基于橋梁動應(yīng)變識別單車軸距的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了基于橋梁動應(yīng)變識別單車軸距的方法，屬于橋梁試驗檢測、健康監(jiān)控及超載車治理領(lǐng)域。在梁式橋跨中或最大應(yīng)變反應(yīng)截面布置高分辨率應(yīng)變測試裝置(傳感器)，測試車輛作用下的橋梁動應(yīng)變時程曲線，對動應(yīng)變時程曲線進行濾波降噪或擬合，并進行一階及二階求導(dǎo)，結(jié)合有限元模擬結(jié)果、曲線求導(dǎo)結(jié)果及車輛行駛速度，計算獲得車輛的車軸距。該方法只需要在橋梁上布置1個應(yīng)變測試截面，安裝簡單、成本低廉；無需破壞橋面或路面結(jié)構(gòu)，對現(xiàn)有橋梁道路無損傷；識別算法簡單、準(zhǔn)確度高。

Method for identifying single wheel wheelbase based on dynamic strain of bridge

The invention discloses a method for identifying the wheelbase of a bicycle based on dynamic strain of a bridge, belonging to the field of bridge test detection, health monitoring and overload vehicle control. In the device or the maximum strain of beam bridge cross reaction cross section layout of high resolution strain test (sensor), bridge test vehicle under dynamic strain time curve, filtering denoising or fitting the curve of dynamic strain, and one order and two order derivative, based on the finite element simulation results, the result of derivation and vehicle curve speed calculation of vehicle wheelbase. The method only needs 1 strain test sections on the bridge. The installation is simple and the cost is low. There is no need to damage the bridge deck or pavement structure, no damage to the existing bridge road, and the identification algorithm is simple and accurate.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
基于橋梁動應(yīng)變識別單車軸距的方法
本專利技術(shù)涉及橋梁試驗檢測、健康監(jiān)控及超載車治理領(lǐng)域，特別是基于橋梁動應(yīng)變識別單車軸距的方法。
技術(shù)介紹
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(guān)，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(guān)注起來。對橋梁結(jié)構(gòu)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(xué)術(shù)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(shù)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(wù)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(dāng)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(shè)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(jié)構(gòu)；使用時常規(guī)稱重地磅需要人為或借助攝像設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)備。中國專利201210249735.9公開基于橋梁動應(yīng)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(yīng)變測量裝置；在安裝好動應(yīng)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(yīng)變，提取動應(yīng)變結(jié)果形成的動應(yīng)變時程曲線，并與實測值進行比較及相關(guān)分析，得出行車速度、動應(yīng)變峰值及車輛重量的關(guān)系式T＝f(x,ε)或是曲線；根據(jù)各截面動應(yīng)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(yīng)變峰值取平均，帶入關(guān)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(yīng)變峰值及車輛重量的關(guān)系式，存在工作量大、適應(yīng)性不高的問題，特別是每個橋梁的結(jié)構(gòu)特性均不相同，這樣導(dǎo)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(yīng)對中國目前橋梁的測量需求。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的專利技術(shù)目的是，針對上述問題，提供基于橋梁動應(yīng)變識別單車軸距的方法，通過提供一種具有安裝簡便、成本低、效率高的車軸數(shù)的識別方法，其通過安裝一個動應(yīng)力傳感器即可以滿足對軸距的測量需求。為達到上述目的，本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案是：基于橋梁動應(yīng)變識別單車軸距的方法，在單車輛通過橋梁時對該車輛的軸距測量步驟為：在橋梁1/2跨徑或最大應(yīng)變反應(yīng)處布置動應(yīng)變傳感器，所述動應(yīng)變傳感器在設(shè)置截面上并沿橋梁的縱向布置；所述動應(yīng)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(yīng)變傳感器的應(yīng)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(yīng)變信號進行濾波處理并得到動應(yīng)變時程曲線，提取得到動應(yīng)變時程曲線的連續(xù)正應(yīng)變發(fā)生區(qū)間，并對正應(yīng)變發(fā)生區(qū)間內(nèi)的動應(yīng)變時程曲線進行二階求導(dǎo)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(yīng)的曲線區(qū)間，計算該曲線區(qū)間的幅度大小；所述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(yīng)荷載系數(shù)曲線中最小單載荷對應(yīng)的曲線區(qū)間的幅度大小；所述曲線區(qū)間滿足其幅度大小不小于幅度閾值大小；所述軸距＝[所述橋梁的跨徑/(正應(yīng)變發(fā)生區(qū)間的正方向第一個曲線區(qū)間到正應(yīng)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。本方案的重點在于獲取荷載系數(shù)曲線從而得到單車軸距，具體是通過動應(yīng)變傳感器取得應(yīng)變信號數(shù)據(jù)，濾波處理，得到動應(yīng)變時程曲線，建立對應(yīng)的二維坐標(biāo)系，確認并提取車輛通過的連續(xù)的正應(yīng)變發(fā)生區(qū)間，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，且減少運算工作，提高工作效率；通過對正應(yīng)變發(fā)生區(qū)間內(nèi)的動應(yīng)變時程曲線進行二階求導(dǎo)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(yīng)變傳感器測試點時，對應(yīng)應(yīng)變變化值突變時對應(yīng)的軸荷載大小相關(guān)系數(shù)曲線，每個車軸通過測試點時引起的應(yīng)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(yīng)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(yīng)荷載系數(shù)曲線中最小單載荷對應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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：軸距＝[所述橋梁的跨徑/(正應(yīng)變發(fā)生區(qū)間的正方向第一個曲線區(qū)間到正應(yīng)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。相比之下，現(xiàn)有技術(shù)獲取車輛軸距的方法是通過設(shè)置兩個測點，獲取得到兩條動應(yīng)變時程曲線，然后利用車軸通過兩測點的需要時間和速度求得所述車輛軸距。這里應(yīng)該清楚的是，為了滿足上述測試需要，需要有兩組測試設(shè)備，其安裝測量成本也相應(yīng)增加。而本方案中，只需按照一組或一個測試點即可以完成對軸距的測量，其測量過程更加簡便，成本更加低廉，安裝維護更方便及適應(yīng)性更好。優(yōu)選的，車輛作用下的橋梁動應(yīng)變數(shù)值大小及波動幅值受諸多影響，只有當(dāng)車輛總重達到一定數(shù)值時，在現(xiàn)有的技術(shù)水平和儀器設(shè)備條件下，采用動應(yīng)變識別單車軸重才能有著一定的適用性和準(zhǔn)確度。根據(jù)大量的試驗驗證，當(dāng)采用高分辨率應(yīng)變傳感器(分辨率不大于0.1με)進行動應(yīng)變采集，車輛總重作用下的橋梁最大應(yīng)變需滿足(Mmax為車輛作用下的橋梁應(yīng)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(yīng)變測試截面的抗彎剛度)時，該方法具有普遍可接受的準(zhǔn)確度。優(yōu)選的，由于橋梁受力結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受力簡單、傳力路徑明確、作用力與結(jié)構(gòu)反應(yīng)線性關(guān)系良好等特點，采用動應(yīng)變識別單車車軸重有著較好力學(xué)基礎(chǔ)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(guān)系式時，單車軸重識別準(zhǔn)確度可滿足橋梁試驗檢測及健康監(jiān)控領(lǐng)域的需要。優(yōu)選的，實測的動應(yīng)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(yīng)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，所述動應(yīng)變時程曲線由處理單元通過有限元仿真計算理論動應(yīng)變，并提取動應(yīng)變結(jié)果形成。由于采用上述技術(shù)方案，本專利技術(shù)具有以下有益效果：1.本專利技術(shù)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.本專利技術(shù)僅本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
基于橋梁動應(yīng)變識別單車軸距的方法，其特征在于，在單車輛通過橋梁時對該車輛的軸距測量步驟為：在橋梁1/2跨徑或最大應(yīng)變反應(yīng)處布置動應(yīng)變傳感器，所述動應(yīng)變傳感器在設(shè)置截面上并沿橋梁的縱向布置；所述動應(yīng)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(yīng)變傳感器的應(yīng)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(yīng)變信號進行濾波處理并得到動應(yīng)變時程曲線，提取得到動應(yīng)變時程曲線的連續(xù)正應(yīng)變發(fā)生區(qū)間，并對正應(yīng)變發(fā)生區(qū)間內(nèi)的動應(yīng)變時程曲線進行二階求導(dǎo)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(yīng)的曲線區(qū)間，計算該曲線區(qū)間的幅度大小；所述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(yīng)荷載系數(shù)曲線中最小單載荷對應(yīng)的曲線區(qū)間的幅度大小；所述曲線區(qū)間滿足其幅度大小不小于幅度閾值大小；所述軸距＝[所述橋梁的跨徑/(正應(yīng)變發(fā)生區(qū)間的正方向第一個曲線區(qū)間到正應(yīng)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。

【技術(shù)特征摘要】
1.基于橋梁動應(yīng)變識別單車軸距的方法，其特征在于，在單車輛通過橋梁時對該車輛的軸距測量步驟為：在橋梁1/2跨徑或最大應(yīng)變反應(yīng)處布置動應(yīng)變傳感器，所述動應(yīng)變傳感器在設(shè)置截面上并沿橋梁的縱向布置；所述動應(yīng)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(yīng)變傳感器的應(yīng)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(yīng)變信號進行濾波處理并得到動應(yīng)變時程曲線，提取得到動應(yīng)變時程曲線的連續(xù)正應(yīng)變發(fā)生區(qū)間，并對正應(yīng)變發(fā)生區(qū)間內(nèi)的動應(yīng)變時程曲線進行二階求導(dǎo)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(yīng)的曲線區(qū)間，計算該曲線區(qū)間的幅度大小；所述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(yīng)荷載系數(shù)曲線中最小單載荷對應(yīng)的曲線區(qū)間的幅度大小；所述曲線區(qū)間滿足其幅度大小不小于幅度閾值大小；所述軸距＝[所述橋梁的跨徑/(正應(yīng)變發(fā)生區(qū)間的正方向第一個曲...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：郝天之，鄧年春，楊雨厚，羅月靜，施智，黃遠，
申請(專利權(quán))人：廣西交通科學(xué)研究院有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：廣西,45