橋梁動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)在自錨式獨(dú)塔懸索橋輕型組合橋面中的試驗(yàn)研究

房嘯，趙華，張斌，廖萬(wàn)成，張鈺菲

橋梁動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)在自錨式獨(dú)塔懸索橋輕型組合橋面中的試驗(yàn)研究

房嘯，趙華，張斌，廖萬(wàn)成，張鈺菲

(湖南大學(xué) 風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

將橋梁動(dòng)態(tài)稱(chēng)重(BWIM)系統(tǒng)應(yīng)用在采用球扁鋼-超高性能混凝土(STC)輕型組合橋面的自錨式獨(dú)塔懸索橋中，根據(jù)球扁鋼-STC輕型組合橋面局部受力顯著的特點(diǎn)，通過(guò)標(biāo)定球扁鋼加勁縱肋來(lái)獲取橋梁應(yīng)變響應(yīng)，基于BWIM系統(tǒng)算法反算車(chē)輛軸重信息。為最大化局部受力效應(yīng)，選取橋塔截面為測(cè)試斷面。實(shí)橋試驗(yàn)結(jié)果表明：采用各趟自身標(biāo)定影響線的單軸軸重及總重識(shí)別誤差要優(yōu)于采用平均影響線的識(shí)別誤差，但這2種情況均具有較高的軸重識(shí)別精度；BWIM系統(tǒng)可以高精度識(shí)別車(chē)輛單軸軸重以及總重，單軸軸重識(shí)別誤差平均值為1.8%，總重識(shí)別誤差平均值為0.2%；BWIM系統(tǒng)應(yīng)用在采用球扁鋼-STC輕型組合橋面的自錨式獨(dú)塔懸索橋中能有效識(shí)別車(chē)輛速度、軸數(shù)、軸距以及軸重，為車(chē)輛超載監(jiān)管和橋梁健康監(jiān)測(cè)提供了一種有效方法。

球扁鋼-STC輕型組合橋面；自錨式獨(dú)塔懸索橋；橋梁動(dòng)態(tài)稱(chēng)重；標(biāo)定影響線；單軸軸重及總重識(shí)別

國(guó)內(nèi)外自錨式獨(dú)塔懸索橋多采用正交異性鋼箱梁結(jié)構(gòu)，但是由于超載等問(wèn)題，不少懸索橋出現(xiàn)了橋面板開(kāi)裂等病害，例如蘇通大橋和虎門(mén)大橋等。橋面開(kāi)裂嚴(yán)重影響了橋梁主體的安全性能并且會(huì)縮短橋梁的使用壽命。同時(shí)鋼橋的維護(hù)費(fèi)用較高，所以對(duì)該系列橋梁進(jìn)行嚴(yán)格的車(chē)輛管制具有重要意義。為了有效管制超載車(chē)輛，在國(guó)際上橋梁動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)(Bridge-Weigh-in-motion：BWIM)越來(lái)越多地應(yīng)用在橋梁交通量監(jiān)測(cè)中。BWIM系統(tǒng)是把橋梁視為磅秤，通過(guò)移動(dòng)車(chē)輛荷載在橋梁上產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)歷程，利用BWIM系統(tǒng)算法反算出車(chē)輛軸重[1?7, 20]。BWIM系統(tǒng)相比于其他靜態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于該技術(shù)在獲取車(chē)輛數(shù)據(jù)時(shí)不需要中斷交通，可以獲取移動(dòng)車(chē)輛的軸重信息，且攜帶、安裝方便，是一種監(jiān)測(cè)交通量的有效工具。BWIM的概念最初由Moses等[6?7, 9?11]于1979年提出。Dempsey等[12]在此基礎(chǔ)上，將橋梁自身的動(dòng)力響應(yīng)振動(dòng)考慮到Moses算法中，結(jié)果表明車(chē)輛軸重識(shí)別精度得到一定提高。Gonzalez等[13]基于頻譜方法研究不同參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)算法的影響，進(jìn)一步提高識(shí)別精度。在Moses算法基礎(chǔ)上，O’Brien等[14]提出利用最小二乘法原理根據(jù)試驗(yàn)采集信號(hào)來(lái)求得橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際影響線的方法，而且這個(gè)算法適用性在瑞典的2座橋梁試驗(yàn)中得已證明。另外，在實(shí)際運(yùn)用中，Moses算法會(huì)出現(xiàn)病態(tài)方程問(wèn)題，Rowley等[15]建議在病態(tài)方程中加入正則化算法來(lái)提高識(shí)別的精度。Kalin等[11]利用BWIM系統(tǒng)識(shí)別車(chē)輛軸重時(shí)，提出車(chē)輛軸重識(shí)別精度與車(chē)軸信息(車(chē)輛速度、車(chē)輛軸數(shù)、車(chē)輛軸距)獲取的準(zhǔn)確度有關(guān)。耿少波等[16]詳細(xì)推導(dǎo)了BWIM系統(tǒng)的相關(guān)算法。隨后幾十年來(lái)，各國(guó)學(xué)者在Moses提出的概念的基礎(chǔ)上，研究并發(fā)展為現(xiàn)在廣泛使用的新型BWIM系統(tǒng)[7, 10?12]。新型BWIM系統(tǒng)需要在主梁下安裝額外的FAD傳感器(車(chē)軸探測(cè)傳感器free-of-axle- detectors)，從而獲得車(chē)輛速度、車(chē)輛軸數(shù)以及車(chē)輛軸距等基本信息；車(chē)輛的軸重信息由安裝在主梁下緣的稱(chēng)重傳感器采集到的動(dòng)態(tài)響應(yīng)獲得[5, 8, 20]，采用橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際標(biāo)定影響線為基礎(chǔ)，對(duì)橋梁動(dòng)態(tài)響應(yīng)采集值和相應(yīng)理論值之間差值的平方和作最小化處理，從而求得車(chē)輛軸重信息。BWIM的算法在鋼橋上的應(yīng)用是于1996年由法國(guó)國(guó)家路橋中心(LCPC)提出來(lái)的[17]。Ojio等[18]對(duì)BWIM在鋼橋中的應(yīng)用進(jìn)行了可行性研究； XIAO等[4]在2006年將BWIM系統(tǒng)在正交異性橋面板測(cè)量軸重中引入?yún)?shù)C來(lái)提高軸重識(shí)別的精度,并取得了較為滿意的結(jié)果。本文將BWIM系統(tǒng)應(yīng)用到采用球扁鋼-STC輕型組合橋面的自錨式獨(dú)塔懸索橋中在國(guó)際上尚屬首例。本文基于湖南省湘潭市昭華特大橋(采用球扁鋼-STC輕型組合橋面自錨式獨(dú)塔懸索橋)的實(shí)橋測(cè)試，利用BWIM系統(tǒng)進(jìn)行車(chē)輛信息識(shí)別、計(jì)算標(biāo)定影響線以及識(shí)別車(chē)輛軸重，探究BWIM系統(tǒng)應(yīng)用到采用球扁鋼-STC輕型組合橋面的自錨式獨(dú)塔懸索橋中的可行性。研究成果表明將BWIM系統(tǒng)應(yīng)用在球扁鋼-STC輕型組合橋面自錨式獨(dú)塔懸索橋中，車(chē)輛單軸軸重以及總重識(shí)別精度均達(dá)到理想效果，為BWIM系統(tǒng)在懸索橋中的應(yīng)用與研究提供一種行之有效的方法。

1 試驗(yàn)方案與過(guò)程

1.1 測(cè)試橋梁簡(jiǎn)介

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)橋梁(昭華大橋)位于湖南省湘潭市，昭華大橋?yàn)椴捎们虮怃?STC輕型組合橋面的自錨式獨(dú)塔懸索橋。球扁鋼-STC輕型組合橋面是指在正交異性鋼面板上焊接剪力釘，密配鋼筋網(wǎng)、澆筑薄型超高性能混凝土(活性粉末混凝土RPC)層形成50 mm 厚STC 層(超高性能混凝土層)，頂板及上鋪的STC 高性能混凝土層，構(gòu)成輕型組合橋面。使STC 層與正交異性鋼橋面同時(shí)參與結(jié)構(gòu)受力[19]。昭華大橋跨徑布置為45 m+168 m+228 m+2×45 m，主梁采用單箱三室扁平流線形栓焊鋼加勁梁，設(shè)4道縱腹板(2道邊腹板+2道縱隔板)。錨跨為混凝土現(xiàn)澆箱梁，吊索間距為10.8 m。主橋立面布置圖及測(cè)試跨如圖1所示。該橋橫向布置為：2.25 m人行道(含欄桿)+1.7 m吊索區(qū)+0.5 m防撞欄桿+4×3.75行車(chē)道+2×0.3 m防撞欄桿+4×3.75行車(chē)道+0.5 m防撞欄桿+1.7 m吊索區(qū)+2.25 m人行道(含欄桿)，全橋?qū)挾?9.5 m。箱梁頂板采用船用球扁鋼加勁肋加勁，球扁鋼型號(hào)L260×12，標(biāo)準(zhǔn)間距每隔450 mm 布置一道。橋面設(shè)2%的雙向橫坡，底板水平。1/2標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖及球扁鋼大樣圖如圖2所示。荷載等級(jí)技術(shù)參數(shù)為公路Ⅰ級(jí)。

單位：mm

單位：mm

1.2 試驗(yàn)方案及傳感器布置

球扁鋼-STC輕型組合橋面板實(shí)際受力以第二受力體系為主，由于球扁鋼-STC輕型組合橋面板局部受力效應(yīng)明顯，當(dāng)車(chē)輪荷載移動(dòng)至標(biāo)定范圍節(jié)段內(nèi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的峰值信號(hào)。為了避免第一受力體系效應(yīng)的影響，因此本試驗(yàn)縱向上選擇靠近橋塔截面的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段(A-A)為測(cè)試斷面進(jìn)行傳感器布置(如圖1所示)。同時(shí)在測(cè)試斷面安裝了2排FAD傳感器(共4個(gè))用來(lái)獲取車(chē)輛實(shí)際行駛速度車(chē)軸數(shù)、以及軸距。具體布置方案如圖3所示。除此之外，橫向上在測(cè)試斷面縱肋上全截面布置一排稱(chēng)重傳感器，如圖4所示。

單位：mm

單位：mm

本文選擇車(chē)道3為試驗(yàn)車(chē)道，目標(biāo)車(chē)速為30 km/h，試驗(yàn)趟數(shù)為10趟。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)天氣條件以及儀器設(shè)備等因素，橋塔截面有效測(cè)試趟數(shù)為9趟，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用日本TML公司生產(chǎn)的應(yīng)變片作為FAD傳感器和稱(chēng)重傳感器，江蘇東華測(cè)試公司生產(chǎn)的東華DH5921動(dòng)應(yīng)變采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。儀器采樣頻率為500 Hz。BWIM系統(tǒng)實(shí)橋安裝以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖如圖5所示。

1.3 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

在BWIM系統(tǒng)中橋梁影響線的準(zhǔn)確獲取是車(chē)輛稱(chēng)重精度的關(guān)鍵因素。實(shí)橋往往因?yàn)椴牧咸匦?、邊界條件等因素，結(jié)構(gòu)實(shí)際影響線與結(jié)構(gòu)理論影響線存在一定差別[20]。為了求解更符合結(jié)構(gòu)實(shí)際的影響線，利用已知軸重、軸距的標(biāo)定車(chē)輛進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定試驗(yàn)來(lái)計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際影響線。標(biāo)定試驗(yàn)的加載車(chē)輛為三軸車(chē)。加載車(chē)輛的具體信息如表1所示。

2 BWIM系統(tǒng)的基本原理

BWIM算法由Moses于1979年首次提出[6]。而后O’Brien有所改進(jìn)，提出用現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定測(cè)得的影響線代替理論影響線[12]。BWIM系統(tǒng)基本原理主要包括三大方面：車(chē)軸探測(cè)識(shí)別、標(biāo)定影響線計(jì)算和軸重識(shí)別計(jì)算。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)橋試驗(yàn)中，由于所采集信號(hào)中的原始應(yīng)變包含動(dòng)態(tài)響應(yīng)，若將其輸入BWIM系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，會(huì)影響軸重識(shí)別精度。因此本文對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所采集的原始應(yīng)變，利用50 Hz低通濾波濾除高頻噪聲等信號(hào)以及大部分的動(dòng)態(tài)沖擊效應(yīng)成分，并采用過(guò)濾動(dòng)態(tài)響應(yīng)成分之后的信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的分析與計(jì)算。

圖5 BWIM系統(tǒng)安裝及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

表1 標(biāo)定車(chē)信息

2.1 車(chē)軸探測(cè)識(shí)別技術(shù)

車(chē)軸探測(cè)識(shí)別技術(shù)是通過(guò)FAD傳感器采集到的應(yīng)變響應(yīng)，可以有效獲取車(chē)輛行駛過(guò)測(cè)試截面時(shí)的速度、車(chē)軸數(shù)以及軸距。由于自錨式獨(dú)塔懸索橋中球扁鋼-STC輕型組合橋面的局部受力特性強(qiáng)，當(dāng)車(chē)輛行駛過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)，安裝在稱(chēng)重傳感器前后兩排的FAD傳感器(如圖3所示)即FAD1-1和FAD2-1會(huì)產(chǎn)生明顯的波峰，波峰的個(gè)數(shù)即為車(chē)軸數(shù)量。圖6所示為標(biāo)定車(chē)輛沿第3車(chē)道行駛至橋塔截面時(shí)第5趟跑車(chē)所采集到的FAD傳感器應(yīng)變響應(yīng)和稱(chēng)重傳感器應(yīng)變響應(yīng)，式中rib-19～rib-28為第3車(chē)道下方對(duì)應(yīng)鋼箱梁內(nèi)球扁鋼的編號(hào)。

根據(jù)圖6所顯示的FAD1-1和FAD2-1應(yīng)變響應(yīng)信號(hào)可以看出FAD1-1的響應(yīng)信號(hào)明顯滯后于FAD2-1的響應(yīng)信號(hào)，可以推斷出車(chē)輛在行駛過(guò)程中先經(jīng)過(guò)FAD1-1，而后經(jīng)過(guò)FAD2-1，這與實(shí)際跑車(chē)情況一致。假設(shè)當(dāng)車(chē)輛3個(gè)車(chē)軸經(jīng)過(guò)FAD1-1時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為：11，12，13；經(jīng)過(guò)FAD2-1時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為：21，22，23；根據(jù)測(cè)點(diǎn)布置方案，F(xiàn)AD1-1和FAD2-1之間間距=5.4 m，考慮到目標(biāo)車(chē)速是30 km/h，因此可以認(rèn)為車(chē)輛在行駛到FAD1和FAD2測(cè)試范圍內(nèi)速度是一個(gè)常數(shù)。車(chē)輛行駛過(guò)測(cè)試斷面的實(shí)際速度計(jì)算公式如式(1)所示：

得出車(chē)輛速度后，利用相鄰波峰時(shí)間差即可得出軸距大小，車(chē)輛軸距計(jì)算公式如公式(2)所示：

圖6 FAD車(chē)軸識(shí)別信號(hào)

2.2 橋梁影響線標(biāo)定

移動(dòng)車(chē)輛荷載作用在球扁鋼-STC輕型組合橋面自錨式獨(dú)塔懸索橋上時(shí)，通過(guò)安裝在球扁鋼縱向加勁肋上的傳感器采集到的連續(xù)動(dòng)態(tài)應(yīng)變來(lái)獲取車(chē)輛行駛過(guò)測(cè)試斷面的響應(yīng)歷程。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)橋試驗(yàn)中對(duì)于動(dòng)態(tài)連續(xù)的采集過(guò)程，通過(guò)對(duì)所有標(biāo)定縱肋的不同時(shí)刻的彎矩進(jìn)行擬合，將其表示為以時(shí)間為變量的函數(shù)：

式(4)中：是理論彎矩；N是車(chē)輛軸數(shù)；Ai第i根車(chē)軸的軸重；Ii,(k?Ci)是第i根車(chē)軸位置所對(duì)應(yīng)影響線的豎坐標(biāo)，式(5)中Di是第i根車(chē)軸到第一根車(chē)軸的距離，Ci是Di所對(duì)應(yīng)的時(shí)間步(Ci=0)。f是BWIM系統(tǒng)的采樣頻率，v是車(chē)輛的速度(假設(shè)車(chē)輛行駛橋梁時(shí)速度是常數(shù))。此時(shí)Ai已知，Ii,(k?Ci)未知，需要求解影響線豎標(biāo)Ii,(k?Ci)。

在得出理論彎矩和實(shí)測(cè)彎矩的等量關(guān)系式后，利用最小二乘法最小化理論彎矩與實(shí)測(cè)彎矩誤差的原理，建立基于理論彎矩和實(shí)測(cè)彎矩的誤差 函數(shù)：

式中：表示計(jì)算影響線的總時(shí)間步數(shù)。為了使誤差函數(shù)最小，即理論彎矩與實(shí)測(cè)彎矩最接近，利用誤差函數(shù)對(duì)影響線豎標(biāo)求偏導(dǎo)數(shù)并令其等于0即可求得一系列影響線豎標(biāo)值:

2.3 車(chē)輛軸重識(shí)別

車(chē)輛軸重識(shí)別算法原理是利用求得的標(biāo)定影響線來(lái)反算軸重的過(guò)程。

式中：{}是待求軸重列向量，是{ε}是實(shí)測(cè)應(yīng)變向量，[]是式(7)中所計(jì)算出的標(biāo)定影響線向量。利用誤差函數(shù)對(duì)軸重列向量{}求偏微分，為使誤差函數(shù)最小，令=0，即可求解出軸重列向量：

車(chē)輛的單軸軸重即可求得：

車(chē)輛總重GVW(Gross vehicle weight)即為計(jì)算出來(lái)的單軸軸重之和：

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 車(chē)軸信息識(shí)別

車(chē)輛信息識(shí)別包含車(chē)輛行駛速度、車(chē)輛車(chē)軸數(shù)量、車(chē)輛軸距識(shí)別。這3項(xiàng)基本參數(shù)在BWIM系統(tǒng)算法中是作為基本輸入項(xiàng)參與算法計(jì)算中，因此車(chē)軸信息識(shí)別的精度大小對(duì)于標(biāo)定影響線的獲取以及車(chē)輛軸重識(shí)別有重大影響。

表2 橋塔截面第3車(chē)道車(chē)輛信息識(shí)別結(jié)果

從圖6可以看出，F(xiàn)AD1和FAD2應(yīng)變響應(yīng)信號(hào)均出現(xiàn)3個(gè)明顯的波峰，由此可以推斷行駛過(guò)橋塔斷面的車(chē)輛為三軸車(chē)，符合標(biāo)定車(chē)輛的實(shí)際情況。橋塔截面車(chē)輛信息識(shí)別結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出橋塔截面實(shí)際跑車(chē)速度區(qū)間為28.3～30.9 km/h，均能達(dá)到目標(biāo)速度；橋塔截面軸距1識(shí)別誤差范圍在0.4%～2.9%，軸距2識(shí)別誤差范圍在?1.1%～0.2%，軸距識(shí)別精度高、誤差小，且數(shù)據(jù)離散程度小，吻合度高。

3.2 影響線標(biāo)定

在計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際影響線的標(biāo)定試驗(yàn)中，標(biāo)定車(chē)沿第3車(chē)道行駛過(guò)橋塔測(cè)試斷面。根據(jù)橋梁影響線標(biāo)定原理，利用MATLAB編程可以計(jì)算橋塔截面9趟跑車(chē)數(shù)據(jù)的標(biāo)定影響線，如圖8所示。標(biāo)定影響線的計(jì)算范圍均取18.9 m(選取7跨即8片橫隔板之間的距離2.7×7=18.9 m)。

從圖8可以看出橋塔截面各趟跑車(chē)數(shù)據(jù)所計(jì)算得到的標(biāo)定影響線均呈現(xiàn)重復(fù)性高、吻合度好的特性，具有顯著的一致性。為減少偶然誤差對(duì)計(jì)算標(biāo)定影響線的影響，對(duì)各趟跑車(chē)的標(biāo)定影響線取平均值作為平均影響線，計(jì)算車(chē)道上行駛車(chē)輛的軸 重[20]。同時(shí)XIAO等[4]提出：正交異性橋面板由于橫隔板的加勁作用在縱向上受力與同跨徑的連續(xù)梁相似，因此圖9展示的是橋塔截面平均影響線與同等跨徑(7跨)連續(xù)梁理論影響線對(duì)比圖。從圖9分析可得，橋塔截面平均影響線和同跨徑連續(xù)梁理論影響線形狀相似度較高，吻合度較好。同時(shí)考慮到自錨式懸索橋?qū)嶋H橋梁結(jié)構(gòu)由于吊桿等約束條件的原因造成結(jié)構(gòu)實(shí)際影響線豎標(biāo)值要小于同跨徑連續(xù)梁理論影響線的豎標(biāo)值，圖9展示的規(guī)律符合實(shí)際情況，說(shuō)明球扁鋼-STC輕型組合橋面板受力以局部受力為主，通過(guò)安裝在球扁鋼縱肋下的稱(chēng)重傳感器所采集到的應(yīng)變響應(yīng)可以有效反映出行駛在橋面板上車(chē)輛的軸重信息。

圖8 橋塔截面標(biāo)定影響線

圖9 橋塔截面平均影響線與同跨徑連續(xù)梁理論影響線對(duì)比

3.3 車(chē)輛荷載識(shí)別結(jié)果分析

在獲取自錨式獨(dú)塔懸索橋的標(biāo)定影響線之后，根據(jù)BWIM軸重算法，利用MATLAB編程就可以計(jì)算出每一趟跑車(chē)的單軸軸重以及車(chē)輛的總重量。從2.3節(jié)式(11)可以看出，標(biāo)定影響線的選取對(duì)于車(chē)輛軸重識(shí)別精度有著至關(guān)重要的影響，因此本文采用CASE1和CASE2 2種情況進(jìn)行討論分析。CASE1是采用該車(chē)道每一趟自身跑車(chē)中采集到橋梁應(yīng)變響應(yīng)所計(jì)算得到的影響線，即該車(chē)道各趟自身標(biāo)定影響線；CASE2是該工況下所有跑車(chē)趟數(shù)進(jìn)行平均計(jì)算所得的影響線，即該車(chē)道平均影響線。橋塔截面車(chē)輛單軸軸重及總重識(shí)別計(jì)算結(jié)果如表3所示。1，2和3依次表示加載車(chē)的前軸、中軸和后軸單軸軸重，GVW表示車(chē)輛的總重。

從表3中可以看出，橋塔截面在CASE1中車(chē)輛總重識(shí)別誤差在0.1%～1.6%范圍內(nèi)，單軸軸重重量識(shí)別誤差在?4.8%～3.6%范圍內(nèi)。在CASE2中車(chē)輛總重識(shí)別誤差在?2.5%～2.1%范圍內(nèi)，單軸軸重識(shí)別誤差在?5.3%～5.2%范圍內(nèi)。在CASE1中1，2和3和的平均值依次為0.7%，2.4%，?2.5%，0.2%，標(biāo)準(zhǔn)差依次為3.5%，1.9%，1.6%，1.7%；在CASE2中1，2，3和平均值依次為3.1%，1.2%，1.0%，1.5%，標(biāo)準(zhǔn)差依次為3.4%，2.2%，3.3%，1.5%。在CASE1和CASE2 2種情況中，對(duì)比車(chē)輛單軸軸重識(shí)別誤差以及總重識(shí)別誤差的平均值可以看出，2種情況下的單軸軸重以及總重識(shí)別誤差具有相似的水平，單軸軸重及總重誤差平均值均較小，識(shí)別精度較高；對(duì)比車(chē)輛單軸軸重識(shí)別誤差以及總重識(shí)別誤差的標(biāo)準(zhǔn)差可以看出，CASE1中的車(chē)輛單軸軸重識(shí)別誤差以及總重識(shí)別誤差標(biāo)準(zhǔn)差均小于CASE2中的數(shù)值, 相比于CASE2，CASE1單軸軸重以及總重識(shí)別誤差更為穩(wěn)定，離散程度更小。但是CASE1和CASE2在單軸軸重和總重識(shí)別中均能達(dá)到較好的識(shí)別精度，且CASE2所代表的平均影響線更具有普遍適用性。CASE2代表的該車(chē)道所有趟數(shù)平均影響線所識(shí)別的軸重誤差中單軸軸重誤差平均值為1.8%，總重誤差平均值為0.2%，達(dá)到理想識(shí)別精度。

表3 橋塔截面第3車(chē)道車(chē)輛單軸軸重及總重識(shí)別結(jié)果

注：CASE1為該車(chē)道各趟自身的標(biāo)定影響線；CASE2為該車(chē)道平均影響線。

ZHAO等[10]將BWIM系統(tǒng)應(yīng)用于梁橋等類(lèi)型橋梁時(shí)，雖然車(chē)輛的總重識(shí)別取得較好結(jié)果，但是車(chē)輛單軸軸重識(shí)別誤差較大，精度較差。從表3分析可得，BWIM系統(tǒng)應(yīng)用在球扁鋼-STC輕型組合橋面自錨式獨(dú)塔懸索橋中時(shí)單軸軸重識(shí)別誤差在5%左右，且離散程度較小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。由于球扁鋼-STC輕型組合橋面結(jié)構(gòu)以局部受力為主，當(dāng)車(chē)輛輪載接近所標(biāo)定的斷面時(shí)，該斷面才會(huì)產(chǎn)生明顯響應(yīng)。應(yīng)力響應(yīng)產(chǎn)生的范圍較小，因此縱肋上采集的應(yīng)變信號(hào)更接近于車(chē)輛單軸軸重通過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)所產(chǎn)生的實(shí)際響應(yīng)，所以用此實(shí)際應(yīng)變響應(yīng)來(lái)計(jì)算的車(chē)輛單軸軸重誤差更小，精度更高。

4 結(jié)論

1) 基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)橋試驗(yàn)，將BWIM系統(tǒng)應(yīng)用于采用球扁鋼-STC輕型組合橋面的自錨式獨(dú)塔懸索橋，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試所得的橋梁應(yīng)變響應(yīng)，基于最小二乘法，建立實(shí)測(cè)應(yīng)變與理論應(yīng)變誤差函數(shù)，獲得適用于采用球扁鋼-STC輕型組合橋面的自錨式獨(dú)塔懸索橋的BWIM系統(tǒng)算法。

2) 標(biāo)定影響線計(jì)算結(jié)果表明：第3車(chē)道各趟標(biāo)定影響線具有顯著的一致性，重復(fù)性高，吻合度好。通過(guò)各趟自身標(biāo)定的影響線所計(jì)算得到車(chē)輛單軸軸重識(shí)別誤差以及總重識(shí)別誤差要優(yōu)于該車(chē)道平均影響線。但是這2種情況均具有較高的單軸軸重及總重識(shí)別精度。

3) 分析橋塔截面的車(chē)輛軸重識(shí)別結(jié)果，車(chē)輛單軸軸重平均識(shí)別誤差為1.8%，車(chē)輛總重平均識(shí)別誤差為0.2%，橋塔截面單軸軸重及總重軸重識(shí)別誤差小，精度高，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，離散程度小。BWIM系統(tǒng)應(yīng)用于采用球扁鋼-STC輕型組合橋面的自錨式獨(dú)塔懸索橋取得理想效果。

4) 采用球扁鋼-STC輕型組合橋面的自錨式獨(dú)塔懸索橋因其局部受力效應(yīng)顯著，所得橋梁響應(yīng)信號(hào)可以有效反映行駛車(chē)輛速度、軸數(shù)、軸距以及車(chē)輛軸重信息，為橋梁健康監(jiān)測(cè)和車(chē)輛監(jiān)管提供了一種可靠途徑。

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Experimental study of bridge weigh-in-motion system in lightweight composite deck of self-anchored single tower suspension

FANG Xiao, ZHAO Hua, ZHANG Bin, LIAO Wancheng, ZHANG Yufei

(Key Laboratory for Wind and Bridge Engineering of Hunan Province, Hunan University, Changsha 410082, China)

Bridge weigh-in-motion (BWIM) system was applied to the self-anchored single tower suspension bridge with a ball flat steel-super toughness concrete (STC) lightweight composite deck. The remarkable features are that the strain response of the bridge is obtained by calibrating the stiffened longitudinal ribs of the ball flat steel, and that the vehicle axle weight information is calculated based on the BWIM system algorithm. In order to maximize the local force effect, the fulcrum section was selected as the test section. The test results show that the identification error of uniaxial load and total weight using each self-calibration influence line is better than that of using the average influence line; however, both of them have high identification accuracy of axle load. BWIM system can identify uniaxial load and total weight of vehicle with high accuracy, i.e., the average value of identification error of uniaxial load is 1.8%, and the average value of identification error of total weight is 0.2%. BWIM system can effectively identify vehicle speed, axle number, wheelbase and axle load in self-anchored single tower suspension bridge with ball flat steel STC light composite deck. It provides an effective method for vehicle overload supervision and bridge health monitoring.

a ball flat steel-STC lightweight composite deck; self-anchored single-tower suspension bridge; bridge weigh-in-motion; calibrated influence line; uniaxial accuracy and axle weight identification

U448.27

A

1672 ? 7029(2020)10 ? 2558 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20191093

2019?12?05

湖南省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2019SK2172)

趙華(1975?)，男，湖北松滋人，副教授，博士，從事新型橋梁結(jié)構(gòu)、既有橋梁評(píng)定及維護(hù)、橋梁動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)研究；E?mail：zhaohua@hnu.edu.cn

(編輯 涂鵬)