CN115221578B - 一种真实桥梁影响线、真实桥梁影响面标定方法及系统 - Google Patents

一种真实桥梁影响线、真实桥梁影响面标定方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于轮载的真实桥梁影响线、真实桥梁影响面标定方法及系统。本发明考虑了标定车的横向车轮间距，将车辆荷载视为左、右两排车轮组成的空间荷载，控制不同左右车轮荷载比的标定车以同一轮迹对驶过桥梁，联立并求解其桥梁响应方程组可得左、右轮迹处的影响线；根据桥梁各横向位置处的左、右轮迹影响线插值得到桥梁影响面；相比现有技术，本发明能消除标定车的横向车轮间距以及偏心对影响线、影响面标定的影响，实现高效、高精度的桥梁影响线、桥梁影响面标定。

Description

一种真实桥梁影响线、真实桥梁影响面标定方法及系统
技术领域
本发明涉及桥梁影响面标定，桥梁损伤识别，桥梁状态评估、模型修正以及桥梁动态称重等技术领域，尤其涉及桥梁影响线、桥梁影响面标定方法及系统。
背景技术
桥梁影响线为单位集中力在沿特定方向移动时，桥梁某截面(点)的响应曲线。桥梁影响面是桥梁影响线的横向扩展，描述了单位集中力沿全桥面范围移动时，桥梁某截面的响应曲面。
桥梁影响线反映了桥梁在荷载作用下的响应特征，在桥梁损伤识别、桥梁状况评估、模型修正、桥梁动态称重等领域具有广泛运用。研究表明，桥梁影响面相比于影响线不仅可以显著提高荷载识别精度，而且具有更广泛的运用，如车辆横向定位，横向多车动态称重。
桥梁影响面是二维曲面，在标定过程中需考虑标定车的横向尺寸。桥梁不同横向位置处的影响线往往不同，因此桥梁影响面通常由不同横向位置处的桥梁影响线插值得到，其精度受桥梁影响线的精度影响。而以往的桥梁影响线标定方法均忽略了车轮横向间距(轮距)，即，将同轴左、右车轮荷载(轮载)简化为车辆中心线处的单个集中力(轴载)，如图1所示。该简化忽略了以下两点因素：①轮距。由于桥梁的荷载横向分布系数沿截面通常为非线性分布，轴载作用下的桥梁响应与轮载作用下的响应存在较大差别，而实际的车辆荷载是由左、右两排轮载组成，因此基于轴载得到的桥梁影响线并不适用于影响面标定。②偏心程度。由于货物堆积不均匀等原因，车辆通常存在偏心现象，即同轴的左、右轮荷载大小不等，导致车辆重心并不在中心线处，将车辆荷载视为中心线处的轴载并不可靠，且误差随偏心程度增大而增大。因此在考虑车辆的横向尺寸时，基于轴载计算的影响线受轮距大小和偏心程度影响，并不是真实影响线。
发明内容
本发明提供了真实桥梁影响线、真实桥梁影响面标定方法及系统，用于解决现有的桥梁影响线、影响面标定不准确的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种桥梁影响线标定方法，包括以下步骤：
控制标定车A驶过桥梁的预设标定路径，采集相应的桥梁响应并构建相应车左、右轮荷载WAL、WAR；根据标定车A左、右轮荷载WAL、WAR和左、右轮迹处影响线IL、IR及对应的桥梁响应/>构建该标定车驶过预设标定路径时的桥梁响应方程；
改变左右轮荷载比，控制标定车B再次驶过桥梁的预设标定路径，采集相应的桥梁响应并构建相应车左、右轮荷载WBL、WBR；根据标定车B左、右轮荷载WBL、WBR和左、右轮迹处影响线IL、IR及对应的桥梁响应/>构建标定车再次驶过预设标定路径时的桥梁响应方程；其中，标定车两次过桥的车轮轨迹对相同；
联立标定车A和B驶过预设标定路径时的桥梁响应方程，求解标定路径下的左、右轮迹处影响线IL、IR。
优选的，标定车A和B驶过预设标定路径的车轮轨迹对相同，通过以下任一方式实现：
方式一：控制第一辆标定车A、第二辆标定车B先后同向驶过所述桥梁的预设标定路径，要求A和B左右车轮荷载比不等；
方式二：控制第一辆标定车A正向驶过所述桥梁的预设标定路径，控制第二辆车辆B反向驶过所述桥梁的预设标定路径，要求A和B左右车轮荷载比不互为倒数关系；
方式三：控制同一辆标定车以同一车轮轨迹往返通过标定路径，要求标定车左右车轮荷载大小不相等；
方式四：控制同一辆标定车先后以不同的左右车轮荷载比同向驶过桥梁的预设标定路径。
方法一和方法二均采用两辆车进行桥梁影响线、影响面标定。方法三和方法四可采用一辆车进行标定，其中车辆第一次沿预设标定路径行驶下的桥梁响应视为上述方法中的标定车A的过桥响应，车辆第二次沿预设标定路径行驶下的桥梁响应视为上述方法中的标定车B的过桥响应。
优选的，标定车A驶过预设标定路径时的桥梁响应方程为：
其中，上标T表示转置因子，为标定车A驶过预设标定路径时的桥梁响应，IL为左车轮轨迹处的影响线，IR为右车轮轨迹处的影响线，WAL为为标定车A左轮荷载；WAR为标定车A右轮荷载；
标定车B沿预设标定路径驶过桥梁时的桥梁响应方程为：
其中，为标定车B驶过预设标定路径时的桥梁响应，WBL为左轮荷载；WBR为右轮荷载。
优选的，联立标定车A与标定车B驶过所述预设标定路径时的桥梁响应方程，通过以下公式实现：
一种桥梁影响面标定方法，包括以下步骤：
对全桥面按预设的标定间距沿横向进行划分，得到多条包络全桥面的标定路径；
采用桥梁影响线标定方法标定各条横向标定路径对应的桥梁影响线；
基于各条标定路径对应的桥梁影响线分别构建桥梁响应方程组；
求解上述桥梁响应方程组，得到离散的桥梁影响面的解。
优选的，联立后的桥梁响应方程组如下：
其中，
其中，为由各横向位置处标定路径对应的桥梁响应构成的桥梁响应矩阵；/>为标定车A沿第i条标定路径行驶下的桥梁响应，/>为标定车B沿第i条标定路径行驶下的桥梁响应，其中，i＝1,2,3,...,U，i表示横向标定路径的序号，U表示标定路径的总数；ILi为第i条标定路径上的左轮轮迹对应的桥梁影响线，IRi为第i条标定路径上的右轮轮迹对应的桥梁影响线；WAL为所述标定车A的左轮荷载；WAR为所述标定车A右轮荷载；WBL为所述标定车B的左轮荷载；WBR为所述标定车B的右轮荷载。
优选的，求解联立后的桥梁响应方程组，得到离散的桥梁影响面方程，包括以下步骤：
采用L2正则化方法进行求解，求解公式如下：
其中，λ为惩罚系数，可通过L曲线来确定，H为正则化矩阵，形式如下：
其中，m为标定车沿预设路径行驶时采集的响应数，CN为车辆第一轴到最后一轴距离的传感器采样点间隔；
其中，方程组有解的约束条件为：
结合L2正则化求解，得到如下所示离散的桥梁影响面的解：
一种计算机系统，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，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的桥梁影响线、桥梁影响面标定方法及系统，考虑了标定车的横向车轮间距，将车辆荷载视为左、右两排车轮组成的空间荷载，控制不同左右车轮荷载比的标定车以同一轮迹对驶过桥梁，联立并求解其桥梁响应方程组可得左、右轮迹处的影响线；根据桥梁各横向位置处的左、右轮迹影响线插值得到桥梁影响面；相比现有技术，本发明能消除标定车的横向车轮间距以及偏心对影响线、影响面标定的影响，实现高效、高精度的桥梁影响线、桥梁影响面标定。
2、在优选方案中，本发明通过标定车的轮距，建立了标定车轮载作用下的桥梁响应方程组，结合L2正则化求解方程组，可高效、高精度标定桥梁影响面，可有效用于桥梁损伤识别、状况评估、模型修正、桥梁动态称重等领域。
3、本发明从车辆桥梁响应中提取桥梁影响面，该方法对桥梁的边界条件、结构组成没有限制，可广泛应用于任意桥型。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有技术中标定方法中忽略标定车轮距的三轴车辆的荷载分布示意图；
图2是本发明优选实施例中考虑标定车轮距的三轴车辆的荷载分布示意图；
图3是本发明优选实施例中的全桥面标定路径划分示意图；
图4是本发明桥梁影响线标定方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一：
如图4所示，本实施中公开了一种桥梁影响线标定方法，包括以下步骤：
控制标定车A驶过桥梁的预设标定路径，采集相应的桥梁响应并标定相应车左、右轮荷载WAL、WAR；根据标定车左、右轮荷载WAL、WAR和左、右轮迹处影响线IL、IR及对应的桥梁响应/>构建标定车A驶过预设标定路径时的桥梁响应方程；
改变左右轮荷载比，控制标定车B再次驶过桥梁的预设标定路径，采集相应的桥梁响应并构建相应车左、右轮荷载WBL、WBR；根据标定车左、右轮荷载WBL、WBR和左、右轮迹处影响线IL、IR及对应的桥梁响应/>构建标定车再次驶过预设标定路径时的桥梁响应方程；其中，标定车A和B过桥的车轮轨迹对相同，且标定车A和B的左右轮荷载比不等；
联立标定A和B车驶过预设标定路径时的桥梁响应方程，求解标定路径下的左、右轮迹处影响线IL、IR。
此外，在本实施例中，还公开了一种桥梁影响面标定方法，包括以下步骤：
一种桥梁影响面标定方法，包括以下步骤：
对全桥面按预设的标定间距沿横向进行划分，得到多条包络全桥面的标定路径；
采用上述桥梁影响线标定方法标定各条横向标定路径对应的桥梁影响线；
基于各条标定路径对应的桥梁影响线分别构建桥梁响应方程组；
求解上述桥梁响应方程组，得到离散的桥梁影响面的解。
此外，在本实施例中，还公开了一种计算机系统，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，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。
本发明中的桥梁影响线、桥梁影响面标定方法及系统，考虑了标定车的横向车轮间距，将车辆荷载视为左、右两排车轮组成的空间荷载，控制不同左右车轮荷载比的标定车以同一轮迹对驶过桥梁，联立并求解其桥梁响应方程组可得左、右轮迹处的影响线；根据桥梁各横向位置处的左、右轮迹影响线插值得到桥梁影响面；相比现有技术，本发明能消除标定车的横向车轮间距以及偏心对影响线、影响面标定的影响，实现高效、高精度的桥梁影响线、桥梁影响面标定。
实施例二：
实施例二是实施例一的优选实施例，其与实施例一的不同之处，对桥梁影响线以及桥梁影响面标定方法的具体步骤进行了细化：
一、基于轮载的影响线识别算法
如图2所示，考虑标定车轮距，车辆荷载由左右两排车轮荷载组成，其中左、右车轮行驶在桥面不同横向位置，对应的影响线不同，需对左、右轮行驶轨迹处的影响线系数分别求解。假设有两辆轮距相同的标定车A和B。
标定车A左、右轮荷载分别为：
标定车B左、右轮荷载分别为：
当A和B沿同一路径行驶时，其左、右轮迹分别相同，其左、右轮迹处的影响线也分别相同。标定车A沿某条路径行驶时，桥梁响应计算如式所示。
其中，为标定车A的桥梁响应，IL为当前路径下左轮行驶轨迹处影响线系数，IR为前路径下右轮行驶轨迹处影响线系数，WAL、WAR分别为由标定车A左轮载/>右轮载/>组成的车辆荷载矩阵，如式(2)(3)所示：
同理当标定车B沿同一条路径行驶时，桥梁响应计算如下式所示：
其中，为标定车B的桥梁响应，IL为当前路径下左轮行驶轨迹处影响线，IR为前路径下右轮行驶轨迹处影响线，由于A，B行驶路径相同，式中的IL，IR与式相同。WBL、WBR分别为由标定车B左轮载/>右轮载/>组成的车辆荷载矩阵，可参考式得到。
联立式可得：
求解上述联立式，可获得当前标定路径下的车辆左、右车轮行驶轨迹处的影响线IL，IR。
二、基于轮载的桥梁影响面识别
若要获得全桥影响面，需先获取不同横向路径下的影响线。因此首先对全桥面标定路径进行划分并编号，然后对每条路径依次进行标定，获取每条路径下的左、右轮迹处影响线。假定划分后的桥面共U条标定路径，如图3所示，采集标定车A，B依次沿各个路径单独行驶下的桥梁响应矩阵如式所示：
其中，为标定车A沿第i条路径行驶下的桥梁响应，/>为标定车B沿第i条路径下的桥梁响应，i＝1…U。i表示第i条标定路径，一共U条标定路径；
各标定路径下的左、右轮迹影响线矩阵如下式所示：
其中，ILi为第i条路径下左轮迹影响线，IRi为第i条路径下右轮迹影响线。i＝1…U，i表示第i条标定路径，一共U条标定路径；
将U条标定路径的桥梁响应方程联立如式所示：
为表达方便，将式简写成：
其中，如式所示，/>如式所示。
采用L2正则化方法进行求解，如式所示。
其中，λ为惩罚系数，可通过L曲线来确定。H为正则化矩阵，常采用式形式。
结合L2正则化求解，得桥梁影响面可由式(12)计算：
三、解存在性分析
若要式有解，应使得以下条件成立：
其中，分别由标定车A，B的左、右轮载/>按式组成。因此当车轮荷载满足式时，方程组有解。
综上，要使方程有解，需满足标定车A和B左、右轮载比不相等，即标定车A，B中得偏载程度不同。因此，可以通过以下4种方式获取不同轮载比车辆行驶下的桥梁响应。
方式一：控制第一辆标定车A、第二辆标定车B先后同向驶过所述桥梁的预设标定路径，要求A和B左右车轮荷载比不等；
方式二：控制第一辆标定车A正向驶过所述桥梁的预设标定路径，控制第二辆车辆B反向驶过所述桥梁的预设标定路径，要求A和B左右车轮荷载比不互为倒数关系；
方式三：控制同一辆标定车以同一车轮轨迹往返通过标定路径，要求标定车左右车轮荷载大小不相等；
方式四：控制同一辆标定车先后以不同的左右车轮荷载比同向驶过桥梁的预设标定路径。
方法一和方法二均采用两辆车进行桥梁影响线、影响面标定。方法三和方法四可采用一辆车进行标定，其中车辆第一次沿预设标定路径行驶下的桥梁响应视为标定车A的过桥响应，车辆第二次沿预设标定路径行驶下的桥梁响应视为标定车B的过桥响应。综上，本发明中的桥梁影响线、桥梁影响面标定方法及系统。本发明考虑了标定车的横向车轮间距，将车辆荷载视为左、右两排车轮组成的空间荷载，控制不同左右车轮荷载比的标定车以同一轮迹对驶过桥梁，联立并求解其桥梁响应方程组可得左、右轮迹处的影响线；根据桥梁各横向位置处的左、右轮迹影响线插值得到桥梁影响面；相比现有技术，本发明能消除标定车的横向车轮间距以及偏心对影响线、影响面标定的影响，实现高效、高精度的桥梁影响线、桥梁影响面标定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.桥梁影响线标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
控制标定车A驶过桥梁的预设标定路径，采集相应的桥梁响应并构建相应车左、右轮荷载WAL、WAR；根据标定车左、右轮荷载WAL、WAR和左、右轮迹处影响线IL、IR及对应的桥梁响应/>构建该标定车驶过预设标定路径时的桥梁响应方程；
改变左右轮荷载比，控制标定车B再次驶过桥梁的预设标定路径，采集相应的桥梁响应并构建相应车左、右轮荷载WBL、WBR；根据标定车左、右轮荷载WBL、WBR和左、右轮迹处影响线IL、IR及对应的桥梁响应/>构建标定车再次驶过预设标定路径时的桥梁响应方程；其中，标定车A和B过桥的车轮轨迹对相同；
联立标定车A和B驶过预设标定路径时的桥梁响应方程，求解标定路径下的左、右轮迹处影响线IL、IR；
标定车两次通过桥梁预设标定路径的车轮轨迹对相同，且对应的左右车轮荷载比不等，可通过以下任一方式实现：
方式一：控制第一辆标定车A、第二辆标定车B先后同向驶过所述桥梁的预设标定路径，要求A和B左右车轮荷载比不等；
方式二：控制第一辆标定车A正向驶过所述桥梁的预设标定路径，控制第二辆车辆B反向驶过所述桥梁的预设标定路径，要求A和B左右车轮荷载比不互为倒数关系；
方式三：控制同一辆标定车以同一车轮轨迹往返通过标定路径，要求标定车左右车轮荷载大小不相等；
方式四：控制同一辆标定车先后以不同的左右车轮荷载比同向驶过桥梁的预设标定路径；
方法一和方法二均采用两辆车进行桥梁影响线、影响面标定；方法三和方法四可采用一辆车进行标定，其中车辆第一次沿预设标定路径行驶下的桥梁响应视为上述方法中的标定车A的过桥响应，车辆第二次沿预设标定路径行驶下的桥梁响应视为上述方法中的标定车B的过桥响应。
2.根据权利要求1所述的桥梁影响线标定方法，其特征在于，标定车A驶过预设标定路径时的桥梁响应方程为：
其中，上标T表示转置因子，为标定车A驶过预设标定路径时的桥梁响应，IL为左车轮轨迹处的影响线，IR为右车轮轨迹处的影响线，WAL为左轮荷载；WAR为右轮荷载；
标定车B驶过桥梁时的桥梁响应方程为：
其中，为标定车B驶过预设标定路径时的桥梁响应，WBL为左轮荷载；WBR为右轮荷载。
3.根据权利要求2所述的桥梁影响线标定方法，其特征在于，联立标定车A与标定车B驶过所述预设标定路径时的桥梁响应方程，通过以下公式实现：
4.一种桥梁影响面标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
对全桥面按预设的标定间距沿横向进行划分，得到多条包络全桥面的标定路径；
采用权利要求1-3任意一项中所述的桥梁影响线标定方法标定各条标定路径对应的桥梁影响线；
基于各条标定路径对应的桥梁影响线分别构建桥梁响应方程组；
求解上述桥梁响应方程组，得到离散的桥梁影响面的解。
5.根据权利要求4所述的桥梁影响面标定方法，其特征在于，联立后的桥梁响应方程组如下：
其中，
其中，为由各横向位置处标定路径对应的桥梁响应构成的桥梁响应矩阵；/>为标定车A沿第i条标定路径行驶下的桥梁响应，/>为标定车B沿第i条标定路径行驶下的桥梁响应，其中，i＝1，2，3，...，U，i表示横向标定路径的序号，U表示标定路径的总数；ILi为第i条标定路径上的左轮轮迹对应的桥梁影响线，IRi为第i条标定路径上的右轮轮迹对应的桥梁影响线；WAL为所述标定车A的左轮荷载；WAR为所述标定车A右轮荷载；WBL为所述标定车B的左轮荷载；WBR为所述标定车B的右轮荷载，/>为所有标定车辆左右荷载所构成荷载矩阵的转置矩阵，/>为由所有标定路径上左右轮迹对应的桥梁影响线所构成的矩阵。
6.根据权利要求5所述的桥梁影响面标定方法，其特征在于，求解联立后的桥梁响应方程组，得到所述离散的桥梁影响面方程，包括以下步骤：
采用L2正则化方法进行求解，求解公式如下：
其中，λ为惩罚系数，可通过L曲线来确定，H为正则化矩阵，形式如下：
其中，m为标定车沿预设路径行驶时采集的响应数，CN为车辆第一轴到最后一轴距离的传感器采样点间隔；
其中，所述方程组有解的约束条件为：
结合L2正则化求解，得到如下所示离散的桥梁影响面的解：
7.一种计算机系统，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计算机程序时实现上述权利要求1至6任一所述方法的步骤。
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Extraction of influence line through a fitting method from bridge dynamic response induced by a passing vehicle;Ning-Bo Wang等;《Engineering Structures》;第15卷;第648-664页 *

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