基于桥梁响应的车辆轴重识别方法研究

桥上通行车辆的轴重是决定桥梁-车辆耦合作用力的关键性因素。本项目基于车桥耦合振动理论，建立车桥耦合振动的数学模型；利用模态叠加原理，建立桥梁响应、模态坐标与移动车辆荷载之间的关系；在桥梁动力响应已知的条件下，运用优化算法，编制计算机程序得到通行车辆轴重；研究中桥梁结构模型为简支梁桥和连续梁桥，车辆数目可以是单车辆，也可以是多车辆；通过自适应的优化算法，降低路面不平整度对识别结果的影响；通过信号处理技术，通过有效的信号处理方法，将桥梁的实测信号转化为接近于车桥耦合振动引起的桥梁响应数据。将车辆轴重识别算法和信号处理方法形成系统软件，实现基于桥梁实测信号的车辆轴重识别系统；通过试验，分析识别误差产生的原因，改进识别算法，提高识别精度；课题研究具有重要的工程价值和理论意义。

车桥耦合振动问题及桥上通行车辆的轴重识别问题一直是结构工程中重要的研究课题。为了寻求一种可以推广至动态称重应用的移动荷载识别方法，本项目从以下几个方面进行了研究：（1）建立车桥耦合振动的数学模型，分析了不同模型中车辆与桥梁之间耦合作用力的影响因素；（2）提出了基于影响线的识别算法；（3）编制计算机程序得到通行车辆轴重；（4）研究中桥梁结构模型为简支梁桥和连续梁桥，车辆数目可以是单车辆，也可以是多车辆。项目实施过程中，在国内外期刊杂志及国际会议上发表论文多篇，其主要成果如下：.首先，研究了弹性支撑梁在移动荷载作用下的动力响应，主要考虑桥梁为高墩桥梁或支撑刚度对车桥耦合作用力的影响。考虑弹性支撑刚度对弹性支撑梁固有频率及模态的影响，选取二阶模态，利用模态叠加原理，研究弹性支撑梁在移动荷载和移动车辆作用下的动力响应。研究中，一阶模态考虑为简支梁一阶模态与弹性支撑梁的刚体平动相叠加，二阶模态考虑为简支梁二阶模态与弹性支撑梁的刚体转动相叠加。研究结果表明：考虑二阶模态所得结果与仅取一阶模态所得结果相差较大，相差大小受弹性支撑刚度决定，特别是当移动车辆考虑为弹簧质量系统时，耦合振动响应受刚体转动模态影响明显，耦合作用力也存在较大的差异。.其次，研究了考虑桥梁几何非线性的车桥耦合振动方程。利用数值方法，求解了辆通过桥梁时的动力响应，分析了桥梁非线性对车桥耦合作用力的影响。研究结果表明，当单个车辆通行于桥梁时，几何非线性对车桥耦合作用力影响不大，当通行车辆为列车且速度接近临界速度时，非线性对车桥耦合作用力的影响明显；当列车速度接近1/3临界速度时，还会引起亚谐共振。.再次，基于模态叠加原理和d’Alembertian原理，提出了一种识别移动荷载的新方法。该方法创新点在于同时使用了弯矩响应数据和加速度数据，避免了求解移动荷载作用下的动力学方程。对于简支梁，可利用精确模态及影响线函数分离出惯性力和移动荷载对弯矩的贡献，从而识别出荷载。对于连续梁，则需利用ANSYS软件的模态分析功能，得到连续梁桥的模态数据，将基于弯矩影响线的移动荷载识别方法推广到多跨连续梁桥。.最后，在方法应用研究方面，设计车桥耦合振动试验模型，利用试验数据，研究试验检测技术及数据处理技术，为推广方法应用提供依据。搜集了桥梁跑车试验的测试数据，为进一步推广到实际工程应用的可靠性研究奠定基础。