CN116086738A - 不中断交通的连续箱型梁整体受力性能试验评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了不中断交通的连续箱型梁整体受力性能试验评估方法，包括以下步骤：1）选定测试桥梁的桥头为原点，以桥头至桥尾方向为正方向，于桥梁上坐标为x的截面处安装传感器，使加载车从桥头端上桥并匀速行驶过桥，通过所述传感器采集的数据得到所述截面x处的弯矩值随所述加载车位置变化的实际应变曲线A；2）通过公式推导出截面x处的弯矩值随加载车车辆位置变化的理论应变曲线B；3）对步骤1）所得到的曲线A和步骤2所得到的曲线B的相似度进行比较根据两条曲线的相似程度得出(单箱)梁桥整体性能的评估结果。该方法可以解决对现役桥梁的整体性能进行在线评估的技术问题。

Description

不中断交通的连续箱型梁整体受力性能试验评估方法
技术领域
本发明属于交通运输业桥涵工程质量检测技术领域，具体涉及一种不中断交通的连续箱型(单箱)梁整体受力性能试验评估方法。
背景技术
我国是桥梁大国，新建和已建桥梁众多，其中大部分是连续梁桥，有的桥梁运营很久，材料老化严重，截面刚度折减较大，无论是老桥还是新桥都需要一套精确有效的评估现有桥梁状态以及确定其承载力的方法，利用荷载试验可以直观的评估其状态，其评定结果较为准确可靠，但是荷载试验存在试验所需时间较长的问题，整个试验过程需要封闭交通，布置的测点繁多，需要耗费相当可观的时间和检测费用，并且实际检测结果通常要与结构模型分析对比，但不同软件计算出理论数据有一定差别，加上根据影响线点乘试验荷载的算法无法精确反应实际状态。传统荷载试验通过计算使试验荷载作用下的试验荷载效率在一定范围内，并将试验荷载施加在桥梁的指定位置上，测量测试截面的静力位移、静力应变等参数，从而对桥梁的工作性能和使用能力做出评价。传统方法需要的车辆较多，在试验现场找车困难，加载车称重不能完全符合计算的荷载，车辆布载的位置也根据不同工况时刻变化，随机性太大，重复试验数据对比性不高。
因此，如何解决以上实际检测和计算中的问题，是亟待解决的重要技术问题。
发明内容
本发明的发明目的是，针对上述问题，提供一种不中断交通的连续箱型梁整体受力性能试验评估方法，以解决对现役桥梁的整体性能进行在线评估的技术问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种不中断交通的连续箱型梁整体受力性能试验评估方法，包括以下步骤：
1)选定测试桥梁的桥头为原点，以桥头至桥尾方向为正方向，于单箱桥梁上坐标为x的截面处安装传感器，使加载车从桥头端上桥并匀速行驶过桥，对所述传感器采集的数据进行处理得到所述截面x处的弯矩值随所述加载车位置变化的实际应变曲线A；
2)通过公式推导出截面x处的弯矩值随加载车车辆位置变化的理论应变曲线B；
3)对步骤1)所得到的实际应变曲线A和步骤2)所得到的理论应变曲线B的相似度进行比较，根据两条应变曲线的相似程度得出桥梁整体性能的评估结果。
作为本发明一种改进的方式，所述步骤1)中，若干个所述传感器在设置截面上均匀布置；所述传感器通过屏蔽电缆依次连接高速采集器和处理单元；所述高速采集器对传感器的传感器测试信号进行采集并发送到处理单元中；所述处理单元对传感器测试信号进行滤波处理并得到所述截面x处的弯矩值随所述加载车位置变化的实际应变曲线A。
作为本发明一种改进的方式，所述步骤1)中，所述加载车具有1个前轴和2个后轴，所述加载车前轴Ⅰ的重量P1，后轴Ⅰ的重量P2，后轴Ⅱ的重量P3，则所述截面x处的弯矩值随加载车车辆位置变化的理论应变曲线B为：
Figure BDA0004001286190000021
式中，
Figure BDA0004001286190000022
为截面x处弯矩随移动车辆变化效应函数；
Figure BDA0004001286190000023
为任意截面x处弯矩影响线表达式，Z1为后轴距，Z2为前轴距,Xp为加载车后轴Ⅱ到原点距离。
作为本发明一种改进的方式，所述步骤3)中，所述实际应变曲线A和所述理论应变曲线B的相似度进行比较的具体方法为：对所述实际应变曲线A在包括峰值的n倍区间积分作为分母，n的取值为小于1；对所述理论应变曲线B在与实际应变曲线A相同的积分区间积分作为分子，分子与分母比值小于1则表明桥梁整体性能满足要求。
作为本发明一种改进的方式，所述步骤3)中，通过MATLAB软件求出实际应变曲线A与理论应变曲线B之间的相似度，然后将所求得结果与预定的安全值进行比较，若相似度大于或等于所述安全值则得出桥梁整体性能满足要求的结果；若相似度小于或等于所述安全值则得出桥梁整体性能不满足要求的结果。
作为本发明一种改进的方式，所述传感器为应变传感器或位移传感器或应力传感器。
作为本发明一种改进的方式，取所述加载车通过测试桥梁总长度的5％-95％之间的应变曲线进行比较。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提出了一种快速评估桥梁整体性能的方法，而且可以很全面的反应桥梁的整体状态，突破了影响线点乘理论荷载作为评定算法的局限性，而且通过不中断交通的情况下通过在某个控制截面布置1到多个应变测点，一辆特定试验车匀速跑过即可测得反应曲线，进而通过实际曲线与理论曲线对比即可对桥梁的整体性能进行有效评估。
2.本发明公开的方法简便、效果明显、计算简单、准确性高，具有广阔的工程运用前景。由于所述加载车具有1个前轴和2个后轴，所述加载车前轴Ⅰ的重量P1，后轴Ⅰ的重量P2，后轴Ⅱ的重量P3，所述截面x处的弯矩值随加载车车辆位置变化的理论曲线B为：
Figure BDA0004001286190000024
式中，
Figure BDA0004001286190000025
为截面x处弯矩随移动车辆变化效应函数；
Figure BDA0004001286190000026
为任意截面x处弯矩影响线表达式，Z1为后轴距，Z2为前轴距，Xp为加载车后轴Ⅱ到原点距离，引入试验的加载车轴重和轴距，根据本申请提供的公式可求得特定加载车辆从连续梁梁端移动到尾部时控制截面处弯矩的变化效应函数。
由于对所述曲线A在包括峰值的n倍区间积分作为分母，n的取值为小于1；对所述曲线B在与曲线A相同的积分区间积分作为分子，分子与分母比值小于1则表明桥梁整体性能满足要求，通过函数积分求得特定区间面积，并和实测值进行比较，通过校验系数来判断桥梁的承载能力状态。
3.在本发明中，取加载车通过测试桥梁总长度的5％～95％之间的应变曲线进行比较，主要是由于加载车在上桥和下桥的过程中会存在一定的冲击，因此会影响传感器的测量结果从而引起较大误差，因此选取加载车在测试桥梁上平稳行驶的节段(桥梁总长度的5％～95％之间)进行评估可以提高评估结果的准确性。
附图说明
图1是本发明评估方法示意图；
图2是本发明实施例桥梁侧视布置图；
图3是本发明实施例桥梁俯视布置图；
图4是本发明实施例桥梁横截面结构示意图；
图5是本发明实施例应变测点布置图；
图6是本发明实施例桥梁截面弯矩理论应变曲线和实测应变曲线图；
图7是本发明推导出的任意截面x处的弯矩随移动车辆变化效应函数公式和有限元软件计算结果曲线图；
图8是第一跨跨中弯矩值的导出公式与有限元软件计算结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例1：
如图1所示，一种不中断交通的连续箱型梁整体受力性能试验评估方法，包括以下步骤：
1)选定测试桥梁的桥头为原点，以桥头至桥尾方向为正方向，于桥梁上坐标为x的截面处安装传感器，使加载车从桥头端上桥并匀速行驶过桥，对所述传感器采集的数据进行处理得到所述截面x处的弯矩值随所述加载车车辆位置变化的实际应变曲线A；
2)通过公式推导出截面x处的弯矩值随加载车车辆位置变化的理论应变曲线B；
3)对步骤1)所得到的实际应变曲线A和步骤2)所得到的理论应变曲线B的相似度进行比较，根据两条应变曲线的相似程度得出桥梁整体性能的评估结果。
实施例2：
如图1至图4所示，一种不中断交通的连续箱型梁整体受力性能试验评估方法，包括以下步骤：
1)选定测试桥梁的桥头为原点，以桥头至桥尾方向为正方向，于桥梁上坐标为x的截面处安装传感器，使加载车从桥头端上桥并匀速行驶过桥，通过所述传感器采集的数据得到所述截面x处的弯矩值随所述加载车位置变化的实际应变曲线A；
传感器可以设有1个或多个，若设有多个，若干个所述传感器在设置截面上均匀布置；所述传感器通过屏蔽电缆依次连接高速采集器和处理单元；所述高速采集器对传感器的传感器测试信号进行采集并发送到处理单元中；所述处理单元对传感器测试信号进行滤波处理并得到所述截面x处的弯矩值随所述加载车位置变化的实际应变曲线A；所述传感器可以为应变传感器或位移传感器或应力传感器或其它传感器；
2)通过公式推导出截面x处的弯矩值随加载车车辆位置变化的理论应变曲线B；
所述加载车具有1个前轴和2个后轴，所述加载车前轴Ⅰ的重量P1，后轴Ⅰ的重量P2，后轴Ⅱ的重量P3，则所述截面x处的弯矩值随加载车车辆位置变化的理论应变曲线B为：
Figure BDA0004001286190000041
式中，
Figure BDA0004001286190000042
为截面x处弯矩随移动车辆变化效应函数；
Figure BDA0004001286190000043
为任意截面x处弯矩影响线表达式，Z1为后轴距，Z2为前轴距,Xp为加载车后轴Ⅱ到原点距离；
所述桥梁的连续梁为三跨任意截面任意跨径连续梁，该连续梁包括桥梁1#跨、2#跨和3#跨，定义连续梁的1#跨跨径为L1，2#跨跨径为L2，3#跨跨径为L3；1#跨影响线影响因子分别为a1、a2，2#跨影响线影响因子分别为b1、b2，3#跨影响线影响因子分别为c1、c2；则任意截面x处弯矩影响线表达式为②、③、④：
Figure BDA0004001286190000044
Figure BDA0004001286190000051
Figure BDA0004001286190000052
式中：L为三跨连续梁总跨径即L＝L1+L2+L3；影响线影响因子分别为：
Figure BDA0004001286190000053
Figure BDA0004001286190000054
Figure BDA0004001286190000055
式中，
Figure BDA0004001286190000056
Figure BDA0004001286190000057
Figure BDA0004001286190000058
Figure BDA0004001286190000061
Figure BDA0004001286190000062
式中，Ex为连续梁的材料弹性模量，Ix为连续梁的截面惯性矩。
3)通过比较步骤1)所得到的曲线A和步骤2所得到的曲线B的相似度确定桥梁整体性能。
在本实施例中：
一种比较方法为：对所述曲线A在包括峰值的n倍区间积分作为分母，n的取值为小于1；对所述曲线B在与曲线A相同的积分区间积分作为分子，分子与分母比值小于1则表明桥梁整体性能满足要求。
另一种比较方法为：通过MATLAB软件求出曲线A与曲线B之间的相似度，然后将所求得结果与预定的安全值进行比较，若相似度大于或等于所述安全值则得出桥梁整体性能满足要求的结果；若相似度小于或等于所述安全值则得出桥梁整体性能不满足要求的结果，还可以通过其它曲线相似度的比较方法来对桥梁整体性能进行评估。
由于加载车在上桥和下桥的过程中会存在一定的冲击，因此会影响传感器的测量结果从而引起较大误差，因此选取加载车在测试桥梁上平稳行驶的节段(桥梁总长度的5％～95％之间)进行评估可以提高评估结果的准确性。
应用实例：
本实施例评估某三跨等截面等跨径连续梁桥，已知桥梁上部为3×30m预应力混凝土连续箱(单箱)梁。桥梁下部结构采用柱式墩，柱式台，钻孔灌注桩基础。
跨径为L1＝L2＝L3＝L/3＝30m，C50混凝土，弹性模量为3.45×104MPa，截面刚度通过计算为EI＝5.02362×107kN.m2,试验用的加载车采用三轴载重车见附图1，其中后轴重P1＝P2＝150kN，P3＝70kN，Z1＝1.35m，Z2＝3.6m。
桥型布置图见附图2～图4，取1#跨跨中截面为测试截面，应变测点布置图见附图5。若跨径为20m时，驾驶加载车从桥头匀速缓慢开到桥尾，通过求各个测量点的平均值得出1#跨跨中混凝土应变平均值变化曲线，应变变化曲线见图6。实际试验采用相同方法可以得到弯矩平均值变化曲线。
利用本发明的方法验证1#跨跨中截面弯矩影响线表达式，具体步骤如下：
求出边跨跨中截面(x＝L1/2＝15m)的影响线解析式：
Figure BDA0004001286190000071
Figure BDA0004001286190000072
Figure BDA0004001286190000073
令x＝L1/2,第1跨跨中截面弯矩影响线变化规律可以用表达式表示。
Figure BDA0004001286190000074
根据上述公式得出任意截面x处的弯矩随移动车辆变化效应函数公式并作图，如图7示，本发明推导出的任意截面x处的弯矩随移动车辆变化效应函数公式和采用Midas有限元软件计算结果很好的吻合，如图8所示，验证了公式的正确性。对于任意变截面三跨连续梁均可以通过公式推导，推导的影响线曲线点乘试验荷载可得到M(xp)的曲线方程，积分可得面积，进而和实测值比较和评估。通过弯矩测量曲线与弯矩理论曲线在适当区间范围积分的面积之比来评定1#跨承载力状况。当比值小于1，承载力满足要求，大于1则不满足要求，计算简单明了，可以很好运用在工程实例中。
本申请推导的公式简单易懂，可以较全面的反应桥梁的整体状态，突破了影响线点乘理论荷载作为评定算法的局限性，而且通过不中断交通的情况下通过在某个控制截面布置一到多个应变测点，一辆特定试验车匀速跑过即可测得反应曲线，进而对比判断。本发明公开的方法简便，效果明显，计算简单，准确性高，具有广阔的工程运用前景。本申请通过简单易懂的推导公式直接求得解析解，比软件计算更加精确，实测各参数变动后可随时调整，可操作性强；本申请方法针对不同跨径和截面刚度的桥梁的任意截面位置影响线解析式进行推导；本发明利用弯矩效应函数积分面积评估可以更全面的反应实际桥梁的承载能力状态，突破了传统影响线点乘理论荷载的局限性；本发明可以在不中断交通情况下快速试验，方法和过程简单、易行，实际试验效果明显，可以提高现有桥梁荷载的检测精度和效率，降低人力物力成本，具有较大的实际工程应用价值。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (8)

1.一种不中断交通的连续箱型梁整体受力性能试验评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选定测试桥梁的桥头为原点，以桥头至桥尾方向为正方向，于单箱桥梁上坐标为x的截面处安装传感器，使加载车从桥头端上桥并匀速行驶过桥，对所述传感器采集的数据进行处理得到所述截面x处的弯矩值随所述加载车车辆位置变化的实际应变曲线A；
2)通过公式推导出截面x处的弯矩值随加载车车辆位置变化的理论应变曲线B；
3)对步骤1)所得到的实际应变曲线A和步骤2)所得到的理论应变曲线B的相似度进行比较，根据两条应变曲线的相似程度得出桥梁整体性能的评估结果。
2.如权利要求1所述的不中断交通的连续箱型梁整体受力性能试验评估方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述传感器设有若干个并且在截面上均匀布置；所述传感器通过屏蔽电缆依次连接高速采集器和处理单元；所述高速采集器对传感器的传感器测试信号进行采集并发送到处理单元中；所述处理单元对传感器测试信号进行滤波处理并得到所述截面x处的弯矩值随所述加载车车辆位置变化的实际应变曲线A。
3.如权利要求1或2所述的不中断交通的连续箱型梁整体受力性能试验评估方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述加载车具有1个前轴和2个后轴，所述加载车前轴Ⅰ的重量P1，后轴Ⅰ的重量P2，后轴Ⅱ的重量P3，则所述截面x处的弯矩值随加载车车辆位置变化的理论应变曲线B为：
Figure FDA0004001286180000011
式中，
Figure FDA0004001286180000012
为截面x处弯矩随移动车辆变化效应函数；
Figure FDA0004001286180000013
为任意截面x处弯矩影响线表达式，Z1为后轴距，Z2为前轴距，Xp为加载车后轴Ⅱ到原点距离。
4.如权利要求3所述的不中断交通的连续箱型梁整体受力性能试验评估方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述实际应变曲线A和所述理论应变曲线B的相似度进行比较的具体方法为：对所述实际应变曲线A在包括峰值的n倍区间积分作为分母，n的取值为小于1；对所述理论应变曲线B在与实际应变曲线A相同的积分区间积分作为分子，分子与分母比值小于1则表明桥梁整体性能满足要求。
5.如权利要求3所述的不中断交通的连续箱型梁整体受力性能试验评估方法，其特征在于，所述步骤3)中，通过MATLAB软件求出实际应变曲线A与理论应变曲线B之间的相似度，然后将所求得结果与预定的安全值进行比较，若相似度大于或等于所述安全值则得出桥梁整体性能满足要求的结果；若相似度小于或等于所述安全值则得出桥梁整体性能不满足要求的结果。
6.如权利要求1或2所述的不中断交通的连续箱型梁整体受力性能试验评估方法，其特征在于，所述传感器为应变传感器或位移传感器或应力传感器。
7.如权利要求3所述的不中断交通的连续箱型梁整体受力性能试验评估方法，其特征在于，所述桥梁的连续梁为三跨任意截面任意跨径连续梁，该连续梁包括桥梁1#跨、2#跨和3#跨，定义连续梁的1#跨跨径为L1，2#跨跨径为L2，3#跨跨径为L3；1#跨影响线影响因子分别为a1、a2，2#跨影响线影响因子分别为b1、b2，3#跨影响线影响因子分别为c1、c2；则任意截面x处弯矩影响线表达式为：
0≤XP≤L1：
Figure FDA0004001286180000021
L1≤XP≤L-L3:
Figure FDA0004001286180000022
L-L3≤XP≤L:
Figure FDA0004001286180000023
式中：L为三跨连续梁总跨径即L＝L1+L2+L3；影响线影响因子分别为：
Figure FDA0004001286180000024
Figure FDA0004001286180000031
Figure FDA0004001286180000032
式中，
Figure FDA0004001286180000033
Figure FDA0004001286180000034
Figure FDA0004001286180000035
Figure FDA0004001286180000036
Figure FDA0004001286180000037
式中，Ex为连续梁的材料弹性模量，Ix为连续梁的截面惯性矩。
8.如权利要求1所述的不中断交通的连续箱型梁整体受力性能试验评估方法，其特征在于，取所述加载车通过测试桥梁总长度的5％～95％之间的应变曲线进行比较。
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