CN116952345A - 一种基于应变面积的桥梁动态称重方法 - Google Patents

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CN116952345A CN202310917398.4A CN202310917398A CN116952345A CN 116952345 A CN116952345 A CN 116952345A CN 202310917398 A CN202310917398 A CN 202310917398A CN 116952345 A CN116952345 A CN 116952345A
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吴文清
王云鹏
周小燚
刘正
曹冲
吴雨芹
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Abstract

本发明涉及一种基于应变面积的桥梁动态称重方法，属于桥梁工程中桥梁动态称重技术领域。取桥梁跨中截面底部位置作为传感器测点，通过实际桥梁跑车试验，提取每个动应变传感器数据，标定出测点所对应的桥梁应变影响面；通过理论应变面积和实测应变面积相等建立方程组，对于所取的每个测试点均建立一个求解方程组，构造误差函数求解待测车辆总重；确定误差函数值最小时所对应的方程组，此时方程组中的车辆总重即为实际车辆的总重。

Description

一种基于应变面积的桥梁动态称重方法
技术领域
本发明涉及一种基于应变面积的桥梁动态称重方法，属于桥梁工程中桥梁动态称重技术领域。
背景技术
近年来，我国公路桥梁建设事业迅猛发展，其中我国中小桥占比90％以上。随着车辆数目的增多和运输需求的增长，超载事件常有发生，导致桥梁性能劣化甚至倒塌。亟需一种方便快捷的称重系统来对桥梁上车辆荷载进行监测和管控。
公路桥梁针对载重车辆的管控，主要有两种方法，一种是通过在路面下埋设条状传感器，当车辆经过时对条带产生压力，通过传感器转化成电信号，达成称重的目的。但此种方法需要开挖路面，且条状传感器耐久性不足，经多次碾压后性能下降。另一种就是桥梁动态称重。桥梁动态称重系统是将桥梁结构视为一杆“秤”，通过在桥梁底部不同的测点安装动应变计等传感器测定车辆过桥时间段内桥梁的动力响应，以此来识别车重，具有不中断交通、对路面无破坏、耐久性好、造价低等优点。此外，测试数据还可用于对桥梁健康状况的监测，便于桥梁的管养和维护。
目前桥梁动态称重的算法主要使用Moses算法，此种方法采集车辆过桥时的动应变信息，用已知重量的车辆过桥并采集信息，可以反算出桥梁的影响线。而动应变信号约等于桥梁影响线与荷载值乘积的叠加，根据这一原理，比较理论值与实测值，运用最小二乘原理来识别车重。但传统的Moses算法只适用于一维结构，即单车道单车通行的情况，当桥面较宽时，仅用单一梁影响线来计算会带来较大的识别误差，且不适用于多车通行的工况。
发明内容
本发明针对上述问题提供了一种基于应变面积的桥梁动态称重方法。
一种基于应变面积的桥梁动态称重方法，步骤如下：
S1、取桥梁跨中截面底部位置确定作为传感器测点，沿桥梁横向布设与主梁对应数量的动应变传感器，用于采集车辆过桥时桥梁的动态应变响应；
S2、通过实际桥梁跑车试验，提取每个动应变传感器数据，标定出测点所对应的桥梁应变影响面；影响面是一个与桥面位置对应的空间函数，每个测点对应一个应变影响面函数；
S3、以桥面的几何中心点为坐标原点，横桥向作为x轴，纵桥向作为y轴，建立坐标系；桥面分布有车道，在每个车道范围内，沿x轴选取一定间距的位置点，确定位置点的坐标，对于任意一个位置点，得到坐标后，便可从每个测点影响面中取出对应坐标的应变影响线，然后对应变影响线进行积分求出应变面积St；设待测车辆的总重为m，则m×St为理论应变面积；
S4、进行车辆过桥测试：待测车辆实际过桥时，以S1步骤中位于桥面不同位置的传感器测点，从各个测点的传感器采集车辆从上桥到出桥的整个时间历程的应变时域曲线，对采集到的每个测点的应变时域曲线积分求应变面积；
S5、根据S3步骤获得的理论应变面积、S4步骤中获得的实测应变面积建立方程组，该方程组中对于所取的每个位置点均建立一个求解方程组；
S6、对S5步骤中每个位置点所建立的方程组，构造误差函数求解待测车辆总重；确定误差函数值最小时所对应的方程组，此时方程组中的车辆总重即为实际车辆的总重。
本发明所述的基于应变面积的桥梁动态称重方法，所设定的车道数为n股；分别标记为k1,k2,k3,…,kn车道；
则同时横向分布的车辆个数也为n，按车辆分布在车道上的位置依次将车辆总重记为m1,m2,m3,…,mn，
确定每个车道范围内的传感器测点编号为1～N，则车道k1的位置点编号为k11,k12,k13,…,k1n，
道kn的位置点编号为kn1,km2,kn3,…,knN，
传感器编号为Q1,Q2,Q3,…,Qm，表示车辆行驶在位置点kij(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,N)时，从传感器Ql(l＝1,2,3,…,m)测点处的影响面中所取出的影响线的积分面积，/>表示Ql传感器所实测的应变时域曲线的积分面积，
按照上述定义建立如下方程组：
共可得到Nn个方程组。
本发明所述的基于应变面积的桥梁动态称重方法，S6步骤为：
由最小二乘法构造误差函数ER，ER表示第R个方程组的误差函数，R＝1,2,3,…,Nn，表述如下：
为求得ER的极值，令偏导数为零，得到以下式子：
对于每个误差函数ER，均可解出相应的m1,m2,m3,…,mn，把得到的m1,m2,m3,…,mn值代入误差函数中，求出误差ER，令此时G所对应的m1,m2,m3,…,mn，则是各个待测车辆的真实总重。
本发明所述的基于应变面积的桥梁动态称重方法，S3步骤中沿x轴选取一定间距的位置点，确定位置点的坐标，选取的位置点的坐标的间距不大于10cm。
有益效果
本发明结合标定影响面，考虑了荷载在桥梁上的横向分布作用，利用采集的动应变信息，基于应变面积编制算法，可以准确识别出多车道多车行驶工况下车辆的总重。相比于传统的基于Moses算法的桥梁动态称重系统，无需布置车轴传感器，仅利用应变传感器便可获得出车辆的总重，减少了车轴传感器安装对路面铺装的破坏，系统布置简便且经济，便于工程应用；且适用于多车道多车通行工况，拓展了桥梁动态称重系统的应用范围，可为结构安全评估和超载治理提供重要数据。
附图说明
图1为本发明的基于应变面积的桥梁动态称重方法算法流程图；
图2为本发明的基于应变面积的桥梁动态称重方法采用的传感器测点布置示意图；
图3为本发明的基于应变面积的桥梁动态称重方法中标定影响面示意图；
图4为本发明的基于应变面积的桥梁动态称重方法中双车道桥梁的位置点设置示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
一种基于应变面积的梁桥动态称重方法，用于监测过桥车辆的横向位置和车辆总重，具体实施步骤包括：
步骤S1：取桥梁跨中截面底部确定作为传感器测点，如图2所示，沿桥梁横向布设与主梁对应数量的动应变传感器，用来采集车辆过桥时桥梁的动态应变响应；
步骤S2、通过实际桥梁跑车试验，提取每个动应变传感器数据，标定出测点所对应的桥梁应变影响面。影响面是一个与桥面位置对应的空间函数，每个测点对应一个应变影响面函数；
步骤S3：以桥面的几何中心点为坐标原点，横桥向作为x轴，纵桥向作为y轴，建立坐标系。桥面分布有车道，在每个车道范围内，沿x轴选取一定间距的位置点，确定位置点的坐标，对于任意一个位置点，得到坐标后，便可从每个测点影响面中取出对应坐标的应变影响线，然后对应变影响线进行积分求出应变面积St；设待测车辆的总重为m，则m×St为理论应变面积。
步骤S4、待测车辆实际过桥时，各个测点的传感器采集车辆从上桥到出桥的整个时间历程的应变数据，对采集到的每个测点的应变数据积分求应变面积Sp；Sp为实测应变面积；
步骤S5、根据理论应变面积m×St和实测应变面积Sp相等建立求解方程组，方程组中的未知数为待测车辆的总重m，对于所取的每个位置点均可建立一个求解方程组；
步骤S6、对每个位置点所建立的方程组，构造误差函数求解待测车辆总重m，将求得的m代入误差函数中；找出使得误差函数值最小时所对应的方程组，此时方程组中的待测车辆总重m即为实际车辆的总重。
其中，所述步骤S1还包括以下内容：
首先确定传感器测点，通过动应变传感器采集动态数据，为获得最大的动态响应，一般将动应变传感器置于每根梁梁底。应变传感器测点的数量需根据桥面车道数来选取，假设桥面车道数为n，则传感器测点个数最少应为2n，传感器测点应尽量沿桥梁横向均匀分布。以简支组合式箱梁混凝土桥为例，如图2所示，为获得较大的传感器测量值，应变测点应布置在梁底跨中位置。
其中，所述步骤S2还包括以下内容：
此算法需要标定桥梁的实际影响面，在实际过程中，实际影响面的获取很困难。但在实际检测过程中，由于桥梁横纵向离散点的分布较为规律，可先采集试验点的数据，然后通过曲面拟合的方法拟合出桥梁的实际影响面。如图3所示，为影响面的形状图。具体的方法如下：
所述步骤S2中设置实际桥梁跑车试验，使车辆沿桥面不同横向位置行驶，采集车辆过桥时传感器的响应，用数学方法获得桥梁每个横向位置所对应测点的影响线，将不同横向位置得到的影响线按坐标组合，拟合出全桥的影响面。
步骤如下：
1)选定车重及轴重已知的重型标定车辆(一般车辆总重为不小于20吨)；
2)选取车辆行驶的横向位置，沿桥面横向选取，并赋予横向位置坐标，横向位置的间距不得超过1m；
3)使标定车辆沿划定的横向位置行驶，行驶时应尽量使车头中心线与划定的横向位置线重合，行驶过程中保持匀速且速度不超过15km/h；
4)车辆沿某个横向位置行驶，测点传感器实时采集应变数据，由Moses算法可标定出这一横向位置坐标所对应的不同测点的应变影响线；
5)重复步骤4)，便可得到划定的所有的横向位置坐标所对应的不同测点的应变影响线；
6)将每个测点所对应的影响线按照横向位置的坐标组合，并通过曲面拟方式拟合出全桥的影响面。通过以上标定方法，可以得到不同测点的影响面。
其中，所述步骤S3、S4和S5还包括以下内容：
以桥面的几何中心点为坐标原点，横桥向作为x轴，纵桥向作为y轴，建立坐标系。桥面分布有车道，在每个车道范围内，沿x轴选取一定间距的位置点，确定位置点的坐标，对于任意一个位置点，得到坐标后，便可从每个测点影响面中取出对应坐标的应变影响线，然后对应变影响线积分求出应变面积；
假设桥面车道数为n，依次标记为k1,k2,k3,…,kn车道，则同时横向分布的车辆个数也为n，按车辆分布在车道上的位置依次将车辆总重记为m1,m2,m3,…,mn，在每个车道范围内，沿x轴选取一定间距的位置点，确定位置点的坐标，理论来说位置点坐标间距越小计算结果越准确，但会带来方程组数量增多，增加计算时间，此处取间距10mm。确定每个车道范围内的位置点编号为1～N，则车道k1的位置点编号为k11,k12,k13,…,k1n,车道kn的位置点编号为kn1,kn2,kn3,…,knN，因为车道线的存在将车辆行驶位置限定在一定范围内，且车辆对桥梁的作用等效为沿车辆的中心线加载，则在算法中车辆可能的行驶的横向位置点会限定在一定范围内，图4为双车道桥梁的位置点设置示意图。
传感器编号记为Q1,Q2,Q3,…,Qm，表示车辆行驶在位置点kij(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,N)时，从传感器Ql(l＝1,2,3,…,m)测点处的影响面中所取出的影响线的积分面积，/>表示Ql传感器所实测的应变时域曲线的积分面积，得到以下方程：
共可得到Nn个方程组。
其中，所述步骤S6还包括以下内容：
由最小二乘法构造误差函数ER，ER表示第R个方程组的误差函数，R＝1,2,3,…,Nn，则有下式：
为求得ER的极值，令偏导数为零，得到以下式子：
对于每个误差函数ER，均可解出相应的m1,m2,m3,…,mn，把得到的m1,m2,m3,…,mn值代入误差函数中，求出误差ER，令此时G所对应的m1,m2,m3,…,mn，则是各个待测车辆的真实总重。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于应变面积的桥梁动态称重方法，其特征在于：步骤如下：
S1、取桥梁跨中截面底部位置确定作为传感器测点，沿桥梁横向布设与主梁对应数量的动应变传感器，用于采集车辆过桥时桥梁的动态应变响应；
S2、通过实际桥梁跑车试验，提取每个动应变传感器数据，标定出测点所对应的桥梁应变影响面；
S3、以桥面的几何中心点为坐标原点建立坐标系；以桥面所划定的车道范围内设定位置点，并确定位置点坐标，从每个测点所对应的桥梁应变影响面中提取位置点坐标对应的应变影响线；对应变影响线进行积分求出应变面积；
S4、进行车辆过桥测试：待测车辆实际过桥时，以S1步骤中位于桥面不同位置的传感器测点，从各个测点的传感器采集车辆从上桥到出桥的整个时间历程的应变数据，对采集到的每个测点的应变时域积分求应变面积；
S5、根据S3步骤获得的理论应变面积、S4步骤中获得的实测应变面积建立方程组，该方程组中对于所取的每个位置点均建立一个求解方程组；
S6、对S5步骤中每个位置点所建立的方程组，构造误差函数求解待测车辆总重；确定误差函数值最小时所对应的方程组，此时方程组中的车辆总重即为实际车辆的总重。
2.根据权利要求1所述的基于应变面积的桥梁动态称重方法，其特征在于：所设定的车道数为n股；分别标记为k1,k2,k3,…,km车道；
则同时沿车道横向分布的车辆个数也为n，按车辆分布在车道上的位置依次将车辆总重记为m1,m2,m3,…,mn，
确定每个车道范围内位置点有N个，则车道k1的位置点编号记为k11,k12,k13,…,k1N，车道kn的位置点编号记为kn1,kn2,kn3,…,knN；
传感器编号为Q1,Q2,Q3,…,Qm；
表示车辆行驶在位置点kij(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,N)时，从传感器Ql(l＝1,2,3,…,m)测点处的影响面中所取出的影响线的积分面积；
表示Ql传感器所实测的应变时域曲线的积分面积；
按照上述定义建立如下方程组：
3.根据权利要求1所述的基于应变面积的桥梁动态称重方法，其特征在于：S6步骤为：
由最小二乘法构造误差函数ER，ER表示第R个方程组的误差函数，R＝1,2,3,…,Nn，表述如下：
为求得ER的极值，令偏导数为零，得到以下式子：
对于每个误差函数ER，均可解出相应的m1,m2,m3,…,mn，把得到的m1,m2,m3,…,mn值代入误差函数中，求出误差ER，令此时G所对应的m1,m2,m3,…,mn，则是各个待测车辆的真实总重。
4.根据权利要求1所述的基于应变面积的桥梁动态称重方法，其特征在于：S3步骤具体如下：
S3-1、以桥面的几何中心点为坐标原点，横桥向作为x轴，纵桥向作为y轴，建立坐标系；
S3-2、桥面分布有车道，在每个车道范围内，沿x轴选取一定间距的位置点，确定位置点的坐标；
S3-3、针对S3-2中所得到的位置点，通过任意一个位置点得到坐标后，从每个测点影响面中取出对应坐标的应变影响线；
S3-4、对应变影响线进行积分求出应变面积St；设待测车辆的总重为m，则m×St为理论应变面积。
5.根据权利要求4所述的基于应变面积的桥梁动态称重方法，其特征在于：所述的S3-2步骤中选取的位置点的坐标的间距不大于10cm。
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