一种面向整体式箱梁桥承载能力的快速测试评定方法

1.本发明属于结构安全性检测技术领域，具体涉及一种面向整体式箱梁桥承载能力的快速测试评定方法。


背景技术：

2.在过去几十年间，桥梁建设事业获得了蓬勃的发展，我国桥梁的数量已达到数十万座。整体式箱梁桥由于跨越能力强、整体受力性能好，被广泛运用在公路桥梁的建设中。桥梁的设计使用寿命高达几十年乃至一百年，在运营期间，环境影响，材料老化，车辆荷载长期作用会对桥梁的运营安全带来极大的威胁，对桥梁的安全承载能力造成很大的影响。一旦发生突发事故，将严重阻碍交通，造成经济损失和人员伤亡。因此，为了保证桥梁的安全运营，定期对桥梁进行承载能力评定是桥梁维护管养过程中必不可少的环节。
3.箱梁桥通常是重要的交通枢纽，其承载能力是箱梁桥最重要的性能之一。目前，桥梁的承载能力评定通常依据规范《公路桥梁承载能力检测评定规程》(jtg j21-2011)与《公路桥梁荷载试验规程》(jtg/t j21-01-2015)，采用技术调查、荷载试验与分析计算相结合的方式进行。然而，通过荷载试验的方式进行承载能力评定需要长时间的封闭交通，并租用大量的重卡车为桥梁进行加载以使控制截面达到规定值，费时费力，且存在对桥梁结构造成损伤的潜在风险。因此，如何发展一种快速测试方式替代传统荷载试验，成为桥梁承载能力评定成为一个亟须解决的问题。
4.此外，传统的承载能力评定方法中使用荷载试验的结果换算出的检算系数对抗力效应进行修正，随后进行承载能力评定。该措施是为了反映了设计模型与实际桥梁的性能差异。然而，该措施将结构真实与理论性能差异简化为同一个系数进行考虑，认为桥梁不同位置、不同极限状态下的退化情况是一致的，这也是与实际情况背离的，且会造成评定结果偏于保守或危险。此外，荷载效应的计算和桥梁评定都是基于设计模型或简化模型，该模型与当前桥梁性能并不一致，因而需要通过荷载试验来修正抗力结果。因此，若存在一个可以反映桥梁真实状态的模型，则可以直接利用该模型对桥梁的荷载效应与抗力效应进行对比，从而更精准的评定桥梁的承载能力是否达标。更贴近实际的模型意味着可以对桥梁的不同位置与不同极限状态分别进行评判，避免了通过检算系数修正抗力出现保守或偏于危险的评定结果。
5.为此，研究一种面向整体式箱梁桥承载能力的快速测试评定方法，不仅可以有效提高桥梁测试效率、降低测试成本，采用修正后的有限元模型还可以显著提高桥梁承载力的准确性和合理性。因此，本发明对评定整体式箱梁桥承载能力具有重要意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供了一种面向整体式箱梁桥承载能力的快速测试评定方法，具体步骤如下：
7.步骤1.箱梁桥快速静动力测试
8.(1.1)移动荷载试验获取准影响系数
9.准影响系数通过采集一辆两轴试验车辆通过桥梁产生的结构车致响应数据进行获取；试验车辆的质量要使桥梁产生稳定、信噪比高的响应数据；
10.车辆加载原则是以较少的车辆行驶次数覆盖桥梁大部分行车区域；加载过程满足以下准则：1)车辆以不超过5km/h的速度低速驶过桥梁，尽量减少车辆对结构的动力效应；2)车辆在单一车道上直线驶过桥梁，中途不可切换车道；3)按照桥梁设计车道数，车辆须在每一车道上至少完整行驶一次；
11.需要测量的结构车致响应为主梁的应变或挠度；为提高结构车致响应测量数据的信噪比，其测量位置选择在主梁跨中和四分之一跨截面，以确保获取较大的车致响应；当测量主梁的挠度时，挠度在整个截面的分布基本一致，故需在主梁底面对称布置至少2个测点；当测量主梁的应变时，考虑箱梁同一截面上的应变测量值具有较大差异性，应变测点应在箱梁底板处均匀布置，应变传感器数量应不少于2n-1个，n为向量截面腹板数量，以获取主梁底板相对完整的应变分布情况；
12.(1.2)动力试验获取结构动力特征
13.通过采集桥梁结构受迫振动下的主梁加速度响应来识别桥梁的模态参数；对桥梁的激励方式采用风荷载，施加随机环境未知激励或人为施加的已知激励，识别该激励的模态参数；
14.动力响应主要测量的是加速度响应，通过安装在结构上的加速度计获取；测点按照网状形式布置，以获得全桥的加速度响应和完整的桥面振型；为获得桥面较为平滑的振型，其测点应满足一定密度布置；纵桥向传感器的布置应使得振型曲线较为平滑，横桥向传感器布置应至少两排以上，用以识别出桥梁的扭转振型；
15.步骤2.箱梁桥评定模型获取
16.(2.1)箱梁桥有限元建模方法；
17.桥梁的有限元模型使用板壳单元建立，箱梁截面腹板、顶板和底板均由与构件实际厚度相同的板壳单元建立；使用弹簧单元在桥梁支座处添加附加刚度，以考虑桥梁支座约束条件非理想简支的情况；
18.(2.2)桥梁有限元模型修正目标函数建立
19.桥梁初始有限元模型与实际桥梁结构存在差异，需要建立模型优化目标函数，通过模型修正的方式获取与实际结构相符的有限元模型；桥梁初始有限元模型参数优化的目标函数由三部分组成，分别为应变、频率与振型目标函数；
20.依据主梁底板轴向力相等的原则建立多测点应变目标函数；箱梁的应变与横向位置之间呈三次函数关系，将测点获得的应变按照三次函数拟合获得整个底板的应变分布；对应变积分即获得底板轴向力t，如式(1)：
21.t(yj)＝e
·
t
·
∫ε(x,yj)dx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
22.其中：e为主梁底板弹性模量；t为底板的厚度；x为底板应变点沿横桥向的位置坐标；yj为对应变数据第j次采样时对应的试验车辆沿纵桥向的行驶位置坐标；ε(x,yj)表示随试验车辆纵桥向位置与箱梁底板横桥向位置变化的底板应变。因此，建立应变目标函数f1如下式所示：
[0023][0024]
其中，k是参与模型修正的桥梁结构模态频率的阶数；f
ie
和f
ia
分别是结构第i阶频率的测量值和理论计算值；φ
ie
和φ
ia
分别是第i阶振型向量的测量值和理论计算值；β和γ是权重系数，权重系数取为1；
[0025]
频率目标函数f2与振型目标函数f3如下所示：
[0026][0027][0028][0029]
其中，k是参与模型修正的桥梁结构模态频率的阶数；f
ie
和f
ia
分别是结构第i阶频率的测量值和理论计算值；φ
ie
和φ
ia
分别是第i阶振型向量的测量值和理论计算值；β和γ是权重系数，权重系数取为1；
[0030]
各响应目标函数组合时采用归一化的方式进行组合，即权重因子设定为各目标函数初始值的倒数，最终组合后的桥梁有限元模型修正目标函数如式(6)所示：
[0031][0032]
其中f
i,0
是修正前桥梁有限元模型对应目标函数fi的初始值。
[0033]
(2.3)用于箱梁桥承载力评定的有限元模型修正
[0034]
桥梁有限元模型修正前需要确定优化参数，参数的确定方法为灵敏度分析法，选定材料密度、弹性模量、桥面铺装厚度、支座的附加刚度作为备选优化参数，根据灵敏度分析结果最终确定优化参数；灵敏度分析的公式如下：
[0035][0036]
其中，f(θ)为根据公式(6)确定的目标函数；θi为桥梁备选优化参数的第i个样本点，δθ＝1％
·
θ，θ1与θ2为优化参数的上下限；优化参数的上下限根据优化参数可能变动的范围进行选取；支座附加刚度作为必选优化参数，其取值范围呈指数变化，导致灵敏度相较于其他参数显得很小；因此，单独对不同支座附加刚度分组进行灵敏度比较；
[0037]
优化参数选择完成后，使用rosenbrock算法对目标函数进行优化，缩小桥梁有限元模型与实际结构之间的误差；执行上述优化算法后获取与实际桥梁结构相符较好的桥梁结构有限元模型，即用于后续的桥梁承载能力评定；
[0038]
步骤3.基于基准模型的承载能力评定
[0039]
获得修正后的桥梁结构有限元模型后，根据式(8)对荷载效应进行评定：
[0040][0041]
其中，crf为桥梁状态评定指标；γ0为结构重要性系数；s为荷载效应，根据设计荷载或者检算荷载在修正后模型上加载获得；r为控制截面的抗力效应，根据设计规范计算钢筋与混凝土提供的承载能力，根据技术调查结果进行折减；当crf《1.05时，判定桥梁承载能力满足要求。
[0042]
本发明的有益效果：
[0043]
1、采用移动荷载快速过桥获取桥梁主梁应变或挠度准影响系数，并以动力试验获得的主梁振动数据作为补充，克服了传统桥梁荷载试验加载时间长、测点多以及加载车辆多的弊端；
[0044]
2、构建空间准影响系数和结构模态参数组成的模型修正多目标函数，通过灵敏度分析确定桥梁承载力模型修正待优化关键参数，基于rosenbrock方法优化获取了承载力评定模型，弥补了单一目标函数优化结果失真的问题；
[0045]
3、提出基于修正后桥梁模型的承载力评定方法，直接利用修正后模型的荷载效应进行评定，考虑了不同受力构件承载力评估的差异性，解决了规范中承载力检算系数对不同构件评定结果一致性差的问题。
附图说明
[0046]
图1为本发明所采用方法的应变、位移传感器布置示意图；
[0047]
图2为本发明所采用方法的实现流程图；
[0048]
图3为本发明方法实施例中的两跨连续箱梁桥梁：(a)实桥照片；(b)总体布置图；(c)a-a截面；
[0049]
图4为本发明方法实施例中的移动荷载试验路径示意图；
[0050]
图5为本发明方法实施例中的应变传感器安装位置图；
[0051]
图6为本发明方法实施例中的应变结果图；
[0052]
图7为本发明方法实施例中的加速度传感器安装位置图；
[0053]
图8为本发明方法实施例中的频率与振型结果图：(a)第1阶:频率为6.02hz；(b)第2阶:频率为7.34hz；(c)第3阶:频率为13.03hz；(d)第4阶:频率为14.40hz；(e)第5阶:频率为18.17hz；(f)第6阶:频率为18.78hz；
[0054]
图9为本发明方法实施例中的静载试验加载示意图；
[0055]
图10为本发明方法实施例中的灵敏度分析结果示意图：(a)第一组参数；(b)第二组参数。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图和一个实施例来做进一步说明。
[0057]
如图2所示，某跨径为24m+24m的两跨钢筋混凝土t型刚构桥，截面形式采用混凝土单箱单室变截面箱梁，桥面宽度6m，有效行人通行宽度为5.5m。设计荷载为人群荷载5.0kn/m2，上部结构与桥墩均采用c50混凝土浇筑。按照图3所示的步骤，对该桥进行移动荷载试验及动力试验，基于测量数据完成了模型修正。此外，进行了静载试验用于验证评定模型修正
的正确性。最后基于修正模型完成了评定工作。
[0058]
(1)箱梁桥现场试验
[0059]
(1.1)移动荷载试验
[0060]
移动荷载试验采用载有水箱的小车对在桥梁上缓慢行驶，加载路径如图4所示。小车及推动人员总质量约750kg。应变传感器安装在桥梁左跨中截面的底板与腹板上，如图5所示。由于数据质量原因，仅使用了底板上的应变传感器数据进行下一步的模型修正。应变传感器数据经过滤波、去漂移处理后，如图6所示。
[0061]
(1.2)动力试验
[0062]
动力特征的提取是通过测量外荷载激励下全桥范围内的加速度响应衰减变化，来提取桥梁的频率及振型。桥面加速度传感器共布置54个，传感器布置示意图如图7所示，具体布置形式为；将桥梁每跨沿纵向划分为10等份，两跨共布置18个传感器，横向共布置3列传感器。加速度响应计算频率与振型的方法为随机子空间方法，获得的桥梁结构第1～6阶频率与振型如图8所示。其中，1、2、4、6阶振型以弯曲为主，3、5阶以扭转为主。
[0063]
(1.3)验证性静载试验
[0064]
为验证后续优化结果的正确性，采用水袋加载的方式对桥梁进行加载，获取桥梁的两跨跨中的位移响应。水袋加载位置为桥梁东侧跨的跨中与四分之一跨的位置。加载示意如图9所示。在两跨跨中位置安装位移计，用来测量水袋加载后的跨中挠度。
[0065]
(2)评定模型修正
[0066]
箱梁桥的有限元模型使用板壳单元建立，并在支座处增加了弹簧单元用来模拟支座不是理想简支的情况。该模型备选的优化参数有质量、顶板、腹板、底板、隔板、桥墩的弹性模量，桥面铺装，左右支座、中部桥墩的平动与旋转附加刚度，使用式(7)进行灵敏度分析。质量、顶板、腹板、底板、隔板、桥墩的弹性模量，桥面铺装作为第一组参数，依次编号为no.1～7；左右支座、中部桥墩的平动附加刚度，左右支座、中部桥墩的旋转附加刚度为第二组参数，依次编号为no.8～13。灵敏度分析结果如图10所示。最终确定的优化参数有质量，顶板、腹板、底板的弹性模量，左右支座的平动与旋转附加刚度。该模型使用rosenbrock算法进行优化以更贴近实际情况，优化时间约2小时，优化参数的上下限与优化结果如表1所示。利用静载试验的位移验证模型修正结果，如表2所示。其最大误差约为10％，模型与实测数据吻合较好。该模型可用于后续模型的评定工作。
[0067]
表1模型修正结果
[0068][0069]
表2静载试验验证结果
[0070][0071]
(3)承载能力评定
[0072]
在修正后的模型上按照最不利情形施加检算荷载，即设计荷载，计算控制截面的相应响应。以正截面抗弯承载能力为例，控制截面位于各跨中附近，最不利荷载施加于对应单跨的整个桥面，其自重与人群荷载造成的组合后弯矩为4094kn
·
m，经计算其抗弯承载力为8740kn
·
m。则可获得桥梁状态评定指标。
[0073][0074]
经计算该箱梁桥的抗弯承载能力完全满足要求，且有较大的承载能力储备。