专利名称：用于正交异性桥面板钢箱梁桥的车辆荷载动态称重方法
技术领域：
本发明涉及桥梁健康监测领域，特别是涉及一种用于正交异性桥面板钢箱梁桥的车辆荷载动态称重方法。
背景技术：
目前我国公路车辆在运输货物时，普遍存在超重现象，而且超重车辆占相当高的比例。超重对路面的破坏非常严重，国家每年要投入大量的财力、物力和人力进行维修加固。超载给路上行人及车辆带来了非常大的安全隐患，并偷逃了大量道路税费。超限、超载问题引起的公路损坏及桥梁坍塌的事故也屡见不鲜。因此，车辆动态称重技术已成为公路桥梁健康监测中必不可少发展方向之一。
目前，动态称重系统有几种不同的结构。从传感元件角度出发，可分为压电式、电容式、应变式。压电式将压电传感器放在路面上，测量当汽车轮胎从上面经过时，就将施加一个压力给压电传感器。而通过测量传感器输出的电压或电荷，就可以推知汽车轮胎作用于传感器上的压力，从而得到汽车的总重量。其优点是结构简单，安装方便，可做成便携式。但是压电传感器的压电常数随着使用时间的增加而减小，为了保证称重仪的精度，必须每隔一段时间进行一次灵敏度校正，并且称重仪的误差比较大，例如便携式可达30%。电容式动态称重系统由两块或多块导体板组成，各导体板带有等量异号电荷，电容器的两极板之间充有不导电的电介质。当一个压力施加在导体板上时，电容器的电容发生变化。通过检测电容的变化，就可以把压力测量出来，通过把多个中间夹有电介质的电容器正确排列起来，即可以用来测量运动汽车的重量。电容式动态称重仪灵敏度高，测量速度快。但是长时间使用后，电容器内填充介质易变形，需重新校正，并且易受电磁干扰。基于应变式的动态称重系统主要采用弯板式动态称重仪。其称重方式是把电阻应变片粘贴在一块弹性平板上，并把它铺设在路面上，当汽车轮胎经过平板时，平板由于受到轮胎的压力而变形，从而造成电阻应变片电阻发生变化，测量电阻值变化，即可推知作用于平板上的汽车的重量。弯板式动态称重仪性能稳定可靠，灵敏度高，测量速度快。弯板式动态称重仪长时间使用后，电阻应变片灵敏度下降，需重新校正，并且电阻应变片易受电磁干扰。目前市场上的动态称重系统都是埋设在路面中，安装时要全部或部分封闭交通，影响道路通行，并且施工时要开挖路面，对路面结构造成破坏。另外系统埋设在路面下，对系统的防水密封、防腐蚀、线缆的保护要求较高，系统施工复杂，易受电磁干扰，整体造价较闻。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种用于正交异性桥面板钢箱梁桥的车辆荷载动态称重方法，安装方便、造价低廉、无需中断交通、不开挖破坏路面，可实现桥梁车辆荷载的无损自动化动态称重。本发明提供的用于正交异性桥面板钢箱梁桥的车辆荷载动态称重方法，包括以下步骤A、在每个行车道布置至少6个应变传感器，其中至少5个应变传感器纵桥向分别安装在同一节段钢箱梁内两个横隔板间的至少5个U肋底部，并在已安装的至少I个应变传感器所在U肋间隔I 8个节段钢箱梁内两横隔板间U肋的底部纵桥向安装I个应变传感器，测量通过车辆的纵向应变数据；B、将测量得到的应变数据传输至光纤光栅解调仪转换为光信号，并通过光纤光栅解调仪终端进行解调，将车辆经过时引起的应变传感器波长的改变解算成测点位置应变的变化，再将解算的应变数据传输到计算机，计算机设置信号采样频率和同一 U肋上在不同节段钢箱梁内的应变传感器间距、横隔板间距参数后，通过对不同节段钢箱梁内同一U肋上的测点实测应变进行互相关分析确定通过车辆的车速，通过对同一节段钢箱梁内不同U肋上的测点实测应变面积向量进行分析，结合钢箱梁U肋应变影响线面积向量进行夹角余弦距离分析，解算出通过的每辆车在行车道上横向作用位置和重量。
在上述技术方案中，步骤A中所述至少I个应变传感器安装在相邻节段钢箱梁内两横隔板间U肋底部。在上述技术方案中，步骤A中所述至少I个应变传感器安装在间隔3 5个节段钢箱梁内两横隔板间U肋底部。在上述技术方案中，步骤A中所述至少I个应变传感器安装在间隔4个节段钢箱梁内两横隔板间U肋底部。在上述技术方案中，所述应变传感器安装在U肋底部的跨中位置或者1/4跨位置。在上述技术方案中，步骤B中所述计算机设置同一 U肋上在不同节段钢箱梁内的传感器间距参数的过程如下选取同一 U肋上在不同节段钢箱梁内的两个应变传感器测点P和q，记录两个应变传感器测点P和q之间的实际距离D ;若在多个U肋的不同节段上设置了应变传感器，则分别记录同一 U肋上两个应变传感器测点之间的实际距离。在上述技术方案中，步骤B中所述确定通过车辆的车速的过程如下设定采样频率为fs，fs ^ 100Hz，实时采集各应变传感器的应变信号，分离出它们各自在同一时段同一辆车通过时的应变时程数据Sp (t)和Sq(t)，其中，t为数据序号，t = 1，2，3…n，n为大于3
的整数，表示数据长度，对时程数据求互相关函数得到
权利要求
1.一种用于正交异性桥面板钢箱梁桥的车辆荷载动态称重方法，其特征在于包括以下步骤 A、在每个行车道布置至少6个应变传感器，其中至少5个应变传感器纵桥向分别安装在同一节段钢箱梁内两个横隔板间的至少5个U肋底部，并在已安装的至少I个应变传感器所在U肋间隔I 8个节段钢箱梁内两横隔板间U肋的底部纵桥向安装I个应变传感器，測量通过车辆的纵向应变数据； B、将测量得到的应变数据传输至光纤光栅解调仪转换为光信号，并通过光纤光栅解调仪终端进行解调，将车辆经过时引起的应变传感器波长的改变解算成测点位置应变的变化，再将解算的应变数据传输到计算机，计算机设置信号采样频率和同一 U肋上在不同节段钢箱梁内的应变传感器间距、横隔板间距參数后，通过对不同节段钢箱梁内同一 U肋上的测点实测应变进行互相关分析确定通过车辆的车速，通过对同一节段钢箱梁内不同U肋上的测点实测应变面积向量进行分析，结合钢箱梁U肋应变影响线面积向量进行夹角余弦距离分析，解算出通过的每辆车在行车道上横向作用位置和重量。
2.如权利要求I所述的用于正交异性桥面板钢箱梁桥的车辆荷载动态称重方法，其特征在于步骤A中所述至少I个应变传感器安装在相邻节段钢箱梁内两横隔板间U肋底部。
3.如权利要求I所述的用于正交异性桥面板钢箱梁桥的车辆荷载动态称重方法，其特征在于步骤A中所述至少I个应变传感器安装在间隔3 5个节段钢箱梁内两横隔板间U肋底部。
4.如权利要求3所述的用于正交异性桥面板钢箱梁桥的车辆荷载动态称重方法，其特征在于步骤A中所述至少I个应变传感器安装在间隔4个节段钢箱梁内两横隔板间U肋底部。
5.如权利要求I所述的用于正交异性桥面板钢箱梁桥的车辆荷载动态称重方法，其特征在于所述应变传感器安装在U肋底部的跨中位置或者1/4跨位置。
6.如权利要求I至5中任一项所述的用于正交异性桥面板钢箱梁桥的车辆荷载动态称重方法，其特征在干步骤B中所述计算机设置同一 U肋上在不同节段钢箱梁内的传感器间距參数的过程如下选取同一 U肋上在不同节段钢箱梁内的两个应变传感器测点P和q，记录两个应变传感器测点P和q之间的实际距离D ;若在多个U肋的不同节段上设置了应变传感器，则分别记录同一U肋上两个应变传感器测点之间的实际距离。
7.如权利要求6所述的用于正交异性桥面板钢箱梁桥的车辆荷载动态称重方法，其特征在于步骤B中所述确定通过车辆的车速的过程如下设定采样频率为fs，fs ^ 100Hz,实时米集各应变传感器的应变信号，分离出它们各自在同一时段同一辆车通过时的应变时程数据Sp(t)和Sq(t)，其中，t为数据序号，t = 1，2，3…η，η为大于3的整数，表示数据长度，对时程数据求互相关函数得到Kり=+Σ\(叭( +り，T=a±1’±2”'±w，计算出互相关函数取最大值时对应的參数τ max, τ max表示车辆通过测点P和q的时间间隔点数,车D Dxfs辆速度*ν=|7Ι=]Γ了如果在多个υ肋的不同节段上设置了应变传感器，则按照上 ，述方法分别求出多个车速，然后计算出多个车速的平均值，作为最终车速。
8.如权利要求7所述的用于正交异性桥面板钢箱梁桥的车辆荷载动态称重方法，其特征在于计算出车速后，选取同一节段钢箱梁内的所有应变传感器测点，同一节段钢箱梁内应变传感器的数量为M，11为> 5的整数，横桥向以行车道的中心位置为零，顺桥向以应变传感器的安装位置为零，计算车辆在行车道横向不同位置Xi时，所有测点的应变影响线Lk，xi (y)，其中，k表示测点号,k = 1,2,3…M7Xi表示车辆在桥上的横向位置,Xi = i XO. 05米，i= 0, ±1, ±2··· ±20, y表不车辆在桥上顺桥向位置,对于姆一个测点k,应变影响线Lk,xi(y)是ー个ニ维矩阵；先采用已知重量的车辆在每个行车道的横向不同位置Xi驶过称重系统的安装位置，采集所有应变传感器的应变数据，得到每个测点的实测应变影响线，对计算出来的应变影响线Lk,xi (y)进行标定，随后对车辆进行动态称重假设两个横隔板之间的间距为1，对于钢箱梁U肋，影响线在距离应变传感器位置I. 5倍横隔板外取值接近于零，通过测试软件对标定后的应变影响线Lk,xi(y)分别计算车辆在桥上的行车道横向不同位置时,每个测点对应的一系列影响线面积
9.如权利要求8所述的用于正交异性桥面板钢箱梁桥的车辆荷载动态称重方法，其特征在于得到所有测点的影响线面积U勾成的影响线面积向量ん,后，实时采集同一节段钢箱梁内的所有应变传感器测点的应变信号，分离出它们各自在同一辆车通过时的应变时程数据Sk(t)曲线，其中，k表示测点号，k= 1，2，3…M，M表示同一节段钢箱梁内应变传感器的数量；确定车辆通过距应变传感器前后I. 5倍横隔板位置的时间tl和t2，分别计算它们的应变面积
10.如权利要求9所述的用于正交异性桥面板钢箱梁桥的车辆荷载动态称重方法，其特征在干得到所有应变传感器的应变面积Bk构成的应变面积向量月后，分别计算实测应变面积向量力与车辆横向不同作用位置的影响线面积向量ネ^之间夹角的余弦距离
全文摘要
本发明公开了一种用于正交异性桥面板钢箱梁桥的车辆荷载动态称重方法，涉及桥梁健康监测领域，包括步骤在正交异性桥面板钢箱梁内顶板U肋底部安装光纤光栅应变传感器，测量车辆经过传感器位置时U肋的纵桥向应变，应变经传感器转换为光信号，并通过光纤光栅解调仪进行解调；通过对不同节段钢箱梁内同一U肋上的测点实测应变进行互相关分析确定车辆的车速，对同一节段钢箱梁内不同U肋上的测点实测应变面积向量进行分析，结合钢箱梁U肋应变影响线面积向量进行夹角余弦距离分析，解算出每辆车在行车道上横向作用位置和重量。本发明安装方便、造价低廉、无需中断交通、不开挖破坏路面，可实现桥梁车辆荷载的无损自动化动态称重。
文档编号G01B11/16GK102628708SQ20121010395
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月11日 优先权日2012年4月11日
发明者叶仲韬, 吴巨峰, 李星新, 梅秀道, 汪正兴, 王超, 王鸣辉, 程辉, 郭翠翠, 钟继卫 申请人:中铁大桥局集团有限公司, 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司