一种基于车辆移动加载的中小桥梁承载能力评估方法

本发明涉及桥梁承载能力评估，具体涉及一种基于车辆移动加载的中小桥梁承载能力评估方法。

背景技术：

1、既有桥梁性能劣化将导致承载能力退化，依靠静载试验的桥梁承载能力评定方法被广泛应用于桥梁性能评估。静载试验能够通过静置车辆荷载观测桥梁静态响应，进而评价桥梁承载能力，但静载试验需要在中断交通的情况下进行，其人车时间成本高，对日常交通运输的干扰较大，且荷载试验中规定的荷载效率较高，易使在役桥梁出现新的损伤。并且当前研究对结构形式更为复杂的钢混组合连续梁桥承载能力快速评估的适用性研究仍为空白。为此，提出一种基于车辆移动加载的中小桥梁承载能力评估方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：如何解决桥梁静载试验过程存在的重载静置、交通阻误等问题，提供了一种基于车辆移动加载的中小桥梁承载能力评估方法，本方法有效提高了桥梁承载能力评估速率，避免了加载效率较高而导致桥梁结构损伤。

2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：

3、s1：时程响应获取

4、利用车辆移动加载获取包含桥梁影响线信息、结构动力成分和车辆多轴效应的桥梁时程响应；

5、s2：时程响应预处理

6、采用变分模态分解剥离桥梁时程响应中的结构动力成分，获取桥梁准静态时程响应；

7、s3：影响线识别

8、构建车辆信息矩阵并建立影响线识别模型，引入误差项并采用tikhonov正则化方法对影响线识别模型进行优化，利用优化后的影响线识别模型求解桥梁影响线；

9、s4：承载能力评估

10、通过在步骤s3中求解得到的桥梁影响线上开展虚拟加载，重构桥梁虚拟静力响应，并采用评估校验系数法评价桥梁承载能力。

11、更进一步地，在所述步骤s2中，vmd方法的具体处理过程如下：

12、s21：通过迭代搜寻k个模态，设各模态之和等于原始信号为约束条件，使各模态估计带宽最小，变分约束问题描述如下：

13、

14、其中，为对时间t的偏导，uk为第k个imf分量，ωk为第k个imf分量的频率，δ(t)为雷克分布函数，f(t)为输入的信号；

15、s22：引入二次惩罚因子α和拉格朗日乘法算子λ(t)，将变分约束问题转化为非约束变分问题，无约束lagrange函数如下：

16、

17、s23：利用拉格朗日乘法算子获取无约束lagrange函数中的鞍点，通过迭代来更新ukn+1、ωkn+1、λkn+1；

18、s24：初始化{ωk1}、{uk1}、λ1、n，迭代更新uk、ε、λ，直到满足容许误差ε，迭代停止，输出k个imf分量。

19、更进一步地，在所述步骤s23中，定义更新公式如下：

20、

21、

22、

23、其中，^表示傅里叶变换运算，τ为时间步长，相当于当前剩余量的维纳滤波，为当前模态函数功率谱的重心。

24、更进一步地，在所述步骤s24中，容许误差判别式如下：

25、

26、更进一步地，在所述步骤s2中，经过vmd方法处理后，桥梁时程响应被分解为k个imf分量，通过快速傅里叶变化获取各imf分量的主频率，将主频率大于桥梁结构基频的imf分量可视为结构动力成分并剔除，k从2开始依次取值，当imf(k-1)的主频率小于桥梁结构基频，对imf(k-1)、imf(k)进行信号重构，重构信号即为桥梁结构测点的准静态时程响应，也即桥梁准静态时程响应。

27、更进一步地，在所述步骤s2中，桥梁准静态时程响应的表达式如下：

28、

29、其中，y(k)为实测桥梁响应，s为车辆轴数，mi为车辆轴重，θ(k-qi)为第i轴对应的影响线系数，ηi为结构动力成分系数，qi为各轴与第一轴之间采样差，为整数，具体表达式为：

30、qi＝cif/v

31、其中，ci为第i轴与第一轴的距离，f为采样频率，v为车辆速度。

32、更进一步地，在所述步骤s3中，影响线识别模型如下：

33、ys＝lφ

34、其中，ys为桥梁准静态响应，φ为桥梁节点的影响线系数，l为车辆信息矩阵；

35、以车辆前轴上桥与后轴出桥为计时起点和终点，车辆信息矩阵如下：

36、

37、更进一步地，在所述步骤s3中，通过引入误差e对影响线识别模型进行修正，修正后的影响线识别模型如下：

38、ys＝lφ+e；

39、采用tikhonov正则化方法通过l2范数作为罚函数来限制最小二乘表达式，得到影响线求解的正则化表达式如下：

40、

41、其中，正则化矩阵t为：

42、

43、将正则化矩阵带入影响线求解的正则化表达式并求导，令导函数为0，优化后的影响线识别模型如下：

44、φ＝(ltl+λ2ttt)-1ltys

45、其中，λ为正则化系数，通过l曲线法确定λ最优值使得影响线求解的正则化表达式中两项范数和最小；

46、将λ最优值带入优化后的影响线识别模型表达式即可求解出桥梁影响线，λ最优值位于l曲线曲率最大点。

47、更进一步地，在所述步骤s4中，通过将桥梁截面i的影响线系数θi与该位置相应荷载mi的乘积相加，即可重构出桥梁虚拟静力响应，实现桥梁影响线虚拟加载，进而构建评估校验系数，根据计算得到的评估校验系数结果评估桥梁承载能力。

48、更进一步地，在所述步骤s4中，评估校验系数计算公式如下：

49、

50、其中，g为车道数，θi为测点截面i对应位置的影响线系数，ξ为评估校验系数。

51、本发明相比现有技术具有以下优点：该基于车辆移动加载的中小桥梁承载能力评估方法，利用单辆重车移动加载获取包含桥梁影响线信息、结构动力成分和车辆多轴效应的桥梁时程响应；然后采用变分模态分解剥离桥梁时程响应中的结构动力成分，再根据采样频率及车辆轴距构建桥梁影响线识别数学模型，从而剔除桥梁时程响应中的车辆多轴效应；并利用tikhonov正则化方法解得桥梁影响线的稳定解；然后通过在桥梁影响线上开展虚拟加载，重构桥梁虚拟静力响应，并采用传统校验系数法评价桥梁承载能力，有效提高了桥梁承载能力评估速率，避免了加载效率较高而导致桥梁结构损伤。

技术特征：

1.一种基于车辆移动加载的中小桥梁承载能力评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于车辆移动加载的中小桥梁承载能力评估方法，其特征在于：在所述步骤s2中，vmd方法的具体处理过程如下：

3.根据权利要求2所述的一种基于车辆移动加载的中小桥梁承载能力评估方法，其特征在于：在所述步骤s23中，定义更新公式如下：

4.根据权利要求2所述的一种基于车辆移动加载的中小桥梁承载能力评估方法，其特征在于：在所述步骤s24中，容许误差判别式如下：

5.根据权利要求2所述的一种基于车辆移动加载的中小桥梁承载能力评估方法，其特征在于：在所述步骤s2中，经过vmd方法处理后，桥梁时程响应被分解为k个imf分量，通过快速傅里叶变化获取各imf分量的主频率，将主频率大于桥梁结构基频的imf分量可视为结构动力成分并剔除，k从2开始依次取值，当imf(k-1)的主频率小于桥梁结构基频，对imf(k-1)、imf(k)进行信号重构，重构信号即为桥梁结构测点的准静态时程响应，也即桥梁准静态时程响应。

6.根据权利要求5所述的一种基于车辆移动加载的中小桥梁承载能力评估方法，其特征在于：在所述步骤s2中，桥梁准静态时程响应的表达式如下：

7.根据权利要求6所述的一种基于车辆移动加载的中小桥梁承载能力评估方法，其特征在于：在所述步骤s3中，影响线识别模型如下：

8.根据权利要求7所述的一种基于车辆移动加载的中小桥梁承载能力评估方法，其特征在于：在所述步骤s3中，通过引入误差e对影响线识别模型进行修正，修正后的影响线识别模型如下：

9.根据权利要求8所述的一种基于车辆移动加载的中小桥梁承载能力评估方法，其特征在于：在所述步骤s4中，通过将桥梁截面i的影响线系数θi与该位置相应荷载mi的乘积相加，即可重构出桥梁虚拟静力响应，实现桥梁影响线虚拟加载，进而构建评估校验系数，根据计算得到的评估校验系数结果评估桥梁承载能力。

10.根据权利要求9所述的一种基于车辆移动加载的中小桥梁承载能力评估方法，其特征在于：在所述步骤s4中，评估校验系数计算公式如下：

技术总结
本发明公开了一种基于车辆移动加载的中小桥梁承载能力评估方法，属于桥梁承载能力评估技术领域，包括以下步骤：S1：时程响应获取；S2：时程响应预处理；S3：影响线识别；S4：承载能力评估。本发明利用单辆重车移动加载获取桥梁时程响应；然后采用变分模态分解剥离桥梁时程响应中的结构动力成分，再根据采样频率及车辆轴距构建桥梁影响线识别数学模型，从而剔除桥梁时程响应中的车辆多轴效应；并利用Tikhonov正则化方法解得桥梁影响线的稳定解；然后通过在桥梁影响线上开展虚拟加载，重构桥梁虚拟静力响应，并采用传统校验系数法评价桥梁承载能力，有效提高了桥梁承载能力评估速率，避免了加载效率较高而导致桥梁结构损伤。

技术研发人员：周宇,贺文宇,李舒,李宁波,吴德义,赵小龙,卢恋,林键,孙文卓,尚稳齐
受保护的技术使用者：安徽建筑大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14