CN102353509B - 一种基于分块冲击振动测试的中小型桥梁快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分块冲击振动测试的中小型桥梁快速检测方法，包括以下步骤：将整个桥面依据桥梁形状分成若干子块区域，各子块区域之间为连接点；对各个子块逐一进行冲击振动测试并测量各子块间连接点数据；利用动力信号分析方法通过各连接点测试数据融合各子块测试数据，识别整体结构特征。本发明方法采用少量传感器分块对桥梁进行冲击振动测试，然后利用动力信号分析方法融合各子块的振动数据，识别整体结构的频域传递函数和模态参数。特别的是，本发明方法能够利用各子块测试数据，识别整体结构的柔度矩阵，从而可预测桥梁在任何荷载下的变形，有效评估结构安全状况。

Description

一种基于分块冲击振动测试的中小型桥梁快速检测方法

技术领域

本发明涉及一种对中小桥梁进行分块冲击振动测试的方法，可实现中小桥梁的变形预测和快速安全评估。

背景技术

土木工程结构如房屋和桥梁等在自然环境与日常使用荷载下性能逐渐退化，而且又随时可能遭受地震、台风等强大自然灾害的侵袭。因此对土木工程结构进行定期甚至实时健康监测与诊断可有效减小工程结构坍塌可能，避免突发灾难事故，保障人身和国家财产安全。利用振动测试观测到的数据可用来识别结构参数从而进行结构健康诊。近年来基于振动测试的结构健康监测与诊断技术也已逐渐应用到土木工程实践中。环境振动适用于大跨和中小型桥梁的健康诊断，但它仅输出结构模态参数，还无法直接用来进行结构损伤识别和安全评估。冲击振动为振动测试的另一种形式，主要适用于中小桥梁的测试与安全评估。但传统的冲击振动测试中，要求将传感器布置与整个桥面，因此所需传感器数目多，数据传输用的电缆长，设备安装所需人力物力大，桥梁关闭时间长。为了解决这些问题，本发明方法对中小桥梁采用分块分阶段的冲击振动测试，每次仅对结构的一个子块进行测试，而动力信号分析方法可融合各子块的测试数据，识别整体结构模态参数和柔度矩阵，从而能够预测结构变形，进行中小桥梁的快速检测。该方法成本低，精度高，所需时间少，抗噪音能力强，并且其实用性强，有广泛应用于实际工程中中小桥梁快速检测的良好前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种中小桥梁快速检测的方法。中小桥梁安全检测的最大挑战之一是要求测试时间短，从而保证所需桥梁关闭时间有限，不影响桥梁的日常运营。本发明方法对所测试桥梁采用分块分阶段的冲击振动实验方法，可大大缩减桥梁检测成本和时间。另一方面，该方法采用动力信号分析分析技术，可输出桥梁整体柔度矩阵，从而可预测结构变形，进行可靠有效的中小桥梁安全评估。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于分块冲击振动测试的中小型桥梁快速检测方法，步骤如下：

第一步、将整个桥面依据桥梁形状分成若干子块区域，各子块区域之间为连接点；

第二步、对各个子块逐一进行冲击振动测试并测量各子块间连接点数据；

第三步、利用动力信号分析方法通过各连接点测试数据融合各子块测试数据，识别整体结构特征。本发明测试方法采用对中小桥梁路面进行子结构划分，然后依次对每一个子结构进行冲击振动测试。在子结构划分阶段，依据桥梁具体形状，可将每跨桥梁路面作为一个子结构进行测试，也可进行更细致的划分。在振动测试中，冲击装置可采用传统的测力锤，加速度计用来观测结构冲击振动下结构反应。本发明的分块振动测试中要求相邻子结构的连接界面处有传感器布置。因子结构区域小，故所需传感器和数据传输用电缆数量都大幅下降，从而测试时间短，实验成本低。在完成各个子结构的振动测试后，利用数据分析方法融合各子结构的振动测试数据，识别整体结构的频域传递函数矩阵，从而识别整体结构的模态参数(频率、阻尼和阵型)。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：通过对整座桥梁进行分块冲击振动试验，而非传统的整体结构实验，可大幅减少所需传感器数目和数据传输用电缆长度，实验成本和所需时间都得到大幅减小，从而可实现中小桥梁的快速检测。另一方面，在消减成本和时间的同时，该方法能能够输出精确的结构模态识别结果。特别的是，该方法通过分析各子结构振动测试数据，可识别出结构的柔度矩阵，从而可进行结构的变形预测，这是绝大多数现有的基于振动测试的结构健康诊断技术做不到的。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是桥梁分块测试示意图，测试子结构a。

图3是桥梁分块测试示意图，测试子结构b。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明方法的基本流程。中小桥梁的健康检测首先通过现场调查和调阅结构图纸以熟悉所检测桥梁，然后将整个结构分为若干个子结构(例如图2所示的划分方式)，在子结构划分步骤需注意结构各部件的连接情况(如温度伸缩缝影响)。随后确定各个子结构的传感器布置方案和进行冲击振动试验。在冲击振动过程中，需同时观测冲击力和各测点的结构反应(加速度)。在完成所有子结构的振动测试后，开始振动测试信号的预处理和后处理。因结构振动试验不可避免的受到传感器灵敏度和试验环境等因素的影响，一系列数据预处理技术首先应用于振动测试信号以消除或降低噪音和提高数据质量，如滤波、加指数窗、时域或频域内平均等。然后，针对发明内容部分介绍的两种测试形式(相邻子结构连接界面处有或无传感器布置)和相应数据处理方法，融合各子结构的冲击振动测试数据，得出整体结构的频域传递函数矩阵。随后，利用数据后处理方法(如窄频范围内的SubMAX法等)识别结构的模态参数(频率、阻尼、阵型)和阵型缩放系数，从而可推导出结构的整体柔度矩阵。在本发明方法的最后一步，可利用所识别的结构柔度矩阵预测结构在任何静载下的变形，从而进行中小桥梁的快速安全检测。

如图2所示，将一个5自由度结构划分为2个子结构：子结构a包含第1、2和3自由度，子结构b包含和3、4和5自由度。自由度3为两个子结构的连接点。由两个子结构的振动测试数据进行模态分析可得到这两个子结构的模态参与系数：

$L_r^a=\left\{\begin{array}{ccc}{L}_{1r}^a& L_{2r}^a& L_{3r}^a\end{array}\right\}---\left(1\right)$

$L_r^b=\left\{\begin{array}{ccc}{L}_{3r}^b& L_{4r}^b& L_{5r}^a\end{array}\right\}---\left(2\right)$

其中

表示子结构a的第r阶模态参与系数。利用两个子结构连接点的测量数据，可融合两个子结构的数据得出整个结构的模态参与系数：

$L_r^{\mathrm{ab}}=\left\{\begin{array}{ccccc}{L}_{1r}^a& L_{2r}^a& L_{3r}^a& L_{3r}^a/L_{4r}^b/L_{3r}^b& L_{3r}^a{L}_{5r}^b/L_{3r}^b\end{array}\right\}---\left(3\right)$

同样道理，可有子结构数据得出整体结构的阵型矩阵，

然后利用公式4计算结构柔度矩阵，从而可预测结构在任何荷载下的变形：

$f^{\mathrm{ab}}={\mathrm{\Σ}}_{r=1}^m(\frac{L_r^{\mathrm{ab}}{\mathrm{\φ}}_r^{\mathrm{ab}}}{-r_r}+\frac{L_r^{\mathrm{ab}*}{\mathrm{\φ}}_r^{\mathrm{ab}*}}{-r_{1r}^{*}})---\left(4\right)$

在公式4中，f^ab为整体结构柔度矩阵，m为阵型个数，γ为由振动数据识别的结构频率阻尼系数，符号*表示相应变量的共轭复数。在识别出结构柔度矩阵后，可进行任意荷载下的结构变形预测。土木工程实践中已广泛接受利用结构变形来进行结构健康诊断的方法，所以本发明方法通过分块冲击振动测试和数据分析实现结构变形预测，从而在实际土木工程的健康诊断和评估中有着广泛的应用前景。

由上述的具体实施方式可以看出，本发明方法通过逐一对各个子结构进行冲击振动测试，而非一次对整个结构进行测试，从而可节省大量传感器和其他必要试验材料如数据传输用电缆，缩短试验所需时间和成本。数据处理方法可融合各子结构的振动测试数据，识别整体结构的模态参数和柔度矩阵，进行结构的变形预测，这是本发明的独特之处。

Claims (1)

1.一种基于分块冲击振动测试的中小型桥梁快速检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步、将整个桥面依据桥梁形状分两个子结构，子结构a包含第1、2和3自由度， 子结构b包含第3、4和5自由度，第3自由度为两个子结构的连接点；

第二步、对两个子结构逐一进行冲击振动测试并测量两子结构间连接点数据；

第三步、利用动力信号分析方法通过各连接点测试数据融合各子结构测试数据，识别整体结构特征，具体方法是：

由两个子结构的振动测试数据进行模态分析可得到这两个子结构的模态参与系数：

                          （1）

                          （2）

其中

表示子结构a的第r阶模态参与系数，

利用两个子结构连接点的测量数据，可融合两个子结构的数据得出整个结构的模态参与系数：

          （3）

同样道理，可由子结构数据得出整体结构的阵型矩阵,

；

然后利用公式4计算结构柔度矩阵，从而可预测结构在任何荷载下的变形：

                      （4）

在公式4中，

 为整体结构柔度矩阵，m为阵型个数, 

为由振动数据识别的结构频率阻尼系数，符号*表示相应变量的共轭复数。

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