一种基于车流数据和可靠度理论的城市桥梁限载确定方法与流程

本发明涉及随机车流荷载模型、桥梁承载能力评估等领域，主要涉及一种基于可靠度理论的桥梁限载值计算方法。

背景技术：

我国在役公路桥梁在设计荷载及抗力衰减状况等方面都存在差异，且潜在的超重车辆数目庞大，目前的超载认定标准不能准确地为桥梁的限载取值提供可靠的依据，加大了公路管理部门对超重汽车的治理力度，也使超载运输通行许可证的审批工作陷入困境。尽管国内学者在超载桥梁限载取值方面做了大量的理论与试验研究工作，目前仍然采用上世纪90年代提出的典型车辆荷载模型，尚未形成较完善的桥梁限载标准，未能提出具备工程适用性的超载桥梁限载取值分析模型，桥梁限载模式方面的研究滞后，使国家层面的公路桥梁限载规范的制定受到了制约。

车辆的超载会严重危害到生命财产安全，车辆荷载对桥梁结构的作用应引起我们的高度重视，对结构实际受载情况的认知极为迫切且意义重大，从可靠度角度确定桥梁的限载标准，可以为相关部门管理措施的制定以及桥梁安全管养提供科学依据，解决当前部分桥梁限载值不清楚不准确问题。

技术实现要素：

本发明提供了重载车辆通行桥梁限载值可靠度计算方法，提出具备工程适用性的超载桥梁限载取值分析模型，从可靠度角度确定桥梁的限载标准，为相关部门管理措施的制定以及桥梁安全管养提供科学的依据。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于车流数据和可靠度理论的城市桥梁限载确定方法，包括以下步骤：

步骤1：通过动态称重设备采集桥梁通行车辆信息，采集通行线路上的车型、车重、车速分布和车头间距数据，所有车辆根据轴数分类成若干有限的车型1、车型2、……、车型k，同时对每种车型的轴距进行均值标准化处理；

步骤2：对每种车型各轴轴重用概率密度分布函数进行拟合，得到每种车型各轴轴重的概率密度分布状况，同时确定车道车辆间距分布；

步骤3：设定初始限载值wl，随机抽样车辆形成随机车流荷载模型，对超过限载值wl车辆重新抽取；

步骤4：确定待限载桥梁的控制截面并计算相应影响线，将随机车流模型用影响线加载，对于多车道桥梁，将各车道随机车流荷载在控制截面响应叠加，选取每天桥梁控制截面响应极值，得到以天为单位的桥梁控制截面响应极值样本；

步骤5：对桥梁控制截面响应的极值样本进行广义极值分布拟合，得到桥梁控制截面响应极值分布sd；

步骤6：基于设计文件、桥梁有限元模型计算和相关检测试验结果，计算控制截面的恒载效应ss及承载力r；

步骤7：根据可靠度理论和桥梁极限状态方程z＝r-sd-ss计算当前限载值wl下桥梁相应的可靠度指标β；

步骤8：将分析得到的可靠度指标β和相关规范条款进行比较，如不满足，则修改限载值wl重复步骤(3)-(7)，直至满足可靠度指标要求的限载值wl。

作为更进一步的优选方案，步骤2车型轴重分布采用混合高斯分布，表达式为：

其中为第j轴第i种分布的轴重高斯分布函数，μji和σji分别为高斯分布的均值与方差，aji为轴重x属于gj(x|μji,σji)分布的概率；

车道车辆间距采用对数正态分布或广义极值分布，所述的对数正态分布为：

其中x为表示车距的随机变量，μ为中心参数，σ为形状参数；

所述的广义极值分布为：

其中x为表示车距的随机变量，k为3类极值分布函数的统一系数，μ为中心参数，σ为形状参数。

作为更进一步的优选方案，步骤3随机抽样先确定当日车流量数量n辆，抽样顺序为：第1辆车车型——第1辆车轴重——第一辆车车距——第2辆车车型——第2辆车轴重——第2辆车车距……第n辆车车型——第n辆车轴重。

作为更进一步的优选方案，步骤4影响线加载方法为将随机车流模型信息存储在一维矩阵{f}中，即矩阵{f}包含了车流车载信息，其中awij表示第i辆车第j轴轴重：

{f}＝[aw110…0awij0…0…]

一个车道的随机车流荷载模型为相隔一个轴距或者车距的离散集中荷载，一维矩阵中非零的值表示轴重，两轴重之间0的个数表示轴重之间的距离，设定δl为任意相邻两个值之间距离，δl大小决定计算精度；

桥梁控制界面影响线信息存储在一维矩阵{l}中，即矩阵{l}包含了桥梁承载力信息，设定δl为任意相邻两个值之间距离：

{l}＝[x0x1x2…xk…xm]

其中xk表示在距离影响线初始位置kδl处加载单位轴重对控制截面产生的效应，

将{f}任意相邻的m+1个值与{l}中全部的m+1个值相乘即完成一次加载。

作为更进一步的优选方案，步骤5广义极值分布拟合可采用耿贝尔分布gumbeldistribution或韦布尔分布weibulldistribution。

有益效果

本发明为相关部门管理措施的制定以及桥梁安全管养提供科学依据，为解决由于我国道路桥梁车辆超载现像愈发严重情况、桥梁的荷载设计标准更迭变化以及已建桥梁的荷载设计标准不统一等问题导致的桥梁限载不清楚不准确提供一种基于车流数据和可靠度理论的计算方法。本方法能够考虑车辆轴重轴距信息，用数学模型处理考虑现实中车辆荷载变化情况，充分考虑车辆荷载具有不确定性特性，相较于使用标准荷载加载方法确定的限载值更加准确。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是车型4轴重频率分布直方图及拟合分布；

图3是车辆间距样本；

图4是某桥梁限载50t时车辆荷载效应极值频率分布直方图及拟合分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

本发明的基于车流数据和可靠度理论的城市桥梁限载确定方法，以下结合某城市一座现役混凝土桥以及用动态称重系统得到26天102537辆车的车流数据进行说明，该桥为三跨变截面箱型混凝土桥，总长150m，跨径组合为45+60+45m，单幅12m，单幅双车道，结构安全等级为一级。

实施步骤如下：

步骤1，提取该城市已有的动态称重系统(wim)记录的过往车辆数据，得到原始车流信息，总结归纳每一辆车的轴重，轴距，车速等信息。根据车轴数量将所有车辆分为六种车型，由于2轴车型占比最多，轴距离散较大，将二轴车型分为车型1和车型2，车型3到车型6分别是三轴到六轴车型，六轴及以上车型占比较少，未考虑六轴以上车型。同种车型轴数相同，轴距客观上存在差异，轴距抽样过于复杂且对计算结果影响不大，为减少处理量对每种车型轴距均值标准化处理，即统计每种车型各个轴距，取轴距的平均值代替该车型的所有轴距。以车型4，四轴货车为例，均值标准化后第一个轴距为2.01m，代表统计到的三轴货车第一个轴距的平均值为2.01m,2.01m轴距将代表所有三轴货车的第一个轴距。

通过均值简化，各车型信息如表1所示，表中aw代表轴重，下标第一个数字表示车型编号，第二个数字表示轴距编号。

表1各车型占比及车型示意

步骤2，对每种车型各轴轴重和车辆间距用概率密度分布函数进行拟合，采集到的车辆轴重信息展现出的混合高斯分布特性，用混合高斯分布函数进行拟合，混合高斯分布表达式为：

其中为第j轴第i种分布的轴重高斯分布函数，μji和σji分别为高斯分布的均值与方差，aji为轴重x属于gj(x|μji,σji)分布的概率。

以车型4为例，车辆轴重信息拟合后的分布参数如下表2所示，概率分布图如图2所示。

表2车辆轴重混合高斯分布参数

针对车辆间距对荷载效应的影响，根据车辆通过时间和速度计算两辆车间距，用两者速度的平均值乘以两辆车到达动态称重的时间差作为两辆车之间车距，得到车距样本，如图3所示。对车距样本进行广义极值分布拟合，本例中车距分布函数为

y＝f(x)＝0.00509exp{-[1+0.00489(x-232.93)]^-1.042}[1+0.00489(x-232.93)]^-2.042

取两种典型车流运行状态，分别为密集车流和稀疏车流，将原有的车距进行修正，分别均值标准化到10m和100m，均值标准化处理方法为将车距进行缩放，以考虑车距不利情况影响，缩放前后车距分布情况类似，人为将车距均值缩放到10m和100m得到修正后的车距分布模型。

步骤3，对轴重分布模型、车距分布模型进行抽样，根据当地车流辆数据确定每日车流量数量5000辆，同时设定初始桥梁限载值50t。抽样顺序为：第1辆车车型——第1辆车轴重——第一辆车车距——第2辆车车型——第2辆车轴重——第2辆车车距……第5000辆车车型——第5000辆车轴重，当抽取的车辆轴重超过限载值时重新抽样，直至完整抽取5000辆车辆信息。

步骤4，使用midas有限元分析软件建立桥梁有限元分析模型，确定桥梁的控制截面并计算相应影响线，使用影响线加载。

影响线加载在matlab平台进行编程，以控制截面弯矩为例，将弯矩影响线每隔0.1m存储在一维矩阵{l}＝[x0x1x2…xk…x1600]中，桥长160m，矩阵元素为1601个。以天为单位，将每日的随机车流荷载模型每隔0.1m存储在一维矩阵中，从第1个元素取相邻的1601个元素组成车流荷载矩阵，将车流荷载矩阵向量与影响线向量相乘得到一次荷载效应，同样从第2个元素取相邻的1601个元素组成车流荷载矩阵，重复计算，直到完成当日所有车辆，取荷载效应最大值得到该日的极值响应。重复365次抽样计算，乘以规范规定的冲击系数，得到一年的车辆荷载效应极值样本，计算一年的响应，用于推算相应荷载重现期的桥梁可靠度。

步骤5，用matlab软件求桥梁控制截面响应极值样本的频率分布直方图，同时进行广义极值分布拟合，如图4所示。

步骤6，结合设计文件、桥梁有限元模型和相关检测试验结果，计算得到该桥中跨跨中抗弯承载力26630.7kn.m，桥梁自重下跨中弯矩16031.6kn.m，则可承受的随机车流效应限值：26630.7-16031.6＝10599.1kn.m，可靠度z为10599.1kn.m减去随机车流效应值大于零的概率。进而计算当前限载值50t下桥梁相应的可靠度指标为3.24。

步骤7，参考《公路工程结构可靠性设计统一标准》(jtg2120-2020)的可靠度指标规定，所计算的可靠度指标不应小于表3的要求，发现不满足，将限载值修改为36t，重复以上步骤，调整后的限载值满足要求，即确定该桥的限载值为36t。

表3结构构件的可靠度指标β

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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。