基于影響線橋梁荷載識(shí)別技術(shù)研究

何 一，張宇峰，楊才千

（1.在役長大橋梁安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；3.東南大學(xué)，江蘇 南京 210096）

基于影響線橋梁荷載識(shí)別技術(shù)研究

何 一1,2，張宇峰1,2，楊才千3

（1.在役長大橋梁安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；3.東南大學(xué)，江蘇 南京 210096）

文章基于影響線的荷載識(shí)別方法和北澄子河大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長標(biāo)距FBG傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了3跨連續(xù)梁橋的荷載識(shí)別方法。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，該方法能夠較精確地識(shí)別單車移動(dòng)荷載作用下的車輛速度和車重，車速識(shí)別誤差可控制在10%以內(nèi)，車重識(shí)別誤差可控制在15%以內(nèi)。

荷載識(shí)別；影響線；連續(xù)梁橋；

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐進(jìn)一步加快，對(duì)交通的需求日益提高，眾多的高速公路及城市快速干道相繼修建，橋梁已成為交通基礎(chǔ)設(shè)施中不可或缺的組成部分。與千米級(jí)跨徑的大橋相比，中小橋梁數(shù)目更為眾多。因此，對(duì)于中小橋梁的安全運(yùn)營、長期性能維護(hù)、實(shí)時(shí)狀態(tài)評(píng)估極為重要。

然而，隨著我國車輛的密集化、大型化以及拖掛化的發(fā)展，車輛超載現(xiàn)象普遍存在，同時(shí)既有橋梁設(shè)計(jì)安全荷載等級(jí)較低［1］，公路橋梁等承載結(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)提前出現(xiàn)損傷或破壞，結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下的安全性、耐久性等均會(huì)受到較大影響，特別是中小橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營已引起社會(huì)的廣泛關(guān)注。車輛的超載會(huì)嚴(yán)重危害到生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)車載的反復(fù)作用也會(huì)使得結(jié)構(gòu)的損傷不斷累積，在運(yùn)營階段出現(xiàn)裂縫、鋼筋銹蝕等現(xiàn)象，甚至?xí)绊懡Y(jié)構(gòu)的長期使用壽命［2］，可見移動(dòng)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用應(yīng)引起高度重視，對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)際受載情況的認(rèn)知極為迫切且意義重大。目前，橋梁移動(dòng)荷載識(shí)別研究的主要方法有：(1)利用車-橋耦合系統(tǒng)振動(dòng)方程求解任意時(shí)刻車輛與橋梁接觸處的相互作用力識(shí)別移動(dòng)荷載［3］；(2)在橋面上布設(shè)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)（WIM）來實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛荷載的在線監(jiān)測(cè)［4］；(3)以橋?yàn)榉Q，利用單一移動(dòng)荷載產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力與測(cè)點(diǎn)應(yīng)變影響線積分成比例的特征，根據(jù)橋梁跨中動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的處稱重［5］。

本文基于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)北澄子河大橋（3跨連續(xù)梁橋）現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)荷載試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合影響線方法來識(shí)別車輛的速度、荷載等。

1 工程概況

北澄子河大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為（53+85+53）m 3跨預(yù)應(yīng)力砼變截面單箱單室直腹板連續(xù)箱梁，箱梁高度從距跨中1 m處由2.4 m至距墩中心1.5 m處按二次拋物線變化為5.0 m。主橋箱梁在墩頂0號(hào)塊處設(shè)置厚度為2.5 m的橫隔梁，在邊跨端部處設(shè)置1.8 m厚度的橫隔梁。箱梁在橫橋向底板保持水平，頂板設(shè)2%的橫坡，腹板豎直，通過左右側(cè)腹板不同來調(diào)整橫坡。主橋箱梁采用縱、豎向預(yù)應(yīng)力體系。

采用車輛加載，本次試驗(yàn)選用2輛每輛總重為300 kN左右的三軸重車進(jìn)行加載，車型如圖1所示，常規(guī)300 kN三軸車的輪距、軸距和軸重如表1所示。

圖1 加載車型圖

表1 300 kN車輛常規(guī)技術(shù)參數(shù)表

2 基于影響線的荷載識(shí)別理論

通常情況下，橋梁結(jié)構(gòu)所受移動(dòng)荷載為多軸車輛荷載，因此所測(cè)得的應(yīng)變響應(yīng)可看作是多個(gè)集中荷載作用的疊加［6］。因此，首先對(duì)車輛荷載作用下的梁底應(yīng)變曲線進(jìn)行研究。車輛荷載下梁底跨中應(yīng)變影響線示意圖如圖2所示。

圖2 車輛荷載下梁底跨中應(yīng)變影響線

如圖2所示簡(jiǎn)支梁橋，其上作用一3軸車載，其中x表示車輛第一軸距橋梁左端的距離；x1、x2、x3，分別表示車輛第一、二、三軸與第一軸的間距，各軸軸重分別為P1、P2、P3，則車輛荷載作用下跨中截面應(yīng)變方程為：

由上述3軸車的情況可以推廣到n軸車作用于橋梁上梁底的應(yīng)變響應(yīng)為：

當(dāng)上述多軸車駛過橋梁，橋梁跨中梁底應(yīng)變響應(yīng)函數(shù)與x軸所圍成的面積可表示為

進(jìn)一步推導(dǎo)得：

則，車輛總重P可以表示為：

α表示一個(gè)單位荷載駛過橋梁后，梁底跨中應(yīng)變響應(yīng)影響線的積分值。α的數(shù)值可以用一個(gè)已知車重的車輛駛過該橋梁然后利用公式（5）標(biāo)定得到。最后可以利用求得的α值進(jìn)行車輛荷載的識(shí)別。

3 3跨連續(xù)梁橋荷載識(shí)別結(jié)果

根據(jù)之前所推導(dǎo)的影響線方法，需要梁底某處的應(yīng)變時(shí)程圖，考慮到梁底跨中應(yīng)變變化相比于其他地方的應(yīng)變變化要明顯，所以傳感器布設(shè)位置盡量選在跨中位置附近，最后在梁底跨中附近橫向間隔布置4個(gè)長標(biāo)距FBG傳感器。試驗(yàn)中車輛以不同速度、不同車道行駛過橋梁，共得到11個(gè)樣本。車輛在3車道行駛下梁底跨中底部各傳感器測(cè)得的應(yīng)變時(shí)程圖如圖3所示。

圖3 車輛在3車道行駛下各傳感器應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程圖

考慮到圖3中應(yīng)變時(shí)程圖噪聲較大，采用小波去噪后得到的應(yīng)變時(shí)程圖對(duì)比如圖4所示。

圖4 小波去噪前后2#傳感器應(yīng)變時(shí)程圖

3.1 速度識(shí)別結(jié)果

進(jìn)行荷載識(shí)別時(shí)首先要進(jìn)行車輛速度識(shí)別。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的連續(xù)梁橋，當(dāng)車載作用下梁底跨中應(yīng)變?yōu)?時(shí)說明車輛還未進(jìn)入橋梁，當(dāng)車輛前軸接觸橋面時(shí)，結(jié)構(gòu)開始受力，梁底跨中應(yīng)變?cè)鲩L。因此，可以通過應(yīng)變的變化判斷車輛是否處于橋上，即當(dāng)車輛前軸接觸橋面時(shí)對(duì)應(yīng)圖4上起始點(diǎn)t1時(shí)刻，當(dāng)車輛后軸離開橋面時(shí)對(duì)應(yīng)圖4上結(jié)束點(diǎn)t2時(shí)刻，再根據(jù)峰開始與結(jié)束的時(shí)間差和車輛行駛的距離即可計(jì)算車輛速度v。

根據(jù)上述推導(dǎo)的車速計(jì)算方法，利用各應(yīng)變傳感器對(duì)上述11個(gè)工況進(jìn)行車速識(shí)別，得到結(jié)果如表2所示。

表2 車速識(shí)別結(jié)果

可以看出，車速識(shí)別結(jié)果與實(shí)際車速值的誤差很小，相對(duì)誤差都在±10%內(nèi)，64%的工況誤差都在±5%內(nèi)，對(duì)誤差來源進(jìn)行分析，結(jié)果如下：(1)速度的計(jì)算與波峰起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的選取相關(guān)，由于實(shí)測(cè)過程中噪音的存在，無法精確判斷波峰的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，從而影響車速識(shí)別結(jié)果；(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)車輛在橋上行駛過程中并不是完全勻速前進(jìn)，從而影響車速識(shí)別結(jié)果。

3.2 荷載識(shí)別結(jié)果

車速反演，假定所得車速為真實(shí)值而將應(yīng)變時(shí)程曲線轉(zhuǎn)化為應(yīng)變影響線，進(jìn)而采用上文所述荷載識(shí)別方法對(duì)車重進(jìn)行荷載識(shí)別。

3.2.1 應(yīng)變積分系數(shù)的標(biāo)定

獲取應(yīng)變積分系數(shù)α，即通過獲取跨中梁底應(yīng)變影響線來求得。試驗(yàn)過程中，采用以下方法來標(biāo)定應(yīng)變影響線：首先獲取車輛在橋梁各車道邊跨各1/4點(diǎn)、中跨各1/8點(diǎn)處的應(yīng)變值，再用三次樣條函數(shù)擬合出應(yīng)變影響線，最后求得其應(yīng)變積分值。車輛在第2車道時(shí)，采用2#傳感器擬合得到的影響線如圖5所示。

圖5 車輛在2車道時(shí)梁底跨中應(yīng)變影響線

通過上述方法計(jì)算得到車輛作用在各車道時(shí)各傳感器應(yīng)變影響線積分值如表3所示。

表3 應(yīng)變積分系數(shù)的標(biāo)定

3.2.2 車重識(shí)別結(jié)果

對(duì)之前車速識(shí)別的11個(gè)工況，利用上述所得應(yīng)變積分系數(shù)進(jìn)行荷載識(shí)別，得到結(jié)果如表4所示。

從圖表中可以看出無論車輛行駛在哪個(gè)車道，各工況的車重反演相對(duì)誤差都能控制在±15%范圍內(nèi)，且86.7%的工況誤差都在±10%以內(nèi)。對(duì)誤差來源進(jìn)行分析如下：(1)車重的反演是建立在車速反演的基礎(chǔ)之上的，因此車速存在誤差必將導(dǎo)致車重反演結(jié)果受到影響；(2)傳感器實(shí)際所測(cè)得應(yīng)變較小都在10 με以內(nèi)，傳感器的精度是±1 με，傳感器的系統(tǒng)誤差也會(huì)導(dǎo)致車重識(shí)別結(jié)果不精確。

4 結(jié)論

通過對(duì)北澄子河大橋移動(dòng)荷載試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析可知，基于影響線的單車荷載識(shí)別方法能利用健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，較準(zhǔn)確地識(shí)別單車荷載下的車輛速度和車重，車速的誤差可控制在±10%以內(nèi)，車重誤差可控制在±15%以內(nèi)。

表4 車重識(shí)別結(jié)果

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Research on Load Identification of A Three-span Continuous Beam Bridge Based on Influence Line

He Yi1,2, Zhang Yufeng1,2, Yang Caiqian3
（1. The State Key Laboratory on Safety and Health of In-service Long-span Bridges, Nanjing 211112, China; 2. JSTI Group, Nanjing 211112, China; 3. Southeast University, Nanjing 210096, China）

In this paper, the load identification method for a three-span continuous beam bridge was proposed based on the influence line theory. This method was studied and confirmed through the moving load experiments on the Beichengzi River bridge. The results of the SHM data showed that the relative error of speed could be controlled within ±10%, and that the relative error of load identification could be controlled within ±15%.

load identification; influence line; continuous beam bridge

U441+.2

A

1672-9889（2016）06-0048-04

2016-11-02）

何一（1990-），男，江蘇常州人，助理工程師，主要從事橋梁檢測(cè)工作。