三轴车辆缓慢通过连续梁桥跨中位移影响线快速提取方法

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111695261A(43)申请公布日2020.09.22(21)申请号202010537245.3(22)申请日2020.06.12(71)申请人哈尔滨工业大学地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号(72)发明人高庆飞　武彪　刘洋　刘锋　李虎　(74)专利代理机构哈尔滨龙科专利代理有限公司23206代理人高媛(51)Int.Cl.G06F30/20(2020.01)G06F30/13(2020.01)G06F111/10(2020.01)G06F119/14(2020.01)权利要求书4页10页附图6页(54)发明名称三轴车辆缓慢通过连续梁桥跨中位移影响线快速提取方法(57)摘要三轴车辆缓慢通过连续梁桥跨中位移影响线快速提取方法，属于桥梁检测方法技术领域。本发明可将三个车轴作用下的位移曲线快速转化为结构影响线，可与理论值进行直接对比，增加其可操作性，进而实现桥梁状态快速准确的评定。本发明将针对现场实测跨中位移曲线，进行有效分离，将其与理论影响线进行对比，即可实现桥梁技术状态的快速评定工作。通过该方法，可有效解决准静力荷载试验过程中数据处理时理论值不易获取进而导致无法与实测值对比的技术难。本发明相比于积分与滤波等方式，更易于被工程师接受，也可通过Excel等简单编辑即可得到结果，因此，可作为连续梁桥跨中位移影响线快速提取的有效方法。CN111695261ACN111695261A权　利　要　求　书1/4页1.三轴车辆缓慢通过连续梁桥跨中位移影响线快速提取方法，所述车辆的行驶速度小于5km/h，其特征在于：所述方法具体如下：对应的三轴载重车，前轴、中轴与后轴的轴重分别为P/5、2P/5、2P/5，总重为P，前轴与中轴间距为s1，中轴与后轴间距为s2；前轴到桥梁左侧支点的距离x1＝x，中轴到桥梁左侧支点的距离x2＝x-s1，后轴到桥梁左侧支点的距离x3＝x-s1-s2；跨中竖向位移如下：Ⅰ.x＜s1Ⅱ.s1＜x＜lⅢ.s1+s2＜x＜lⅣ.l＜x＜l+s1Ⅴ.l+s1＜x＜l+s1+s2Ⅵ.Ⅶ.2CN111695261A权　利　要　求　书2/4页Ⅷ.Ⅸ.Ⅹ.2l＜x＜2l+s1Ⅺ.2l+s1＜x＜2l+s1+s2Ⅻ.2l+s1+s2＜x＜3l上述公式中，E为弹性模量，I为截面惯性矩，l为桥梁计算跨径，f0(x)为跨中竖向位移，f1(x1)为前轴行驶至x1时利用第1类表达式计算得到的跨中竖向位移，f1(x2)为中轴行驶至x2时利用第1类表达式计算得到的跨中竖向位移，f1(x3)为后轴行驶至x3时利用第1类表达式计算得到的跨中竖向位移，f2(x1)为前轴行驶至x1时利用第2类表达式计算得到的跨中竖向位移，f2(x2)为中轴行驶至x2时利用第2类表达式计算得到的跨中竖向位移，f2(x3)为后轴行驶至x3时利用第2类表达式计算得到的跨中竖向位移，f3(x1)为前轴行驶至x1时利用第3类表达式计算得到的跨中竖向位移，f3(x2)为中轴行驶至x2时利用第3类表达式计算得到的跨中竖向位移，f3(x3)为后轴行驶至x3时利用第3类表达式计算得到的跨中竖向位移。跨中竖向位移影响线计算公式为3CN111695261A权　利　要　求　书3/4页式中，y(x)为桥梁距离左侧支点x的位置处跨中位移影响线的数值，f0(x1)为荷载位于x1时中跨跨中竖向位移，f0(x2)为荷载位于x2时中跨跨中竖向位移，f0(x3)为荷载位于x3时中跨跨中竖向位移，f(x)为试验测得的中跨跨中竖向位移曲线；所以，跨中位移影响线如下：Ⅰ.x＜s1Ⅱ.s1＜x＜lⅢ.s1+s2＜x＜lⅣ.l＜x＜l+s1Ⅴ.l+s1＜x＜l+s1+s2Ⅵ.Ⅶ.Ⅷ.4CN111695261A权　利　要　求　书4/4页Ⅸ.Ⅹ.2l＜x＜2l+s1Ⅺ.2l+s1＜x＜2l+s1+s2Ⅻ.2l+s1+s2＜x＜3l5CN111695261A说　明　书1/10页三轴车辆缓慢通过连续梁桥跨中位移影响线快速提取方法技术领域[0001]本发明属于桥梁检测方法技术领域，具体涉及三轴车辆缓慢通过连续梁桥跨中位移影响线快速提取方法。背景技术[0002]据《2019年交通运输行业发展统计公报》显示，截止2019年底，我国已建公路桥梁约87.83万座，已经成为名副其实的桥梁大国。随着我国交通运输事业的蓬勃发展，桥梁结构安全性是沟通全线的关键。然而，随着既有桥梁服役时间的增长，交通荷载的持续增大与自然环境因素的长期作用，以及不同时期规范更新，使得大多中小跨径桥梁承受着较高汽车荷载效应的影响，处于超负荷运营，致使承载能力退化，增加失效的危险性。[0003]为了确保桥梁结构安全运营，现行行业标准《公路桥梁承载能力检测评定规程》与《公路桥梁荷载试验规程》明确给出了基于结构检算与荷载试验的方法，进行桥梁结构承载能力的确定。传统的荷载试验方法，安全可靠，能够较为全面的反映结构的实际状况；但是，需要耗费大量的人力与物力，并进行较长时间的交通中断。对于高速公路以及城市主干道等重要路线的桥梁，显然，长时间中断交通具有很大的难度，且造成的经济损失也极为可观。[0004]近年来很多研究人员提出了通过动力荷载试验进行桥梁承载能力快速评定的方法，并开展了相关方面的研究，可避免长时间中断交通的困难。不管是冲击系数还是振动加速度，其本质上都是刚度的对比，从力学原理上来说是具备一定的可行性的。但是，由于冲击系数与振动加速度都是车辆以一定速度经过桥梁测试而得到的，涉及到车辆振动与桥梁振动相互影响的车桥耦合振动问题，存在明显的两个弊端：(1)车桥耦合振动涉及到大量非线性分析，且缺乏通用软件，对于一线工程师而言技术难度太大；(2)车桥耦合振动影响因素众多，尤其是桥面不平整度的影响最为显著，而恰恰对于需要进行状态评定的桥梁所对应的桥面状况都不是很好，致使测试结果的随机性较大。所以，大家逐渐意识到，基于动力荷载试验的桥梁状态评定现场实施的可操作性不是很强。[0005]因此，最近两三年，部分学者结合静力特征的稳定性与动载试验的便捷性，提出了准静力荷载试验的方法，具体方法是：采用指定车辆以缓慢速度通过桥梁，测试跨中位移的变化历程，将其与理论值进行对比，以判断桥梁的实际状态。其本质与其他学者提出的基于影响线的桥梁状态评定方法是一致的，都是刚度是否满足要求的体现。另外，车辆行驶速度非常缓慢，认为车辆振动与桥梁振动之间相互影响的车桥耦合振动效应很小，可忽略不计。但该方法依然存在两个问题：(1)力学概念不是很清晰，与影响线类似但还不是影响线，缺乏相应的专业术语；(2)涉及到车辆多个轴重的作用，且是移动荷载，获得其理论值具有一定的难度。[0006]既有桥梁结构中，绝大多数为中小跨径桥梁。连续梁桥受力明确，施工简单，早些年受到了众多工程师的青睐。但是，对于多跨桥梁结构而言，连续梁桥由于伸缩缝较多，致使其行车舒适性严重下降。因此，现有中小跨径桥梁基本90％以上均为等跨径等截面连续6CN111695261A说　明　书2/10页梁桥，其中，公路桥梁常见结构形式为装配式简支转连续梁桥，城市桥梁常见结构形式为支架现浇单箱多室连续梁桥。可以看出，对等跨径等截面连续梁桥的研究显得尤为必要。另外，现有荷载试验过程中，三轴载重车最为常见。发明内容[0007]本发明是为了解决现有准静力荷载试验方法力学概念不清晰，无法明确获得位移影响线的理论值的问题，提供一种三轴车辆缓慢通过连续梁桥跨中位移影响线快速提取方法，该方法明确了基于位移影响线的连续梁桥状态快速评定方法，力学概念清晰。[0008]为实现上述目的，本发明采取的技术如下：[0009]三轴车辆缓慢通过连续梁桥跨中位移影响线快速提取方法，所述车辆的行驶速度小于5km/h，所述方法具体如下：[0010]对应的三轴载重车，前轴、中轴与后轴的轴重分别为P/5、2P/5、2P/5，总重为P，前轴与中轴间距为s1，中轴与后轴间距为s2；前轴到桥梁左侧支点的距离x1＝x，中轴到桥梁左侧支点的距离x2＝x-s1，后轴到桥梁左侧支点的距离x3＝x-s1-s2；[0011]跨中竖向位移公式如下：[0012]Ⅰ.x＜s1[0013][0014]Ⅱ.s1＜x＜l[0015][0016]Ⅲ.s1+s2＜x＜l[0017][0018]Ⅳ.l＜x＜l+s1[0019][0020]Ⅴ.l+s1＜x＜l+s1+s2[0021][0022]Ⅵ.7CN111695261A说　明　书3/10页[0023][0024]Ⅶ.[0025][0026]Ⅷ.[0027][0028]Ⅸ.[0029][0030]Ⅹ.2l＜x＜2l+s1[0031][0032]Ⅺ.2l+s1＜x＜2l+s1+s2[0033][0034]Ⅻ.2l+s1+s2＜x＜3l[0035][0036]上述公式中，E为弹性模量，I为截面惯性矩，l为桥梁计算跨径，f0(x)为跨中竖向8CN111695261A说　明　书4/10页位移，f1(x1)为前轴行驶至x1时利用第1类表达式计算得到的跨中竖向位移，f1(x2)为中轴行驶至x2时利用第1类表达式计算得到的跨中竖向位移，f1(x3)为后轴行驶至x3时利用第1类表达式计算得到的跨中竖向位移，f2(x1)为前轴行驶至x1时利用第2类表达式计算得到的跨中竖向位移，f2(x2)为中轴行驶至x2时利用第2类表达式计算得到的跨中竖向位移，f2(x3)为后轴行驶至x3时利用第2类表达式计算得到的跨中竖向位移，f3(x1)为前轴行驶至x1时利用第3类表达式计算得到的跨中竖向位移，f3(x2)为中轴行驶至x2时利用第3类表达式计算得到的跨中竖向位移，f3(x3)为后轴行驶至x3时利用第3类表达式计算得到的跨中竖向位移。[0037]跨中竖向位移影响线计算公式为[0038][0039]式中，y(x)为桥梁距离左侧支点x的位置处跨中位移影响线的数值，f0(x1)为荷载位于x1时中跨跨中竖向位移，f0(x2)为荷载位于x2时中跨跨中竖向位移，f0(x3)为荷载位于x3时中跨跨中竖向位移，f(x)为试验测得的中跨跨中竖向位移曲线；[0040]所以，跨中位移影响线如下：[0041]Ⅰ.x＜s1[0042][0043]Ⅱ.s1＜x＜l[0044][0045]Ⅲ.s1+s2＜x＜l[0046][0047]Ⅳ.l＜x＜l+s1[0048][0049]Ⅴ.l+s1＜x＜l+s1+s2[0050][0051]Ⅵ.9CN111695261A说　明　书5/10页[0052][0053]Ⅶ.[0054][0055]Ⅷ.[0056][0057]Ⅸ.[0058][0059]Ⅹ.2l＜x＜2l+s1[0060][0061]Ⅺ.2l+s1＜x＜2l+s1+s2[0062][0063]Ⅻ.2l+s1+s2＜x＜3l[0064][0065]本发明相对于现有技术的有益效果为：通过该方法，可将三个车轴作用下的位移曲线快速转化为结构影响线，可与理论值进行直接对比，增加其可操作性，进而实现桥梁状态快速准确的评定。[0066]本发明将针对现场实测跨中位移曲线，进行有效分离，将其与理论影响线进行对比，即可实现桥梁技术状态的快速评定工作。通过该方法，可有效解决准静力荷载试验过程中数据处理时理论值不易获取进而导致无法与实测值对比的技术难题。[0067]本发明相比于积分与滤波等方式，更易于被工程师接受，也可通过Excel等简单编辑即可得到结果，因此，可作为连续梁桥跨中位移影响线快速提取的有效方法。附图说明[0068]图1为三轴载重车前轴位于桥上中轴后轴未上桥的示意图；[0069]图2为三轴载重车前轴中轴位于桥上后轴未上桥的示意图；[0070]图3为三轴载重车前轴中轴后轴位于左边跨的示意图；[0071]图4为三轴载重车前轴位于中跨、中轴后轴位于左边跨的示意图；[0072]图5为三轴载重车前轴中轴位于中跨、后轴位于左边跨的示意图；[0073]图6为三轴载重车前轴中轴后轴位于中跨但未到中跨跨中的示意图；[0074]图7为三轴载重车前轴中轴后轴位于中跨且前轴超过中跨跨中的示意图；[0075]图8为三轴载重车前轴中轴后轴位于中跨且前轴中轴超过中跨跨中的示意图；[0076]图9为三轴载重车前轴中轴后轴位于中跨且前轴中轴后轴都超过中跨跨中的示意10CN111695261A说　明　书6/10页图；[0077]图10为三轴载重车前轴位于右边跨中轴后轴位于中跨的示意图；[0078]图11为三轴载重车前轴中轴位于右边跨后轴位于中跨的示意图；[0079]图12为三轴载重车前轴中轴后轴位于右边跨的示意图；[0080]图13为实施例1的实施步骤流程图；[0081]图14为实施例1的中跨跨中位移曲线图；[0082]图15为实施例1利用本方法得到的跨中位移影响线示意图；[0083]图16为实施例1中跨中位移影响线理论值示意图；[0084]图17为实施例1中跨中位移影响线实测值与理论值相对误差对比示意图。具体实施方式[0085]下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。[0086]具体实施方式一：本实施方式记载的是三轴车辆缓慢通过连续梁桥跨中位移影响线快速提取方法，所述车辆的行驶速度小于5km/h，所述方法具体如下：[0087]对应的三轴载重车，前轴、中轴与后轴的轴重分别为P/5、2P/5、2P/5，总重为P，前轴与中轴间距为s1，中轴与后轴间距为s2；前轴到桥梁左侧支点的距离x1＝x，中轴到桥梁左侧支点的距离x2＝x-s1，后轴到桥梁左侧支点的距离x3＝x-s1-s2；[0088]跨中竖向位移公式如下：[0089]Ⅰ.x＜s1[0090][0091]Ⅱ.s1＜x＜l[0092][0093]Ⅲ.s1+s2＜x＜l[0094][0095]Ⅳ.l＜x＜l+s1[0096][0097]Ⅴ.l+s1＜x＜l+s1+s2[0098]11CN111695261A说　明　书7/10页[0099]Ⅵ.[0100]Ⅶ.[0101]Ⅷ.[0102]Ⅸ.[0103]Ⅹ.2l＜x＜2l+s1[0104][0105]Ⅺ.2l+s1＜x＜2l+s1+s2[0106][0107]Ⅻ.2l+s1+s2＜x＜3l12CN111695261A说　明　书8/10页[0108][0109]上述公式中，E为弹性模量，I为截面惯性矩，l为桥梁计算跨径，f0(x)为跨中竖向位移，f1(x1)为前轴行驶至x1时利用第1类表达式计算得到的跨中竖向位移，f1(x2)为中轴行驶至x2时利用第1类表达式计算得到的跨中竖向位移，f1(x3)为后轴行驶至x3时利用第1类表达式计算得到的跨中竖向位移，f2(x1)为前轴行驶至x1时利用第2类表达式计算得到的跨中竖向位移，f2(x2)为中轴行驶至x2时利用第2类表达式计算得到的跨中竖向位移，f2(x3)为后轴行驶至x3时利用第2类表达式计算得到的跨中竖向位移，f3(x1)为前轴行驶至x1时利用第3类表达式计算得到的跨中竖向位移，f3(x2)为中轴行驶至x2时利用第3类表达式计算得到的跨中竖向位移，f3(x3)为后轴行驶至x3时利用第3类表达式计算得到的跨中竖向位移。[0110]跨中竖向位移影响线计算公式为[0111][0112]式中，y(x)为桥梁距离左侧支点x的位置处跨中位移影响线的数值，f0(x1)为荷载位于x1时中跨跨中竖向位移，f0(x2)为荷载位于x2时中跨跨中竖向位移，f0(x3)为荷载位于x3时中跨跨中竖向位移，f(x)为试验测得的中跨跨中竖向位移曲线；[0113]对于上述第1类表达式、第2类表达式和第3类表达式的说明如下：[0114]当集中力P作用在边跨上时，此时中跨跨中挠度为：[0115][0116]当集中力P作用在中跨上时，且时，此时中跨跨中挠度为：[0117][0118]当集中力P作用在中跨上时，且时，此时中跨跨中挠度为：[0119][0120]f1、f2、f3即分别为第1类表达式、第2类表达式和第3类表达式，a1表示为集中力作用位置到边跨边支点的距离；a2表示集中力作用位置到中跨左侧支点的距离。[0121]所以，跨中位移影响线如下：[0122]Ⅰ.x＜s1[0123][0124]Ⅱ.s1＜x＜l13CN111695261A说　明　书9/10页[0125][0126]Ⅲ.s1+s2＜x＜l[0127][0128]Ⅳ.l＜x＜l+s1[0129][0130]Ⅴ.l+s1＜x＜l+s1+s2[0131][0132]Ⅵ.[0133][0134]Ⅶ.[0135][0136]Ⅷ.[0137][0138]Ⅸ.[0139][0140]Ⅹ.2l＜x＜2l+s1[0141][0142]Ⅺ.2l+s1＜x＜2l+s1+s2[0143][0144]Ⅻ.2l+s1+s2＜x＜3l14CN111695261A说　明　书10/10页[0145][0146]实施例1：[0147]三轴载重车缓慢过桥实例：跨径布置为3×40m的三跨混凝土连续梁桥，其计算跨径为l＝40m；三轴载重车缓慢通过桥梁，车辆总重为P＝300kN，对应的前轴中轴后轴重量分别为60kN、120kN、120kN，前轴与中轴轴距s1＝4m，中轴与后轴轴距为s2＝1.4m。具体实施步骤如图13所示。[0148]跨中断面布置位移传感器，其中跨跨中位移曲线如图14所示，利用本方法分离后获取得到的跨中位移影响线如图15所示，通过有限元模型分析，跨中位移影响线理论值如图16所示，二者对比，相对误差如图17所示，可以看出，支点附近断面，由于位移或者影响线数值较小，误差略大，但也不超过5％；其余断面的相对误差均不超过3％，足以满足工程需求。由此说明，本发明的方法是有效的。15CN111695261A说　明　书　附　图1/6页图1图2图316CN111695261A说　明　书　附　图2/6页图4图5图617CN111695261A说　明　书　附　图3/6页图7图8图918CN111695261A说　明　书　附　图4/6页图10图11图1219CN111695261A说　明　书　附　图5/6页图13图14图1520CN111695261A说　明　书　附　图6/6页图16图1721