一種基于動態(tài)稱重系統(tǒng)的橋梁疲勞壽命頻域分析方法
【專利說明】一種基于動態(tài)稱重系統(tǒng)的橋梁疲勞壽命頻域分析方法 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明屬于橋梁疲勞壽命評估技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 改革開放以來我國的國民經(jīng)濟迅猛發(fā)展，越來越多的機動車輛出現(xiàn)在城市橋梁和 道路上，其中不乏一些重車和超重車，對現(xiàn)有橋梁的設(shè)計壽命和使用安全形成了巨大的挑 戰(zhàn)。隨著橋梁的疲勞損傷越來越頻繁的發(fā)生，甚至出現(xiàn)了因疲勞而發(fā)生整體坍塌的橋梁破 壞，引起了我國交通管理部門的極高重視。
[0003] 對橋梁進(jìn)行疲勞剩余壽命評估需要通過實測法或者規(guī)范方法來獲得應(yīng)力歷程。實 測法獲得應(yīng)力時程相對來說比較直接并且更接近實際，該方法是通過對實橋特定測點安置 應(yīng)變傳感器，獲取測點某段時間的應(yīng)力歷程。但實測法操作不便，成本較高，并且通過測點 部位的疲勞狀況估計其他部位的疲勞會給評估帶來不便及偏差。規(guī)范法獲得應(yīng)力時程比較 方便，該方法是將規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車加載在結(jié)構(gòu)影響線上模擬計算出應(yīng)力歷程。目前 各國都在各自的橋梁設(shè)計規(guī)范中給出了相應(yīng)的疲勞設(shè)計車輛荷載譜，但我國在這方面開展 的研究很少，且由于機動車輛的數(shù)量迅速增加、重車及超重車的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)行規(guī)范荷載與 實際車輛荷載不相適應(yīng)。
[0004] 目前橋梁疲勞評估一般基于線性累積損傷理論，多采用雨流計數(shù)法得到應(yīng)力譜， 然后結(jié)合材料的疲勞特性（S-N曲線）求得循環(huán)荷載對結(jié)構(gòu)造成的損傷，進(jìn)而預(yù)測壽命。但 這種方法需要存儲大量數(shù)據(jù)，且需要循環(huán)計數(shù)，計算量非常大，計算時間非常長，難以實現(xiàn) 實時橋梁疲勞壽命預(yù)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決現(xiàn)有橋梁評估方法精度不高、儲存數(shù) 據(jù)過多、計算時間過長等缺點，結(jié)合動態(tài)稱重系統(tǒng)（WIM)提供一種橋梁疲勞頻域分析方法。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用了以下技術(shù)方案：
[0007] -種基于動態(tài)稱重系統(tǒng)的橋梁疲勞壽命頻域分析方法，包括下列步驟：
[0008] 第一步：采集通過橋梁的各個車輛的車重、車速、軸距數(shù)據(jù)；
[0009] 第二步：統(tǒng)計第一步采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行曲線擬合，具體步驟如下：
[0010] 1)根據(jù)橋梁測試分類標(biāo)準(zhǔn)對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并繪制出各類車輛的車重、車長 及車速統(tǒng)計直方圖；
[0011] 2)通過對車重、車長及車速的直方圖進(jìn)行分析，確定曲線擬合方法：
[0012] 對于單峰分布，采用兩參數(shù)威布爾分布進(jìn)行擬合；對于雙峰分布，采用雙峰正態(tài)分 布進(jìn)行擬合；對于多峰分布，采用根據(jù)數(shù)據(jù)插值繪制概率密度曲線；
[0013] 第三步，將元胞的長度設(shè)計為0. 1米，根據(jù)第二步擬合的概率密度曲線，建立車輛 的元胞自動機仿真模型，生成隨機交通流；
[0014] 第四步，根據(jù)第三步生成的隨機交通流，模擬出不同的車流密度條件下的荷載時 程，并將荷載時程加載到橋梁影響線上，得出應(yīng)力時程數(shù)據(jù)；
[0015] 第五步，對應(yīng)力時程進(jìn)行快速傅里葉轉(zhuǎn)換FFT，并得到應(yīng)力功率譜密度PSD，并計 算出相關(guān)參數(shù)，具體步驟如下：
[0016] 1)使用MATLAB自帶的pwelch函數(shù)對應(yīng)力時程進(jìn)行快速傅里葉轉(zhuǎn)換FFT，將時域 信號轉(zhuǎn)化為頻域信號，并得出應(yīng)力功率譜密度PSD，離散取樣時，采用harming窗函數(shù)，以解 決頻譜泄漏問題；
[0017] 2)使用公式n% = J(( P.G(〇df對應(yīng)力功率譜密度PSD處理，式中，mn為應(yīng)力功率譜 密度PSD的η次矩，f為頻率，G (f)為f頻率下對應(yīng)的功率；
[0018] 3)對應(yīng)力功率譜密度PSD的η次矩進(jìn)行特征化處理，得到
中，Ε[0]為應(yīng)力時程曲線與時間軸交 點的數(shù)目，Ε[Ρ]為應(yīng)力時程曲線的峰值點數(shù)目，γ為不規(guī)則系數(shù)，0〈y〈2;RMS為信號統(tǒng)計 值的均方根；
[0019] 第六步，使用Dirlik法建立應(yīng)力概率密度函數(shù)TOF的經(jīng)驗形式，公式為
Z為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力范 圍，S為應(yīng)力幅；
[0020] 式中Dp D2、Q、D3、R為經(jīng)驗權(quán)重因子，取值范圍由平均頻率Xni和不規(guī)則系數(shù)γ確 定，
[0021] 第七步，計算剩余壽命。
[0022] 計算剩余壽命的具體步驟如下：
[0023] 1)使用振動疲勞方法計算損傷度，公式為E[D] = 式中，T為ls， p (S)為概率密度，K、m為疲勞細(xì)節(jié)的S-N曲線參數(shù)，其中K為材料常數(shù)，1/m為S-N曲線負(fù) 斜率；
[0024] 2)根據(jù)損傷度，計算剩余壽命。
[0025] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0026] 1)本發(fā)明使用動態(tài)稱重系統(tǒng)采集的車長、車重、車速等數(shù)據(jù)，通過分析擬合出對應(yīng) 曲線，并使用元胞自動機產(chǎn)生交通流，進(jìn)而計算應(yīng)力時程。本發(fā)明采用的應(yīng)力時程相對傳統(tǒng) 規(guī)范法而言更為符合實際情況，解決了由于機動車輛的數(shù)量迅速增加、重車及超重車的不 斷出現(xiàn)，現(xiàn)行規(guī)范荷載與實際車輛荷載不相適應(yīng)的問題；同時相對實測應(yīng)力法而言，避免了 通過測量有限點的數(shù)據(jù)來推算實際結(jié)構(gòu)的整體疲勞性能時測點選擇時帶來的偏差。
[0027] 2)在橋梁的日常運行中，車輛對橋的作用實際上是一種隨機振動。對應(yīng)力時程進(jìn) 行快速傅里葉變換（FFT)，將時域信號轉(zhuǎn)化為頻域信號，可以分析其頻譜特性，進(jìn)而采用振 動疲勞分析的方法對橋梁進(jìn)行疲勞評估，運算結(jié)果更為精確。
[0028] 3)使用Dirlik方法得出應(yīng)力幅的概率密度函數(shù)（PDF)，計算簡單，避免了雨流計 數(shù)法的循環(huán)計數(shù)、數(shù)據(jù)處理量大、計算時間長等特點，更適用于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實時分 析。
[0029] 4)隨機動態(tài)應(yīng)力在時域內(nèi)需要很長的信號記錄才能準(zhǔn)確地描述隨機響應(yīng)，用來進(jìn) 行疲勞分析的頻域信號采樣率只要達(dá)到時域信號采樣率的1/10就可以得到與用時域信號 預(yù)測同樣精度的結(jié)果，頻域信號的讀取、儲存都比時域信號方便。
【附圖說明】
[0030] 圖1本發(fā)明原理流程圖
[0031] 圖2本發(fā)明采用的動態(tài)稱重系統(tǒng)采集的B類車車速直方圖
[0032] 圖3本發(fā)明采用的動態(tài)稱重系統(tǒng)采集的B類車車長直方圖
[0033] 圖4本發(fā)明采用的動態(tài)稱重系統(tǒng)采集的B類車車重直方圖
[0034] 圖5本發(fā)明采用的動態(tài)稱重系統(tǒng)采集的B類車車速概率密度模擬
[0035] 圖6本發(fā)明采用的動態(tài)稱重系統(tǒng)采集的B類車車長概率密度模擬
[0036] 圖7本發(fā)明采用的動態(tài)稱重系統(tǒng)采集的B類車車重概率密度模擬
[0037] 圖8本發(fā)明計算出的B類車車重計算函數(shù)
[0038] 圖9本發(fā)明采用的動態(tài)稱重系統(tǒng)采集的F類車車重直方圖
[0039] 圖10本發(fā)明采用的動態(tài)稱重系統(tǒng)采集的F類車車重概率密度模擬
[0040] 圖11 MATLAB語言編制程序模擬出不同的車流密度條件下的荷載-時間歷程
[0041] 圖12采用頻譜分析得到的應(yīng)力功率譜密度PSD
[0042] 圖13 Dirlik法計算得到的應(yīng)力幅概率密度函數(shù)TOF
【具體實施方式】
[0043] 動態(tài)稱重系統(tǒng)（W頂，Weight In Motion)是一組安裝的傳感器和含有軟件的電子 儀器，用來測量動態(tài)輪胎力和車輛通過時間，以提供車重、車速、軸距等數(shù)據(jù)。依據(jù)天津某橋 動態(tài)稱重系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合公式和附圖對本發(fā)明【具體實施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0044] 圖1是本發(fā)明的流程圖。
[0045] 根據(jù)該橋測試分類標(biāo)準(zhǔn)將車輛分為BCDF四類，對實測數(shù)據(jù)按照車型分為四組，并 對每組進(jìn)行統(tǒng)計，繪制出各類車車速、車重、車長的直方圖，如圖2、圖3、圖4、圖9所示。通 過對直方圖進(jìn)行分析，確定曲線擬合方法