处的挠度影响线，而在荷载试验时所采用荷载施加位置并不是完全遵照车道来布置的，这使得前述测得的车道影响线并不得直接使用，因此需要先将传统荷载试验荷载加载位置处的挠度影响线推算出。
进一步，采用线性插值法来达到将车道挠度影响线转化为可以计算荷载试验加载位置的影响线。具体的，通过计算出横桥向的沿桥变化率k，能够得到桥梁检测路径之外处加载布置位置的挠度影响线，具体通过如下公式计算：
K=(F1-F2)/(x1-x2)；
其中，F1，F2为两条检测路径挠度影响线值；
x1，x2为两条检测路径中心线距相应主系杆梁的距离。
根据荷载布载的位置示意图，可以得到加载车道与检测路径中心线的距离，将距离乘以变化率k即可算出荷载试验加载车道处挠度影响线变化值，进而可算出加载位置车道挠度影响线与检测路径挠度影响线的比值。
在本发明中，通过检测桥梁技术状况、材料性能与耐久性退化状况和构件损伤程度分别得到检算系数Z1、承载能力恶化系数ξe和截面折减系数ξc、ξs，用于修正结构抗力效应R；通过试验汽车荷载变异得到截面折减系数ξq，用于修正荷载作用效应S。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过分析软件对桥梁建模，得到有限元模型；
S2：检测桥梁的健康状况并输入有限元模型中，修正桥梁的结构抗力效应R和荷载作用效应S；
S3：计算桥梁荷载作用效应S与结构抗力效应R的比值，当1.0≤S/R≤1.2时实施步骤S4，当S/R＞1.2时实施步骤S7，当S/R＜1.0时实施步骤S8；
S4：进行准静态快速荷载实验并计算快速荷载试验校验系数ζk，当ζk＞1时实施步骤S5，当ζk≤1时实施步骤S6；
S5：进行荷载试验并计算荷载试验校验系数ζ，当ζ≤1时实施步骤S6，当ζ＞1时实施步骤S7；
S6：根据计算出的校验系数在检算系数表中对应得到检算系数Z2，并用检算系数Z2替换检算系数Z1，实施步骤S2；
S7：判定桥梁的承载能力不足；
S8：判定桥梁的承载能力足够。
2.根据权利要求1所述的基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法，其特征在于，通过准静态快速荷载试验数据获得挠度影响线，并通过试验数据修正有限元模型，分别通过在挠度影响线和修正有限元模型上做虚拟荷载试验加载得到检测点的挠度虚拟实测值f1，根据桥梁有限元模型得到检测点的挠度理论值f2，通过如下公式计算快速荷载试验校验系数ζk：
ζk=1.1* f1/ f2。
3.根据权利要求2所述的基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法，其特征在于，通过挠度影响线获取检测点的挠度虚拟实测值f1包括如下步骤：
S41：采用三轴试验加载车，确定并列设置的三个轴中相邻两轴间的间距分别为t和s，设定三轴轴重分别为Q、P和N；
S42：沿桥梁车道方向设置至少两条检测路径，通过试验加载车沿路径缓慢移动并记录挠度数据；
S43：将挠度数据拟合转换成挠度曲线并得到挠度曲线方程G(X)；
S44：设定挠度影响线方程为F(X)，根据如下公式计算F(X)：
G(X)=N* F(X)+P *F(X-s)+Q* F(X-s-t)。
4.根据权利要求3所述的基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法，其特征在于，桥梁的有限元模型能够通过荷载试验方法建立，并通过准静态快速荷载实验所获得的实测挠度影响线修正有限元模型并得到能够反应桥梁实际状态的有限元模型。
5.根据权利要求4所述的基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法，其特征在于，通过经验试算法和优化迭代法得到修正参数，再由修正参数对有限元模型进行修正；
所述经验试算法首先选定试算参数并确定目标指标，通过小幅改动试算参数使有限元模型缓慢逼近目标指标；
所述优化迭代法首先选择目标函数，编制程序使分析软件自动更改参数并计算与目标函数方差，在设定方差范围内停止迭代计算。
6.根据权利要求5所述的基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法，其特征在于，所述修正参数包括各区段对杆系模型EiIi、对板壳模型Eiti及转角约束Kr。
7.根据权利要求3所述的基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法，其特征在于，通过计算出横桥向的沿桥变化率k，能够得到桥梁检测路径之外处加载布置位置的挠度影响线，具体通过如下公式计算：
K=(F1-F2)/(x1-x2)；
其中，F1，F2为两条检测路径挠度影响线值；
x1，x2为两条检测路径中心线距相应主系杆梁的距离。
8.根据权利要求3所述的基于实测挠度影响线的公路梁式桥承载能力评定方法，其特征在于，通过检测桥梁技术状况、材料性能与耐久性退化状况和构件损伤程度分别得到检算系数Z1、承载能力恶化系数ξe和截面折减系数ξc、ξs，用于修正结构抗力效应R；
通过试验汽车荷载变异得到截面折减系数ξq，用于修正荷载作用效应S。
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