一种基于动态称重系统的桥梁疲劳寿命频域分析方法
【专利说明】一种基于动态称重系统的桥梁疲劳寿命频域分析方法 所属技术领域
[0001 ] 本发明属于桥梁疲劳寿命评估技术领域。
【背景技术】
[0002] 改革开放以来我国的国民经济迅猛发展，越来越多的机动车辆出现在城市桥梁和 道路上，其中不乏一些重车和超重车，对现有桥梁的设计寿命和使用安全形成了巨大的挑 战。随着桥梁的疲劳损伤越来越频繁的发生，甚至出现了因疲劳而发生整体坍塌的桥梁破 坏，引起了我国交通管理部门的极高重视。
[0003] 对桥梁进行疲劳剩余寿命评估需要通过实测法或者规范方法来获得应力历程。实 测法获得应力时程相对来说比较直接并且更接近实际，该方法是通过对实桥特定测点安置 应变传感器，获取测点某段时间的应力历程。但实测法操作不便，成本较高，并且通过测点 部位的疲劳状况估计其他部位的疲劳会给评估带来不便及偏差。规范法获得应力时程比较 方便，该方法是将规范规定的标准疲劳车加载在结构影响线上模拟计算出应力历程。目前 各国都在各自的桥梁设计规范中给出了相应的疲劳设计车辆荷载谱，但我国在这方面开展 的研究很少，且由于机动车辆的数量迅速增加、重车及超重车的不断出现，现行规范荷载与 实际车辆荷载不相适应。
[0004] 目前桥梁疲劳评估一般基于线性累积损伤理论，多采用雨流计数法得到应力谱， 然后结合材料的疲劳特性（S-N曲线）求得循环荷载对结构造成的损伤，进而预测寿命。但 这种方法需要存储大量数据，且需要循环计数，计算量非常大，计算时间非常长，难以实现 实时桥梁疲劳寿命预测。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是克服现有技术的不足，解决现有桥梁评估方法精度不高、储存数 据过多、计算时间过长等缺点，结合动态称重系统（WIM)提供一种桥梁疲劳频域分析方法。 本发明的技术方案如下：
[0006] 为实现上述发明目的采用了以下技术方案：
[0007] -种基于动态称重系统的桥梁疲劳寿命频域分析方法，包括下列步骤：
[0008] 第一步：采集通过桥梁的各个车辆的车重、车速、轴距数据；
[0009] 第二步：统计第一步采集的数据，并进行曲线拟合，具体步骤如下：
[0010] 1)根据桥梁测试分类标准对统计数据进行分类，并绘制出各类车辆的车重、车长 及车速统计直方图；
[0011] 2)通过对车重、车长及车速的直方图进行分析，确定曲线拟合方法：
[0012] 对于单峰分布，采用两参数威布尔分布进行拟合；对于双峰分布，采用双峰正态分 布进行拟合；对于多峰分布，采用根据数据插值绘制概率密度曲线；
[0013] 第三步，将元胞的长度设计为0. 1米，根据第二步拟合的概率密度曲线，建立车辆 的元胞自动机仿真模型，生成随机交通流；
[0014] 第四步，根据第三步生成的随机交通流，模拟出不同的车流密度条件下的荷载时 程，并将荷载时程加载到桥梁影响线上，得出应力时程数据；
[0015] 第五步，对应力时程进行快速傅里叶转换FFT，并得到应力功率谱密度PSD，并计 算出相关参数，具体步骤如下：
[0016] 1)使用MATLAB自带的pwelch函数对应力时程进行快速傅里叶转换FFT，将时域 信号转化为频域信号，并得出应力功率谱密度PSD，离散取样时，采用harming窗函数，以解 决频谱泄漏问题；
[0017] 2)使用公式n% = J(( P.G(〇df对应力功率谱密度PSD处理，式中，mn为应力功率谱 密度PSD的η次矩，f为频率，G (f)为f频率下对应的功率；
[0018] 3)对应力功率谱密度PSD的η次矩进行特征化处理，得到
中，Ε[0]为应力时程曲线与时间轴交 点的数目，Ε[Ρ]为应力时程曲线的峰值点数目，γ为不规则系数，0〈y〈2;RMS为信号统计 值的均方根；
[0019] 第六步，使用Dirlik法建立应力概率密度函数TOF的经验形式，公式为
Z为标准应力范 围，S为应力幅；
[0020] 式中Dp D2、Q、D3、R为经验权重因子，取值范围由平均频率Xni和不规则系数γ确 定，
[0021] 第七步，计算剩余寿命。
[0022] 计算剩余寿命的具体步骤如下：
[0023] 1)使用振动疲劳方法计算损伤度，公式为E[D] = 式中，T为ls， p (S)为概率密度，K、m为疲劳细节的S-N曲线参数，其中K为材料常数，1/m为S-N曲线负 斜率；
[0024] 2)根据损伤度，计算剩余寿命。
[0025] 本发明的有益效果如下：
[0026] 1)本发明使用动态称重系统采集的车长、车重、车速等数据，通过分析拟合出对应 曲线，并使用元胞自动机产生交通流，进而计算应力时程。本发明采用的应力时程相对传统 规范法而言更为符合实际情况，解决了由于机动车辆的数量迅速增加、重车及超重车的不 断出现，现行规范荷载与实际车辆荷载不相适应的问题；同时相对实测应力法而言，避免了 通过测量有限点的数据来推算实际结构的整体疲劳性能时测点选择时带来的偏差。
[0027] 2)在桥梁的日常运行中，车辆对桥的作用实际上是一种随机振动。对应力时程进 行快速傅里叶变换（FFT)，将时域信号转化为频域信号，可以分析其频谱特性，进而采用振 动疲劳分析的方法对桥梁进行疲劳评估，运算结果更为精确。
[0028] 3)使用Dirlik方法得出应力幅的概率密度函数（PDF)，计算简单，避免了雨流计 数法的循环计数、数据处理量大、计算时间长等特点，更适用于桥梁健康监测系统实时分 析。
[0029] 4)随机动态应力在时域内需要很长的信号记录才能准确地描述随机响应，用来进 行疲劳分析的频域信号采样率只要达到时域信号采样率的1/10就可以得到与用时域信号 预测同样精度的结果，频域信号的读取、储存都比时域信号方便。
【附图说明】
[0030] 图1本发明原理流程图
[0031] 图2本发明采用的动态称重系统采集的B类车车速直方图
[0032] 图3本发明采用的动态称重系统采集的B类车车长直方图
[0033] 图4本发明采用的动态称重系统采集的B类车车重直方图
[0034] 图5本发明采用的动态称重系统采集的B类车车速概率密度模拟
[0035] 图6本发明采用的动态称重系统采集的B类车车长概率密度模拟
[0036] 图7本发明采用的动态称重系统采集的B类车车重概率密度模拟
[0037] 图8本发明计算出的B类车车重计算函数
[0038] 图9本发明采用的动态称重系统采集的F类车车重直方图
[0039] 图10本发明采用的动态称重系统采集的F类车车重概率密度模拟
[0040] 图11 MATLAB语言编制程序模拟出不同的车流密度条件下的荷载-时间历程
[0041] 图12采用频谱分析得到的应力功率谱密度PSD
[0042] 图13 Dirlik法计算得到的应力幅概率密度函数TOF
【具体实施方式】
[0043] 动态称重系统（W頂，Weight In Motion)是一组安装的传感器和含有软件的电子 仪器，用来测量动态轮胎力和车辆通过时间，以提供车重、车速、轴距等数据。依据天津某桥 动态称重系统采集的数据，结合公式和附图对本发明【具体实施方式】进行详细说明。
[0044] 图1是本发明的流程图。
[0045] 根据该桥测试分类标准将车辆分为BCDF四类，对实测数据按照车型分为四组，并 对每组进行统计，绘制出各类车车速、车重、车长的直方图，如图2、图3、图4、图9所示。通 过对直方图进行分析，确定曲线拟合方法