本發(fā)明屬于橋梁試驗檢測、健康監(jiān)控及超載車治理領域。特別是基于橋梁動應變識別單車軸重的方法。
背景技術：
：近年來，我國陸續(xù)出現(xiàn)了多次重大橋梁事故。這些發(fā)生的事故與很多因素有關，但是缺乏有效的監(jiān)測措施和必要的維修、養(yǎng)護措施是重要的原因之一。這些觸目驚心的事故使得人們對現(xiàn)代橋梁的質(zhì)量和壽命也逐漸關注起來。對橋梁結構進行試驗檢測、健康監(jiān)測和交通運輸治理超載車輛，已成為國內(nèi)外學術界、工程界研究的熱點。傳統(tǒng)的橋梁檢測在很大程度上依賴于管理者和技術人員的經(jīng)驗，往往對橋梁特別是大型橋梁的狀況缺乏全面的把握和了解，信息得不到及時反饋。如果對橋梁的病害估計不足，就很可能失去養(yǎng)護的最佳時機，加快橋梁損壞的進程，縮短橋梁的服務壽命。如果對橋梁的病害估計過高，便會造成不必要的資金浪費，使得橋梁的承載能力不能充分發(fā)揮。目前，車輛超重行駛的現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)，而橋梁的負載是有一定的限度，當這些超重的車輛通過橋梁，無疑會對橋梁產(chǎn)生一定的損害；而且隨著時間的推移，橋梁的老化，其承載能力也在變化，因此監(jiān)測通過橋梁車輛的重量，并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對于了解橋梁的健康狀況意義重大。但是一般常規(guī)地磅測重設備價格昂貴，單車道最便宜的也需要10萬元以上，且安裝時需要破壞原路面結構；使用時常規(guī)稱重地磅需要人為或借助攝像設備判別車輛及車軸數(shù)量；且常規(guī)地磅安裝在橋梁主體結構以外的路面上，多車道橋梁采用常規(guī)地磅難以對橋上并排行駛車輛對橋梁的影響進行統(tǒng)計。即使用常規(guī)的稱重地磅并不適用與橋梁上的車輛車軸數(shù)、車軸距或車軸重的測量，所以，社會上急需一種適用于測量在橋梁行駛的車輛總重量、車軸數(shù)、車軸距或車軸重的低成本方法或設備。中國專利201210249735.9公開基于橋梁動應變識別車輛重量的方法，包括以下步驟：在橋梁縱向?qū)ΨQ截面上布置動應變測量裝置；在安裝好動應變測量裝置的橋梁行車道上進行跑車實驗，同時采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至計算機；采用有限元仿真計算理論動應變，提取動應變結果形成的動應變時程曲線，并與實測值進行比較及相關分析，得出行車速度、動應變峰值及車輛重量的關系式T＝f(x,ε)或是曲線；根據(jù)各截面動應變達到峰值的時間差和截面距離采用軟件自動計算行車速度，同截面各測點動應變峰值取平均，帶入關系式T＝f(x,ε)或是曲線進行計算或比對求得通過該截面的車重。這里通過試驗尋找行車速度、動應變峰值及車輛重量的關系式，存在工作量大、適應性不高的問題，特別是每個橋梁的結構特性均不相同，這樣導致每次安裝都需要對在使用中的橋梁需要進行封閉性試驗、且試驗次數(shù)多、安裝效率低、安裝使用成本高，其推廣程度不高，無法應對中國目前橋梁的測量需求。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的發(fā)明目的是，針對上述問題，提供基于橋梁動應變識別單車軸重的方法，可實現(xiàn)橋梁的車流量、車輛荷載譜的統(tǒng)計自動統(tǒng)計工作，判別橋梁健康監(jiān)控其他物理參數(shù)是否異常，監(jiān)測橋梁結構的損傷及衰變情況提供交通荷載數(shù)據(jù)。為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是：基于橋梁動應變識別單車軸重的方法，在單車輛通過橋梁時對該車輛的車軸重測量步驟為：在橋梁1/2跨徑或最大應變反應處布置動應變傳感器，所述動應變傳感器在設置截面上并沿橋梁的縱向布置；所述動應變傳感器通過屏蔽電纜依次連接高速采集器和處理單元；所述高速采集器對動應變傳感器的應變信號進行采集并發(fā)送到處理單元中；所述處理單元對應變信號進行濾波處理并得到動應變時程曲線，提取得到動應變時程曲線的連續(xù)正應變發(fā)生區(qū)間，并對正應變發(fā)生區(qū)間內(nèi)的動應變時程曲線進行二階求導處理得到荷載系數(shù)曲線；所述處理單元根據(jù)荷載系數(shù)曲線和幅度閾值確定并提取荷載系數(shù)曲線上與車輛的車軸對應的曲線區(qū)間，計算該曲線區(qū)間的幅度大?。凰龇乳撝禐闈M足橋梁測量需求的最小單載荷通過所述橋梁時，其對應荷載系數(shù)曲線中最小單載荷對應的曲線區(qū)間的幅度大??；所述曲線區(qū)間滿足其幅度大小不小于幅度閾值大小；所述車軸重為＝(車輛的車軸對應的幅度大小/車輛的所有車軸對應的幅度大小之和)×車輛總重；所述車輛總重為正應變發(fā)生區(qū)間內(nèi)動應變時程曲線包絡的面積×常系數(shù)。本方案的重點在于獲取荷載系數(shù)曲線從而得到車軸重，具體是通過動應變傳感器取得應變信號數(shù)據(jù)，濾波處理，得到動應變時程曲線，建立對應的二維坐標系，確認并提取車輛通過的連續(xù)的正應變發(fā)生區(qū)間，保證數(shù)據(jù)準確性，且減少運算工作，提高工作效率；通過對正應變發(fā)生區(qū)間內(nèi)的動應變時程曲線進行二階求導獲取荷載系數(shù)曲線。荷載系數(shù)曲線為車輛車軸通過動應變傳感器測試點時，對應應變變化值突變時對應的軸荷載大小相關系數(shù)曲線，每個車軸通過測試點時引起的應變時唯一的。處理單元根據(jù)荷載系數(shù)曲線和幅度閾值確定荷載系數(shù)曲線上與車輛的車軸對應生成或引起的曲線區(qū)間，并計算該曲線區(qū)間的幅度大小，該幅度大小為最大曲線區(qū)間幅度大小。幅度閾值為滿足橋梁測量需求的最小單載荷通過所述橋梁時，其對應荷載系數(shù)曲線中最小單載荷對應的曲線區(qū)間的幅度大小。這里幅度閾值保證選取車輛車軸對應曲線區(qū)間的正確性，具體是篩除由于車輛行駛過程中的振動或橋梁振動造成的動應變影響，減少誤差影響。根據(jù)荷載系數(shù)曲線中，車輛每個車軸對應的曲線區(qū)間都是唯一的，即幅度大小都是唯一的，即可以得到單車通過橋梁時：車軸重為＝(車輛的車軸對應的幅度大小/車輛的所有車軸對應的幅度大小之和)×車輛總重；這里車輛總重可以通過公式(車輛總重為正應變發(fā)生區(qū)間內(nèi)動應變時程曲線包絡的面積×常系數(shù))獲得，常系數(shù)為對應橋梁的常數(shù)系數(shù)。相比之下，現(xiàn)有技術獲取車輛車軸重通過各軸重在整車車重當中的分配系數(shù)來確定的；根據(jù)一系列的軸重分配向量，那么各軸的分配向量可以綜合表示為：式中：0的個數(shù)pi，qi主要與車輛第i軸與車輛首、尾車軸的距離有關，由車速、應變信號采樣頻率共同決定，為應變影響線形狀按一定間距的離散向量，c為常數(shù)。這里向量Li為已知，可以理解為是根據(jù)固定車型的不同車重來識別各軸重。實際情況中車輛比較隨機，向量Li是不可能已知的；因此其對車輛車軸重測量不具有廣泛適應性，導致測量效果不理想，不能實際應用。而本方案中，通過提取荷載系數(shù)曲線中對應車軸的唯一曲線區(qū)間，得到該車軸對應曲線區(qū)間的幅度大小占所有車軸對應所有曲線區(qū)間的幅度大小總量的比例，由此再結合總的車重來識別各軸重大小，這里不需要向量Li，其測量更準確，適應性更高，可以適應橋梁上對各種車型測量的需求。優(yōu)選的，車輛作用下的橋梁動應變數(shù)值大小及波動幅值受諸多影響，只有當車輛總重達到一定數(shù)值時，在現(xiàn)有的技術水平和儀器設備條件下，采用動應變識別單車軸重才能有著一定的適用性和準確度。根據(jù)大量的試驗驗證，當采用高分辨率應變傳感器(分辨率不大于0.1με)進行動應變采集，車輛總重作用下的橋梁最大應變當滿足(Mmax為車輛作用下的橋梁應變測試截面的最大彎矩，ymax為邊緣距離中性軸的最大高度，IE為應變測試截面的抗彎剛度)時，該方法具有普遍可接受的準確度。優(yōu)選的，由于橋梁受力結構形式多樣，如有受彎的梁式橋、受壓的拱式橋、受拉斜拉橋和懸索橋，經(jīng)試驗比對及受力分析，由于梁式橋廣泛的適用性，其結構受力簡單、傳力路徑明確、作用力與結構反應線性關系良好等特點，采用動應變識別單車車軸重有著較好力學基礎和較高的適用性和識別精度，經(jīng)試驗驗證及比對分析，梁式橋計算跨徑L與車輛前后最大軸距l(xiāng)滿足關系式時，單車軸重識別準確度可滿足橋梁試驗檢測及健康監(jiān)控領域的需要。優(yōu)選的，實測的動應變時程曲線包含較大的環(huán)境噪聲與系統(tǒng)噪聲，未經(jīng)降噪處理不能作為識別的原始數(shù)據(jù)，綜合應變時程曲線的影響因素與特點，本方法所采用的濾波降噪方法為限幅消抖濾波。優(yōu)選的，所述常系數(shù)＝標準噸位的車輛車重/(標準噸位的車輛通過該橋梁得到的正應變發(fā)生區(qū)間內(nèi)動應變時程曲線包絡的面積)。優(yōu)選的，所述標準噸位的車輛通過該橋梁的動應變時程曲線由處理單元通過有限元仿真計算理論動應變，并提取動應變結果形成。由于采用上述技術方案，本發(fā)明具有以下有益效果：1.本發(fā)明適合于新舊橋梁的安裝檢測，對橋梁或道路路面本身沒有傷害，無需中斷交通即可以完成安裝。2.本發(fā)明僅在跨中或應變最大截面處布置1個應變監(jiān)測斷面，所以的整體安裝成本低且安裝方便。3.本發(fā)明僅需一條動應變時程曲線來識別單車軸重，因此分析識別更加迅速、快捷、能耗更低，增加了數(shù)據(jù)處理的時效性。附圖說明圖1是本發(fā)明單個集中荷載作用下的簡支梁降噪濾波后的應變時程曲線。圖2是圖1的一階導函數(shù)圖。圖3是圖1的二階導函數(shù)圖。圖4是本發(fā)明單載荷和多載荷應變時程曲線。圖5是圖4中多載荷應變時程曲線一階導函數(shù)圖。圖6是圖4中多載荷應變時程曲線二階導函數(shù)圖。圖7是本發(fā)明實施例實測應變時程曲線圖。圖8是本發(fā)明實施例正應變發(fā)生區(qū)間內(nèi)動應變時程曲線包絡的面積。圖9是本發(fā)明實施例車輛軸距識別示意圖。圖10是本發(fā)明實施例應變時程曲線導函數(shù)圖。具體實施方式以下結合附圖對發(fā)明的具體實施進一步說明。基于橋梁動應變識別單車軸重的方法，在單車輛通過橋梁時對該車輛的車軸重測量步驟為：在橋梁1/2跨徑或最大應變反應處布置動應變傳感器，所述動應變傳感器在設置截面上并沿橋梁的縱向布置；所述動應變傳感器通過屏蔽電纜依次連接高速采集器和處理單元；所述高速采集器對動應變傳感器的應變信號進行采集并發(fā)送到處理單元中；所述處理單元對應變信號進行濾波處理并得到動應變時程曲線，提取得到動應變時程曲線的連續(xù)正應變發(fā)生區(qū)間，并對正應變發(fā)生區(qū)間內(nèi)的動應變時程曲線進行二階求導處理得到荷載系數(shù)曲線；所述處理單元根據(jù)荷載系數(shù)曲線和幅度閾值確定并提取荷載系數(shù)曲線上與車輛的車軸對應的曲線區(qū)間，計算該曲線區(qū)間的幅度大?。凰龇乳撝禐闈M足橋梁測量需求的最小單載荷通過所述橋梁時，其對應荷載系數(shù)曲線中最小單載荷對應的曲線區(qū)間的幅度大??；所述曲線區(qū)間滿足其幅度大小不小于幅度閾值大?。凰鲕囕S重為＝(車輛的車軸對應的幅度大小/車輛的所有車軸對應的幅度大小之和)×車輛總重；所述車輛總重為正應變發(fā)生區(qū)間內(nèi)動應變時程曲線包絡的面積×常系數(shù)。其中，為了提高上述測量方法的準確性，上述方法應優(yōu)先應用在橋梁結構形式為梁式橋的橋梁上，并且該橋梁應該滿足：車輛總重作用下的橋梁最大應變Mmax為車輛作用下的橋梁應變測試截面的最大彎矩，ymax為邊緣距離中性軸的最大高度，IE為應變測試截面的抗彎剛度。梁式橋計算跨徑L與車輛前后最大軸距l(xiāng)需滿足關系式動應變傳感器為高分辨率應變測試裝置，其分辨率小于0.1με。其中，處理單元對應變信號進行限幅消抖濾波處理，得到動應變時程曲線。在下述進一步說明中，具體是在橋梁1/2跨徑處布置動應變傳感器，動應變傳感器通過屏蔽電纜依次連接高速采集器和處理單元，處理單元為對橋梁監(jiān)控的計算機。涉及的橋梁參數(shù)均采用即εmax＝5；涉及到的橋梁與車輛均滿足：橋梁跨徑L與車輛前后最大軸距l(xiāng)的比例關系為：動應變傳感器為分辨率為0.01με；以此進行原理及舉例說明。為了進一步了解上述方案工作原理，這里通過簡支梁應變時程曲線函數(shù)進行說明。單個集中荷載作用下的簡支梁降噪濾波后的應變時程曲線可表示為：其中，t為時間，L為簡支梁計算跨徑，v為速度，測點傳感器與所在截面中性軸的距離為y，E是簡支梁彈性模量，I是簡支梁截面慣性矩。對上式求導得到：式(2)為常函數(shù)不連續(xù)函數(shù)，繼續(xù)對其求導有：分別作式(1)，式(2)，式(3)函數(shù)圖如圖1-3所示，由圖1可知應變曲線的峰值點對應的是荷載P經(jīng)過動應變傳感器測點C所在的截面時，所引起的應變大小，同時測點C所在的截面也是應變時程曲線由上升轉(zhuǎn)為下降的分界點，對應圖2中的導數(shù)值由正值變?yōu)樨撝?。這說明在測點處的應變變化值發(fā)生了突變，而引起應變突變的原因是集中荷載依次作用于測點所在截面的左右兩側，根據(jù)應變與力對應一定的彈性關系，應變變化值的大小在某種程度上與對應的荷載大小是成正比的，因此對于圖3所示的二階導數(shù)值與荷載P的大小是一一對應的。對于多個單位集中荷載作用下的應變函數(shù)其一階及二階導函數(shù)的表達式，如下式(4)，式(5)，式(6)所示。其中，t為時間，N為正整數(shù)，即單位荷載數(shù)量。其中，t為時間，N為正整數(shù)，即單位荷載數(shù)量。其中，t為時間，N為正整數(shù)，即單位荷載數(shù)量。這里假設N＝4，即假定車輛具有4個軸荷載，軸載荷方程依次為ε1(x)、ε2(x)、ε3(x)和ε4(x)，則根據(jù)式(1)和式(4)分別作出ε1(x)、ε2(x)、ε3(x)和ε4(x)的單載荷函數(shù)圖和多載荷函數(shù)圖，如圖4上部分所示。由圖4可以看出每一個軸荷載P都對應一個完整的應變影響線，以ε1(x)為例，它表示荷載P1是在原點x＝0處進橋，在時間x＝d3處出橋，對應的d3為實際橋梁計算跨徑L。此時對于多軸荷載下實測的應變時程曲線總長度為(d1+d2+d3)，實測應變ε(x)的總大小為(ε1(x)+ε2(x)+ε3(x)+ε4(x))。對x做時間變換x＝vt，v為車速，便得到總的應變時程曲線圖如圖4下部分所示。再對實測總應變時程曲線函數(shù)二次求導便得到應變變化值突變時對應的軸荷載大小的荷載系數(shù)曲線，如圖6所示。這里值得指出的是對于應變時程曲線二階導值為正時是軸荷載進橋或出橋時所引起的跨中或最大應變反應處測點應變值開始變大，負值對應的則是軸荷載經(jīng)過測點時引起的應變開始變小。對于單位軸荷載經(jīng)過測點時的時程曲線二價導數(shù)值在極短的時間Δt內(nèi)為一不變常量，即形成荷載系數(shù)曲線中確定的曲線區(qū)間，該曲線區(qū)間對應幅度為單位軸荷載經(jīng)過測點時的時程曲線二價導數(shù)值。在對橋梁基于上述原理進行測量時，在橋梁1/2跨徑處布置動應變傳感器。高速采集器對動應變傳感器的應變信號進行采集并發(fā)送到處理單元中。處理單元對應變信號進行限幅消抖濾波處理并得到動應變時程曲線，提取得到動應變時程曲線的連續(xù)正應變發(fā)生區(qū)間，并對正應變發(fā)生區(qū)間內(nèi)的動應變時程曲線進行二階求導處理得到荷載系數(shù)曲線。其中，該車輛車軸數(shù)為：荷載系數(shù)曲線中縱坐標負方向上不小于幅度閾值的線段數(shù)量，即曲線區(qū)間的個數(shù)。幅度閾值為滿足橋梁測量需求的最小單載荷通過所述橋梁時，其對應荷載系數(shù)曲線中最小單載荷對應的曲線區(qū)間的幅度大小，即是參數(shù)物理意義與前述相同。這里最小單載荷應該滿足在Mmax取最小值時，其為橋梁受到的載荷大小。該車輛各個軸荷載的重量大小，或者車輛車軸重由式(7)可得：其中為N為正整數(shù)，即單位荷載數(shù)量，GVW為車輛總重。由荷載系數(shù)曲線可得，車軸重為＝(車輛的車軸對應的幅度大小/車輛的所有車軸對應的幅度大小之和)×車輛總重；車輛總重為正應變發(fā)生區(qū)間內(nèi)動應變時程曲線包絡的面積×常系數(shù)。常系數(shù)＝標準噸位的車輛車重/(標準噸位的車輛通過該橋梁得到的正應變發(fā)生區(qū)間內(nèi)動應變時程曲線包絡的面積)。該車輛車速由式(8)可得：L為橋梁計算跨徑，t1為車軸從進入橋梁到到達動應變傳感器測點的時間。由荷載系數(shù)曲線可得，車速為該橋梁跨徑/正應變發(fā)生區(qū)的負方向第一個曲線區(qū)間到正應變發(fā)生區(qū)間起始點的間距的兩倍該車輛軸距由式(9)可得：Δd＝v(tn-tn-1)＝v·Δt式(9)；v為車速，Δt為車軸通過動應變傳感器測點的時間間隔。由荷載系數(shù)曲線可得，軸距＝[所述橋梁的跨徑/(正應變發(fā)生區(qū)間的正方向第一個曲線區(qū)間到正應變發(fā)生區(qū)間起始點的間距的兩倍)]×兩相鄰的曲線區(qū)間之間間距。以下以實際試驗作進一步舉例說明。首先取同一車重，這里以20噸模型(4.6kg)車為例，取20T—20Hz簡支梁跨中應變AI01(左邊)和AI02(右邊)，兩點進行速度的識別，識別分為3個等級，20km/h(0.29m/s)，40km/h(0.56m/s)，和60km/h(0.83m/s)。圖7中，橫軸表示時間，采樣頻率為20Hz，每小格時間間隔為0.05秒，其中AI01線正應變值為127格，過橋時間為127x0.05＝6.35秒；AI02線正應變?yōu)?28格，過橋時間為128×0.05＝6.4秒。相對誤差20t-20Hz時間s識別速度m/s相對誤差％20km/h6.40.3157.540km/h3.30.6067.660km/h2.30.8694.7如圖8所示，利用相關軟件求得20t車重(ε-vt)圍成面積為77.46m×ε，常系數(shù)為77.46/4.6＝16.84。車重的識別以應變時程曲線與坐標軸包絡的面積計，現(xiàn)以車重識別分四個等級，20t(4.6kg)，40t(8.85kg)，60t(13.42kg)和80t(17.9kg)，其中20t為標準重載，40t，60t，80t為識別重載。車重面積m×ε識別車重kg相對誤％20t(4.6kg)77.464.6040t(8.85kg)148.658.820.360t(13.42kg)234.7213.943.880t(17.9kg)303.6518.030.7由上表可知，通過常系數(shù)和應變時程曲線與坐標軸所圍成的面積可以得到車輛總重，其誤差可以在規(guī)定范圍內(nèi)。如圖9所示，以同一軸距，同一車重，不同車速進行軸距識別?，F(xiàn)在以20t-20Hz，車軸兩車軸軸距為18cm，車速分別為20km/h(0.29m/s)，40km/h(0.56m/s)，和60km/h(0.83m/s)分別進行軸距的識別。以同一軸距18cm，同一車重20t(4.6kg)，同一車速20km/h(0.29m/s)為例。圖10為小車以20km/h，前軸重1.38kg后軸重3.22kg，采樣頻率為20Hz時所提取的應變時程曲線圖，如若按照步長為0.05s(即原采樣頻率)對時程曲線求導函數(shù)，由于原始時程曲線圖中各個點存在上下波動的情況，所得的結果受曲線噪聲影響很大,如圖10標注；因此會造成二次導函數(shù)也隨之上下波動，識別結果難以達到預期效果。這里可通過設置幅度閾值篩選出符合的識別結果，幅度閾值大小為可測量最小噸位車輛通過所述橋梁確定的荷載系數(shù)曲線中負方向上最小幅度值。由圖10所示，符合曲線區(qū)間定義的只有兩個，標注1、標注2，這與實際車輛軸數(shù)相符。根據(jù)式(7)得到：相對誤差，對車軸重的誤差在7.6％，在接受誤差范圍內(nèi)?？梢姡谏鲜龇桨赶?，可以測量得車輛車軸重，滿足橋梁測量的需要。上述說明是針對本發(fā)明較佳可行實施例的詳細說明，但實施例并非用以限定本發(fā)明的專利申請范圍，凡本發(fā)明所提示的技術精神下所完成的同等變化或修飾變更，均應屬于本發(fā)明所涵蓋專利范圍。當前第1頁1 2 3