基于动态荷载试验和智能算法的桥梁承载能力虚拟评估方法

《Engineering Applications of Artificial Intelligence》：Virtual evaluation method of bridge load-bearing capacity based on dynamic load test and intelligent algorithm

桥梁承载能力快速评估方法研究，提出动态载荷测试与智能算法融合框架。通过全局敏感性分析确定关键参数（如梁刚度、拱肋密度），结合贝叶斯岭回归迭代修正有限元模型，利用验证系数法关联静动态响应实现等效静态测试，有效解决传统静态测试的交通中断、耗时和高成本问题。案例验证显示该方法具有高精度、强泛化能力和低经济成本优势，特别适用于中小跨径桥梁评估，为基础设施运维提供新思路。

　　

卢鹏珍|刘玉超|金涛|吴颖|郑向龙|郭通

中国浙江省杭州市，浙江工业大学，310014

摘要

准确且及时地评估桥梁的承载能力对于确保结构安全、维持交通流畅性以及延长使用寿命至关重要。传统的静态载荷测试存在诸如干扰交通、耗时较长和成本较高的局限性。为了解决这些问题，本文提出了一种创新的桥梁承载能力评估框架，该框架将动态载荷测试与智能算法相结合。具体而言，通过全局敏感性分析来确定关键的结构参数。动态测试数据与贝叶斯岭回归模型相结合，通过反算输入参数来迭代更新有限元模型。基于验证系数方法，该方法利用静态-动态特性之间的关系间接预测理论静态响应，从而实现快速且智能的桥梁载荷性能评估。此外，还利用调整后的有限元模型和特征模态分解（FMD）来实现动态评估和承载能力预测。通过优化输入变量和训练样本，该模型表现出较高的准确性和稳健的泛化能力。案例研究验证了该方法的有效性，显示出低成本、最小的交通干扰以及高安全标准，特别适用于中小跨度桥梁的快速评估。这种方法为桥梁的运营和维护提供了新的见解，降低了社会经济成本，同时增强了了对桥梁性能的理解。

引言

桥梁是现代交通系统的命脉，作为促进区域交流和推动经济发展的关键连接纽带。在中国广阔的公路和铁路网络中，桥梁的重要性不容否认。然而，随着桥梁的老化和交通流量的增加，其结构性能不可避免地会下降。可能会出现裂缝，材料会变弱，承载能力会下降，直接威胁到公共安全和交通的顺畅运行。这提出了一个紧迫的科学问题：我们如何开发一种快速、准确且对交通影响较小的桥梁承载能力评估方法？这个问题与许多重要的工程挑战紧密相关。传统的评估方法，如静态载荷测试，通常需要干扰交通，消耗大量时间和资源，甚至在测试过程中可能对桥梁结构造成额外的损害。这些缺点不仅增加了基础设施管理的成本，还扰乱了交通网络的正常运行，导致经济损失和潜在的安全隐患。（Wei等人，2024年）

解决这一科学问题并克服这些工程挑战至关重要。这对于确保桥梁的长期安全和耐久性、降低维护成本以及保持交通系统的完整性至关重要。通过找到更高效和准确的评估方法，我们可以更好地分配资源用于桥梁维护和管理，防止灾难性故障，并促进交通基础设施的可持续发展。这构成了我们研究的根本动机，促使我们探索基于动态载荷测试数据的创新方法，以实现快速、准确且对交通友好的桥梁承载能力评估。

文献综述

2 文献综述

传统的桥梁承载能力评估方法包括目视检查、结构检查和静态载荷测试。然而，静态载荷测试面临成本高、耗时长和干扰交通等问题，限制了其实际应用。例如，刘和薛（2017年）对一座连续梁桥进行了耗时的静态载荷测试，并结合了理论计算。余等人（2013年）使用测试车辆模拟设计载荷并进行了比较

特征创建

常见的智能算法主要采用线性拟合方法。然而，在原始特征空间中，数据往往复杂多样，包含线性和非线性特征。本文通过应用特征维度扩展将数据转换为多项式形式，增强了数据的表示能力。这种方法使线性模型能够捕获非线性数据中的关键信息。

例如，考虑一个具有样本特征A的数据集

计算方法设计

要评估桥梁的承载能力，首先收集基本数据（桥梁类型、跨度、材料强度）。创建一个初始的有限元模型（FEM），然后进行动态载荷测试，并将结果与理论FEM值进行比较。根据差异对FEM进行改进。使用Matlab/Python进行贝叶斯岭回归分析，将桥梁数据与动态载荷频率联系起来，如图1所示。这确保了FEM能够反映桥梁的实际行为，提高了评估的准确性。

项目概述

桥梁的实际外观如图5(a)所示，而图5(b)展示了其运行状态。该桥梁设计用于承受高速公路II级荷载条件，设计速度为30公里/小时。主桥的上部结构由一座70米跨度的钢筋混凝土系拱桥组成。拱的升跨比为1/5，对应的升高度为14米，拱轴线呈抛物线形状。系梁采用

初始有限元模型的建立

为了提高模型的准确性和可靠性，本研究采用实体元素进行有限元分析。几何模型由AutoCAD创建，结构被划分为梁、拱肋、桥面板和悬索等组件。特别注意重叠区域的接触处理，以确保几何模型的正确性。然后将精化的几何模型导入ANSYS中，以建立相应的有限元模型。所有材料

动态载荷测试与静态响应之间的关系

由于桥梁S1段的动态应变绝对值很小且受噪声影响较大，因此选择S2段作为研究对象。根据《公路桥梁载荷测试方法》（JTG/T J21-01-2015），动态应变与静态应变之间的关系在方程（9）中给出。相关参数是通过车辆通行测试获得的。车辆通行测试是指车辆经过桥梁的过程

工程应用价值

本研究提出的基于动态载荷测试和智能算法的桥梁承载能力虚拟快速评估方法，在理论和实践上都取得了显著成果。首先，通过全局敏感性分析，研究成功识别出影响桥梁承载能力评估的关键参数，包括梁的刚度和拱肋密度等。这些发现为

CRediT作者贡献声明

卢鹏珍：概念构思。刘玉超：方法论。金涛：研究。吴颖：方法论。郑向龙：监督。郭通：概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号54278221、52208217）、浙江省交通运输厅的科技项目（项目编号2018010、2019H17和2019H14）以及浙江省教育厅科研经费（项目编号Y202250418）、浙江省科技局（项目编号LTGG23E080006）和嘉兴市科技局提供的财政支持