大跨径混凝土梁桥车辆荷载效应极值预测方法及应用

本发明属于土木工程结构健康监测与安全评估领域，提出了一种大跨径混凝土梁桥车辆荷载效应极值预测方法及应用，用于大跨径混凝土梁桥车辆荷载效应的评估。

背景技术：

1、桥梁结构是道路交通系统的重要组成部分，尤其是大跨度混凝土梁桥，其运营安全直接关系到交通网络的正常运转。在桥梁的使用过程中，车辆荷载是最主要的外部荷载，对桥梁结构容易造成损伤。随着经济的发展，交通愈加便利，尤其是重型车辆的数量日益增加，超载现象也愈发严重。车辆荷载导致的桥梁损伤已成为越来越重要的问题。近年来，因车辆超重而引发的桥梁局部损坏甚至垮塌的事件频频发生。

2、目前的方法是使用有限元软件(如abaqus或madis civil)建立桥梁模型，代入车辆荷载数据利用软件计算响应，这是计算外部荷载引起桥梁结构响应的常用方法，但这种方法计算耗时较长，尤其是对于随机分析而言。因此，快速且准确地计算车辆荷载对桥梁结构的响应变得至关重要。

3、赵辉等(赵辉,陈水生,李锦华,等.随机车载下的桥梁车致位移极值预测[j].哈尔滨工程大学学报,2023,44(02):219-225.)计算随机车载下的桥梁车致位移，随机车流的生成时，每个车轴的轴重是由车总重按比例分配，没有考虑轴重的相关性。一般情况下假设同一辆车的不同轴重是相互独立的，忽略了连接轴和轴重相关性的影响。尤其对于多轴车(如六轴车)来说，轴重之间的互相影响更为明显，假设轴重独立分布不能更好的反映车辆的真实轴重。

4、宗周红等(宗周红,薛程,杨泽刚,等.基于wim的江苏省高速公路桥梁汽车荷载模型[j].东南大学学报(自然科学版),2020,50(01):143-152.)建立了江苏省高速公路桥梁汽车荷载模型并计算桥梁的荷载效应，计算量巨大，使用4台电脑计算需要耗时45天。

5、为了更使得车流模型更贴合实际车辆并且准确快速地计算车辆荷载对桥梁的响应，本发明方法首先通过考虑轴重的相关性提高随机车流模型的精度，利用荷载试验计算桥梁的影响线，取代用有限元软件建模来提取，然后建立车流荷载参数与桥梁响应极值的映射关系模型，将需要的计算的车流荷载代入其中即可直接得到桥梁响应极值，不需要使用有限元软件进行复杂计算，提高了计算效率。

技术实现思路

1、本发明旨在提出一种大跨径混凝土梁桥车辆荷载效应极值预测方法及应用。该方法对车辆轴重间的相关性加以考虑，构造车流荷载参数与桥梁响应极值之间的映射关系，实现桥梁结构在随机车流作用下极值响应及概率分布的快速计算。进而对大跨径混凝土梁桥的车辆荷载效应进行评估。

2、本发明的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种大跨径混凝土梁桥车辆荷载效应极值预测方法，所述方法的过程是：

4、步骤一，获取桥梁动态称重系统测得的车辆数据，按照轴数对车辆进行分类，以不同车型的轴重和车道车距作为车流荷载参数，车流荷载参数的数量为所有车型的轴重个数之和+车道车距的个数，使用非参数核密度拟合估计法确定每个车流荷载参数的概率密度分布，进而获得每个车流荷载参数的边缘分布函数f；考虑车辆轴重相关性，将同类车型的所有轴重的边缘分布函数按照下式联立获得轴重的联合分布函数h；

5、h(x1,…,xn)＝φρ(φ-1(x1),…,φ-1(xn))(f1(x1),…fn(xn))

6、式中：n为某类车型中的轴重数量，φv为相关系数矩阵为v的多元标准正态分布的分布函数；φ-1表示标准正态分布的分布函数的逆函数；x1表示第一个轴重的样本；xn表示第n个轴重的样本；

7、以轴重的联合分布函数以及车道车距的边缘分布函数为基础，抽样建立考虑轴重相关的随机车流荷载样本集；

8、步骤二，获得轴重和车道车距的合理取值范围，在该合理取值范围内采用分层抽样法生成车流荷载样本集；

9、步骤三，通过荷载试验得到桥梁各跨中截面的影响线；

10、步骤四，将步骤二的车流荷载样本集加载到影响线上，计算出车流荷载对桥梁的响应极值数据集；利用这些计算得到的响应极值数据集与相应的车流荷载样本集建立车流荷载参数-桥梁响应极值的映射关系模型为：

11、

12、式中，s为响应极值；m为多项式个数；rm为系数；γm(x)为多项式函数；x为车流荷载参数，对应所有类型的所有轴的轴重和车道车距；ε是均值为0、方差为σ2的正态分布；

13、对每一个系数rm引入先验分布，并构建似然函数，计算后验分布，定义变异系数ξ为：

14、

15、式中，xnew为新的变量点，所有类型的所有轴的轴重和车道车距为一个车流荷载样本，每个车流荷载样本作为一个点；s*、分别为新的变量点xnew处的预测响应均值及其方差；为先验方差；μn为后验均值；σn2为后验方差；

16、每次选点取变异系数最小的前l1个数据更新映射关系模型，直至模型收敛，获得收敛映射关系模型；

17、步骤五，将步骤一获得的考虑轴重相关的随机车流荷载样本集输入步骤四的收敛映射关系模型中，即获得当前随机车流荷载样本的桥梁响应极值，再进一步拟合获得相应极值分布。

18、进一步地，所述方法用于大跨径混凝土梁桥车辆荷载效应评估中：根据国家或地区的桥梁设计规范和标准并结合历史监测数据统计分析，确定允许的最大响应值——阈值；

19、结合步骤五中得到的响应极值分布，计算超过阈值的概率，此概率即为失效概率，根据失效概率评估桥梁的车辆荷载效应；若失效概率大于5％，则判定车辆荷载引起桥梁结构失效。

20、进一步地，将步骤二生成的车流荷载样本集定义为aq，选取初始车流荷载样本l和对应的桥梁响应极值进行车流荷载参数-桥梁响应极值的映射关系模型的训练；

21、

22、式中，l为初始车流荷载样本个数；j为随机车流荷载参数个数；

23、然后将剩余车流荷载样本aq-l，代入到中，按照计算s*和取变异系数相对最小的l1个车流荷载样本加入到初始车流荷载样本l中即为l+l1，将l+l1代入对车流荷载参数-桥梁响应极值关系模型进行更新；之后再计算剩余车流荷载样本aq-l+l1对应的s*和再取变异系数相对最小的l1个车流荷载样本加入到初始车流荷载样本l，重复上述过程，直至模型收敛。

24、优选地，模型收敛的条件为：ξ小于等于2。

25、第二方面，本发明提供一种大跨径混凝土梁桥车辆荷载效应评估装置，所述装置包括：

26、车辆信息采集单元：该单元以动态秤重系统为核心，配备高精度传感器和信号接收器，负责实时采集过桥车辆的轴重和车道车距信息；通过集成芯片和数字信号处理器进行数据预处理，剔除异常值，并将处理后的数据存储于外置接口连接的存储模块中；

27、随机车流生成单元：用车辆信息采集单元传输的车辆参数信息，生成考虑轴重相关的随机车流荷载样本集；

28、映射关系建立单元：通过荷载试验得到桥梁各跨中截面的影响线，考虑轴重和车道车距的合理取值范围，在该合理取值范围内采用分层抽样法生成车流荷载样本集；计算车流荷载样本集对应的桥梁响应极值；以多项式形式建立车流荷载参数与桥梁响应极值间的映射关系，将随机车流生成单元生成的考虑轴重相关的随机车流荷载样本数据代入映射关系中，以计算桥梁的响应极值，并得到桥梁响应极值分布；

29、评估单元：设定桥梁允许的最大响应值作为阈值，在利用映射关系获得的桥梁响应极值分布中找到超过阈值的概率，此概率即为失效概率，以失效概率评估桥梁的车辆荷载效应；

30、控制单元：控制单元负责调节车辆信息的输入频率和时间节点，包括时、日、月、季度、年。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果：第一考虑车辆的轴重相关性。本发明不再对轴重进行独立抽样，而是考虑车辆轴重联合分布抽样；第二快速的极值计算。通过建立车流荷载参数与桥梁响应极值的映射关系，可以快速准确地计算所经过桥梁任意时刻的车流荷载对桥梁的响应极值，传统的有限元分析方法计算随机车流荷载样本一百万次需要耗时20d左右，而使用本方法后，只需50分钟即可获得响应值。第三结果精确。在观察桥梁响应极值分布的95％分位点对应的极值数据时，有限元计算数据为传统方法与本方法之间的误差仅为0.7％，显示出该方法在精度和效率上的显著优势。

32、本发明装置结合了先进的传感器技术、数字信号处理和高性能计算，提供了全面且精确的桥梁响应极值快速计算能力。