本發(fā)明涉及橋梁健康監(jiān)測，具體是一種32米簡支箱梁的輪軌力識別方法。

背景技術(shù)：

1、橋梁作為交通運輸?shù)年P(guān)鍵節(jié)點，其安全性直接關(guān)系到交通運行的穩(wěn)定性。我國超過85％的橋梁為等跨徑布置的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋，而隨著長期服役，這些橋梁受氣候、環(huán)境和人為因素影響，逐漸出現(xiàn)老化和局部損傷，導致承載能力下降，成為病害橋梁。這對橋梁安全性和耐久性的要求提出了嚴峻挑戰(zhàn)，一旦發(fā)生破壞，可能引發(fā)嚴重的經(jīng)濟損失和社會影響。隨著我國橋梁進入集中養(yǎng)護期，尤其是大量32米簡支箱梁逐步需要維護，目前采用的定期檢測方式需要耗費大量人力、物力和財力，且無法實時在線監(jiān)測橋梁安全狀況，導致?lián)p傷難以及時發(fā)現(xiàn)與處理，因此亟需改進檢測、評估與維護技術(shù)以確保橋梁安全運營。

2、為了保證在役橋梁的健康運營，需要對32米簡支箱梁的健康情況進行長期監(jiān)測。在橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測領(lǐng)域，移動力識別是一項具有重要意義的技術(shù)。傳統(tǒng)的靜態(tài)檢測方法無法捕捉到實際運行過程中橋梁的動態(tài)特性和荷載變化，而移動力識別技術(shù)則能夠?qū)崟r監(jiān)測橋梁在真實使用情況下的動態(tài)響應(yīng)和外荷載變化，從而更全面地評估橋梁的結(jié)構(gòu)性能和健康狀況。借助移動力識別技術(shù)，可以實時重建橋梁全場的動態(tài)響應(yīng)，進而為準確評估橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)、延長使用壽命以及優(yōu)化維護策略提供有力支持。

3、輪軌力是列車運行過程中與軌道之間的動態(tài)相互作用力，其特性直接影響軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性、列車運行的安全性以及橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況。隨著列車運行速度的提高，輪軌力的不確定性顯著增加，可能導致軌道和橋梁的疲勞損傷加劇。因此，精確識別輪軌力對保障列車安全運行和橋梁結(jié)構(gòu)長期服役至關(guān)重要。傳統(tǒng)方法主要依賴軌道式傳感器或車載設(shè)備進行直接測量，但這些方法存在設(shè)備安裝復(fù)雜、受環(huán)境干擾大等問題。而通過結(jié)合有限元仿真和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的輪軌力識別方法，可有效突破傳統(tǒng)測量的局限性，提高識別精度。此外，輪軌力的精確識別有助于優(yōu)化橋梁設(shè)計參數(shù)，提升軌道-橋梁-列車系統(tǒng)的匹配性能，減少不必要的維護成本。因此，開展32米簡支箱梁的輪軌力識別方法研究，對于橋梁安全運營具有重要的現(xiàn)實意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決背景技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種32米簡支箱梁的輪軌力識別方法，其通過將輪軌力分解為若干冗余基函數(shù)及其相應(yīng)系數(shù)的乘積轉(zhuǎn)變?yōu)閘1范數(shù)稀疏正則化的求解問題，使用快速迭代收縮閾值算法和貝葉斯信息準則分別尋求l1范數(shù)正則化的解和選擇最優(yōu)正則化系數(shù)，從而實現(xiàn)輪軌力的精確識別。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取下述技術(shù)方案：一種32米簡支箱梁的輪軌力識別方法，包括以下步驟：

3、步驟一：基于ansys有限元數(shù)值模擬提取軌道線上每個激勵位置對應(yīng)的不同關(guān)鍵測點的應(yīng)變脈沖響應(yīng)函數(shù)，具體如下：

4、1.1、根據(jù)橋梁設(shè)計圖紙建立ansys有限元模型，對ansys有限元模型進行修正，使其能夠準確反映實際橋梁的力學性能；

5、1.2、在橋梁底板選取27個關(guān)鍵測點安裝應(yīng)變傳感器，關(guān)鍵測點包括橋梁的縱橋向的9個關(guān)鍵截面，每一個關(guān)鍵截面上取3個關(guān)鍵測點，分別為底板與腹板中心線相交的兩個點和底板中心線上的一個點，對列車上行車道一側(cè)的橋梁的兩條軌道線上的激勵位置分別施加單位力大小的脈沖荷載，提取關(guān)鍵測點的應(yīng)變脈沖響應(yīng)函數(shù)；

6、步驟二：針對32米簡支箱梁建立列車-軌道-橋梁系統(tǒng)的多體動力學模型，設(shè)置列車以不同速度通過橋梁并設(shè)定采樣頻率，提取列車各個車輪的輪軌力時程曲線和關(guān)鍵測點的應(yīng)變時程曲線，作為用于驗證多體動力學模型的數(shù)值模擬算法的數(shù)據(jù)集；

7、步驟三：通過將輪軌力分解為若干冗余基函數(shù)及其相應(yīng)系數(shù)的乘積轉(zhuǎn)變?yōu)閘1范數(shù)稀疏正則化的求解問題，使用快速迭代收縮閾值算法和貝葉斯信息準則分別尋求l1范數(shù)稀疏正則化的解和選擇最優(yōu)正則化系數(shù)，具體如下：

8、3.1、在移動力的識別領(lǐng)域中，基函數(shù)法假設(shè)未知移動力能夠表示為若干冗余基函數(shù)及其相應(yīng)系數(shù)的乘積之和，結(jié)構(gòu)響應(yīng)與移動力之間的關(guān)系表示如下：

9、

10、式中，b代表傳感器的測量響應(yīng)，h代表脈沖響應(yīng)函數(shù)矩陣，f表示結(jié)構(gòu)上的移動荷載力，代表基函數(shù)矩陣，α代表移動力與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的傳遞矩陣；

11、對于多輸入力和多輸出響應(yīng)的情況，結(jié)構(gòu)響應(yīng)與移動力的力學方程表示如下：

12、

13、式中，bi代表第i個傳感器的測量響應(yīng)，αi代表第i個移動力的系數(shù)向量，aij矩陣代表第j個移動力引起的第i個響應(yīng)的傳遞矩陣，ms和mf分別代表傳感器和移動力的數(shù)量；

14、根據(jù)等式(2)求得系數(shù)向量α以后，所識別的輪軌力能夠用以下方程求解得出：

15、

16、3.2、采用離散三角函數(shù)和矩形函數(shù)組成的冗余基函數(shù)的組合匹配輪軌力特征，使用經(jīng)典的l1范數(shù)稀疏正則化方法求解：

17、

18、式中，為正則化系數(shù)，αi和wi分別是第i個移動力的基函數(shù)系數(shù)和對應(yīng)的加權(quán)系數(shù)；

19、3.3、通過貝葉斯信息準則選擇最優(yōu)正則化系數(shù)，表示如下：

20、

21、式中，n和k分別表示b中元素的數(shù)量和α中非零元素的個數(shù)；

22、通過選擇正則化系數(shù)進行試算，與bic的最小值相對應(yīng)的正則化系數(shù)被用作最優(yōu)正則化系數(shù)；

23、步驟四：采用數(shù)值模擬數(shù)據(jù)集和現(xiàn)場動載試驗數(shù)據(jù)集，計算重構(gòu)的輪軌力時程向量與真實的輪軌力時程向量之間的相對誤差百分比來衡量誤差大小，驗證準確性。

24、進一步的，所述步驟一的1.1中，對ansys有限元模型進行修正時以梁體設(shè)計的彈性模量和容重作為修正參數(shù)，修正目標為使ansys有限元模型計算得到的第一階頻率與現(xiàn)場動載試驗測得的第一階頻率之間的相對誤差控制在5％以內(nèi)，則認定ansys有限元模型能夠準確反映實際橋梁的力學性能。

25、進一步的，所述步驟一的1.2中，兩條軌道線上的激勵位置每隔0.1米一個。

26、進一步的，所述步驟二中的多體動力學模型，在給定列車初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，在多體動力學模型中完成典型的8節(jié)編組列車的列車-軌道-橋梁系統(tǒng)的構(gòu)建，根據(jù)設(shè)計說明對橋梁支座區(qū)域施加剛度約束，并依據(jù)中國鐵路規(guī)范設(shè)置軌道參數(shù)，包括軌距、軌道重量和軌道譜參數(shù)。

27、進一步的，所述步驟四中，采用rpes來衡量輪軌力的靜態(tài)車輪重量的重構(gòu)值與真實值的之間的相對誤差大小，采用rpet來衡量重構(gòu)的車輪輪軌力與真實的輪軌力之間的相對誤差大小，表示如下：

28、

29、式中，fsidentified和fstrue分別表示重構(gòu)值和真實值的靜態(tài)車輪重量，ftidentified和fttrue分別表示輪軌力的重構(gòu)值和真實值。

30、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明針對我國32米簡支箱梁兩車道列車荷載偏載分布的特點，適應(yīng)性的提出了輪軌力的識別方法，其通過將輪軌力分解為若干冗余基函數(shù)及其相應(yīng)系數(shù)的乘積轉(zhuǎn)變?yōu)閘1范數(shù)稀疏正則化的求解問題，使用快速迭代收縮閾值算法和貝葉斯信息準則分別尋求l1范數(shù)正則化的解和選擇最優(yōu)正則化系數(shù)，從而實現(xiàn)輪軌力的精確識別，可以作為橋梁健康監(jiān)測實時預(yù)警子系統(tǒng)的組成部分，從而更全面地評估橋梁的結(jié)構(gòu)性能和健康狀況，提高橋梁健康監(jiān)測實時預(yù)警子系統(tǒng)智能識別的自動化、智能化、準確性和魯棒性，為橋梁健康監(jiān)測輪軌力在線實時預(yù)警子系統(tǒng)的建立提供了解決方案。