前言

车辆荷载是对在役桥梁影响最大的活荷载,通过布设传感器可记录车辆激励荷载作用下桥梁的动态响应,基于桥梁动态响应识别桥面移动车载,对监测桥上移动荷载、评估在役桥梁抗裂性能和承载能力、预测桥梁剩余寿命以及桥梁结构可靠度设计和运营维护管理等方面都具有重要意义。

车辆动荷载会引起路面和桥梁的附加应力,引起桥梁的累积损伤和疲劳破坏,甚至诱发桥梁结构恶性事故。随着桥梁轻型化而车辆荷载重型化、车速高速化的发展,移动荷载的精确识别引起越来越多桥梁工程研究人员的关注。

移动荷载识别属于结构动力学逆问题的范畴,而逆问题的一个显著特点就是存在不适定性。大多数移动荷载识别方法最终都转化为线性方程组的求解,方程组的不适定往往造成不同求解方法给出不同的识别精度。由桥梁响应识别移动车载已有较深入研究,但各识别方法的测点敏感性、鲁棒性以及抗不适定性差异较大,尤其是在车辆上桥和下桥时刻,由于各方法抗不适定性不同,而导致识别精度有较大差异。本书第2章重点介绍第一识别法、第二识别法、时域法、频时域、矩量法、奇异值分解法、Tikhonov正则化方法、小波分析法和正交函数法等移动荷载识别方法,推导各方法移动荷载识别过程及其特点,为后续新方法的提出奠定理论基础。

本书第3章基于第一识别法、第二识别法、时域法和频时域法理论,结合移动荷载识别的特点,提出采用预处理共轭梯度法识别桥梁移动荷载,并将其与时域法识别移动荷载进行对比。通过数值仿真,发现预处理共轭梯度法较时域法识别有很多优点,例如识别精度高,抗噪能力强,收敛速度快,初始参数易于选取等,可以很大程度地改善移动荷载识别中的不适定问题。预处理共轭梯度法在方程组不适定情况下仍能给出较高的识别精度,且识别结果对噪声影响有明显的抵抗能力。特别当仅仅采用弯矩响应识别移动荷载时,其识别精度较时域法有明显的提高。这为移动荷载识别方法的实际应用打下了基础,因为在实际情况下,测量响应总是不可避免地包含高频噪声,而弯矩响应成分多为低频成分,不易受到噪声的干扰,因而由其识别荷载精度也会更高。

本书第4章针对预优矩阵的选取理论及其方法进行了详细阐述,针对三种不同预优矩阵类型分别进行数值模拟。预优矩阵的选取对预处理共轭梯度法非常重要,因为它影响到预处理共轭梯度法的识别精度、抗噪性以及抗不适定性等关键问题。数值仿真结果表明三对角预优矩阵较其他两类预优矩阵具有更好的识别效果,预处理共轭梯度法识别精度明显高于共轭梯度法,将共轭梯度法进行预处理后得到的预处理共轭梯度法具有广泛的应用前景和工程实际意义,其中选取合适的预优矩阵是保证其高精度识别的前提条件。

为了进一步检验预处理共轭梯度法,也为了将这种方法推广到现场识别移动荷载,在实验室开展了车桥模型试验。利用试验测量的桥梁弯矩响应数据,检验预处理共轭梯度法在不同工况下的识别结果。比较桥梁模态数、预处理共轭梯度法迭代次数、桥面粗糙度、车辆重量以及测点选择对识别结果精度的影响后,研究结果表明:基于PCGM方法能够精确地识别车辆荷载,收敛较快且能较好改善荷载识别方程的不适定性,在绝大多数工况下,预处理共轭梯度法均可有效识别桥面移动荷载,且识别精度较高,建议将其推广到实际移动荷载识别中去。同时,桥梁参数对识别精度的影响也很重要,选择合适的参数有助于提高方法的识别精度。

笔者长期从事桥梁移动荷载动态识别的理论研究以及数值模拟工作,并结合实验室车桥模型试验验证本书提出的预处理共轭梯度法,希望以该方法为切入点对移动荷载识别理论、数值模拟及试验研究开展较为详细的分析与讨论。撰作此书,希望能够抛砖引玉。又囿于本人学识水平有限,书中的错误和缺点在所难免,敬请同行专家批评指正。

陈震

2014年10月