基于影响线桥梁荷载识别技术研究

何 一，张宇峰，杨才千

（1.在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室，江苏 南京 211112；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；3.东南大学，江苏 南京 210096）

基于影响线桥梁荷载识别技术研究

何 一1,2，张宇峰1,2，杨才千3

（1.在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室，江苏 南京 211112；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；3.东南大学，江苏 南京 210096）

文章基于影响线的荷载识别方法和北澄子河大桥健康监测系统的长标距FBG传感器实测数据，提出了3跨连续梁桥的荷载识别方法。试验数据分析表明，该方法能够较精确地识别单车移动荷载作用下的车辆速度和车重，车速识别误差可控制在10%以内，车重识别误差可控制在15%以内。

荷载识别；影响线；连续梁桥；

随着国民经济的发展，城市基础设施建设步伐进一步加快，对交通的需求日益提高，众多的高速公路及城市快速干道相继修建，桥梁已成为交通基础设施中不可或缺的组成部分。与千米级跨径的大桥相比，中小桥梁数目更为众多。因此，对于中小桥梁的安全运营、长期性能维护、实时状态评估极为重要。

然而，随着我国车辆的密集化、大型化以及拖挂化的发展，车辆超载现象普遍存在，同时既有桥梁设计安全荷载等级较低［1］，公路桥梁等承载结构经常会提前出现损伤或破坏，结构在正常使用状态下的安全性、耐久性等均会受到较大影响，特别是中小桥梁结构的安全运营已引起社会的广泛关注。车辆的超载会严重危害到生命财产安全，同时车载的反复作用也会使得结构的损伤不断累积，在运营阶段出现裂缝、钢筋锈蚀等现象，甚至会影响结构的长期使用寿命［2］，可见移动荷载对桥梁结构的作用应引起高度重视，对结构实际受载情况的认知极为迫切且意义重大。目前，桥梁移动荷载识别研究的主要方法有：(1)利用车-桥耦合系统振动方程求解任意时刻车辆与桥梁接触处的相互作用力识别移动荷载［3］；(2)在桥面上布设动态称重系统（WIM）来实现对车辆荷载的在线监测［4］；(3)以桥为称，利用单一移动荷载产生的动应力与测点应变影响线积分成比例的特征，根据桥梁跨中动应变响应实现对车辆的处称重［5］。

本文基于健康监测系统对北澄子河大桥（3跨连续梁桥）现场移动荷载试验的实测数据，并结合影响线方法来识别车辆的速度、荷载等。

1 工程概况

北澄子河大桥主桥上部结构为（53+85+53）m 3跨预应力砼变截面单箱单室直腹板连续箱梁，箱梁高度从距跨中1 m处由2.4 m至距墩中心1.5 m处按二次抛物线变化为5.0 m。主桥箱梁在墩顶0号块处设置厚度为2.5 m的横隔梁，在边跨端部处设置1.8 m厚度的横隔梁。箱梁在横桥向底板保持水平，顶板设2%的横坡，腹板竖直，通过左右侧腹板不同来调整横坡。主桥箱梁采用纵、竖向预应力体系。

采用车辆加载，本次试验选用2辆每辆总重为300 kN左右的三轴重车进行加载，车型如图1所示，常规300 kN三轴车的轮距、轴距和轴重如表1所示。

图1 加载车型图

表1 300 kN车辆常规技术参数表

2 基于影响线的荷载识别理论

通常情况下，桥梁结构所受移动荷载为多轴车辆荷载，因此所测得的应变响应可看作是多个集中荷载作用的叠加［6］。因此，首先对车辆荷载作用下的梁底应变曲线进行研究。车辆荷载下梁底跨中应变影响线示意图如图2所示。

图2 车辆荷载下梁底跨中应变影响线

如图2所示简支梁桥，其上作用一3轴车载，其中x表示车辆第一轴距桥梁左端的距离；x1、x2、x3，分别表示车辆第一、二、三轴与第一轴的间距，各轴轴重分别为P1、P2、P3，则车辆荷载作用下跨中截面应变方程为：

由上述3轴车的情况可以推广到n轴车作用于桥梁上梁底的应变响应为：

当上述多轴车驶过桥梁，桥梁跨中梁底应变响应函数与x轴所围成的面积可表示为

进一步推导得：

则，车辆总重P可以表示为：

α表示一个单位荷载驶过桥梁后，梁底跨中应变响应影响线的积分值。α的数值可以用一个已知车重的车辆驶过该桥梁然后利用公式（5）标定得到。最后可以利用求得的α值进行车辆荷载的识别。

3 3跨连续梁桥荷载识别结果

根据之前所推导的影响线方法，需要梁底某处的应变时程图，考虑到梁底跨中应变变化相比于其他地方的应变变化要明显，所以传感器布设位置尽量选在跨中位置附近，最后在梁底跨中附近横向间隔布置4个长标距FBG传感器。试验中车辆以不同速度、不同车道行驶过桥梁，共得到11个样本。车辆在3车道行驶下梁底跨中底部各传感器测得的应变时程图如图3所示。

图3 车辆在3车道行驶下各传感器应变响应时程图

考虑到图3中应变时程图噪声较大，采用小波去噪后得到的应变时程图对比如图4所示。

图4 小波去噪前后2#传感器应变时程图

3.1 速度识别结果

进行荷载识别时首先要进行车辆速度识别。对于实验中的连续梁桥，当车载作用下梁底跨中应变为0时说明车辆还未进入桥梁，当车辆前轴接触桥面时，结构开始受力，梁底跨中应变增长。因此，可以通过应变的变化判断车辆是否处于桥上，即当车辆前轴接触桥面时对应图4上起始点t1时刻，当车辆后轴离开桥面时对应图4上结束点t2时刻，再根据峰开始与结束的时间差和车辆行驶的距离即可计算车辆速度v。

根据上述推导的车速计算方法，利用各应变传感器对上述11个工况进行车速识别，得到结果如表2所示。

表2 车速识别结果

可以看出，车速识别结果与实际车速值的误差很小，相对误差都在±10%内，64%的工况误差都在±5%内，对误差来源进行分析，结果如下：(1)速度的计算与波峰起始点和结束点的选取相关，由于实测过程中噪音的存在，无法精确判断波峰的起始点和结束点，从而影响车速识别结果；(2)实验时发现车辆在桥上行驶过程中并不是完全匀速前进，从而影响车速识别结果。

3.2 荷载识别结果

车速反演，假定所得车速为真实值而将应变时程曲线转化为应变影响线，进而采用上文所述荷载识别方法对车重进行荷载识别。

3.2.1 应变积分系数的标定

获取应变积分系数α，即通过获取跨中梁底应变影响线来求得。试验过程中，采用以下方法来标定应变影响线：首先获取车辆在桥梁各车道边跨各1/4点、中跨各1/8点处的应变值，再用三次样条函数拟合出应变影响线，最后求得其应变积分值。车辆在第2车道时，采用2#传感器拟合得到的影响线如图5所示。

图5 车辆在2车道时梁底跨中应变影响线

通过上述方法计算得到车辆作用在各车道时各传感器应变影响线积分值如表3所示。

表3 应变积分系数的标定

3.2.2 车重识别结果

对之前车速识别的11个工况，利用上述所得应变积分系数进行荷载识别，得到结果如表4所示。

从图表中可以看出无论车辆行驶在哪个车道，各工况的车重反演相对误差都能控制在±15%范围内，且86.7%的工况误差都在±10%以内。对误差来源进行分析如下：(1)车重的反演是建立在车速反演的基础之上的，因此车速存在误差必将导致车重反演结果受到影响；(2)传感器实际所测得应变较小都在10 με以内，传感器的精度是±1 με，传感器的系统误差也会导致车重识别结果不精确。

4 结论

通过对北澄子河大桥移动荷载试验的结果进行分析可知，基于影响线的单车荷载识别方法能利用健康监测系统数据，较准确地识别单车荷载下的车辆速度和车重，车速的误差可控制在±10%以内，车重误差可控制在±15%以内。

表4 车重识别结果

［1］宋海良. 国内桥梁垮塌事故的分析与反思［J］.交通世界，2012（15）：188-191.

［2］张世英.钢筋锈蚀对超载钢筋混凝土梁式桥的裂缝影响分析［J］.交通世界，2012（13）：206-207.

［3］袁向荣，陈思利，杨绍普.由梁的响应识别移动荷载［J］.振动、测试与诊断，1995，15（3）：30-33.

［4］王宁波.非面式桥梁动态称重理论与试验研究［D］.湖南：中南大学，2013.

［5］F Moses. Weigh-in-motion system using instrumented bridges［J］. Transportation Engineering Journal，1979，105（3）：233-249.

［6］何一.基于影响线的中小型桥梁荷载识别技术研究［D］.南京：东南大学，2015.

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，江苏常州人，助理工程师，主要从事桥梁检测工作。