CN102607680A

CN102607680A - 一种基于振动的桥梁车辆载重识别的快速检测方法

Info

Publication number: CN102607680A
Application number: CN2012100578101A
Authority: CN
Inventors: 吴佳晔; 李晓; 姚晓刚; 吴曾炜
Original assignee: SICHUAN SHITA DETECTION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SICHUAN SHITA DETECTION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2012-07-25

Abstract

一种基于振动的桥梁车辆载重识别的快速检测方法，属于监测技术领域，按如下步骤操作：a)将被测试的桥梁选取一至两跨，并按跨度大小分成若干节点，每一个节点上安装加速度传感器或速度传感器；b)用已知重量的汽车作为标定荷载，在装有传感器的桥梁上以不同速度做匀速运动，测得加速度或速度信号；c)根据车重、车速以及动挠度，求出车速～动挠度～车重的关系曲线；d)未知载荷的汽车通过桥梁时，各测点都能测出一组加速度或速度信号，根据该信号积分得到桥梁的动挠度；e)对加速度或速度信号实施HHT分解，求出车速；f)根据事先标定的动挠度与车速、车重的关系曲线，推定出车重。本方法便于实施，安全可靠。

Description

一种基于振动的桥梁车辆载重识别的快速检测方法

技术领域

本发明属于监测技术领域，具体涉及到用于工程安全检测范围的一种基于振动的桥梁车辆载重识别的快速检测方法。

背景技术

桥梁通行的安全与否，是关系国计民生的重大问题。桥梁的损坏甚至垮塌，不仅给交通运输带来极大损失，而且会给人民的生命财产造成巨大的灾难。

桥梁的损坏甚至垮塌，究其原因主要有以下几种：

a)施工质量的低劣，是造成施工中桥梁的跨塌或竣工后安全隐患严重的主要原因，必须通过加强施工质量管理，包括加强监督检验来解决；

b)对现有桥梁的维修保养不够，年久失修，造成桥梁老化，安全系数下降。对其解决方法，只有在加强桥梁检测监控的基础上，加强定期检修保养。

c)桥梁的长期过载，也是造成桥梁损坏的重要原因。少数运输部门在经济利益驱动下，汽车超载严重，甚至超载2倍以上。这可能导致对桥梁的严重危害，而且这种严重超载是没有规律的，往往发生在监管疏漏的深夜，危害更加严重。因而对超载问题要进行严格控制。

为了保证桥梁的安全，除了提高施工质量、改善维护保养以外，加大对超载的治理力度、实施定期检测和在线实时健康监测是非常有益的。特别是在线实时监测，有助于实时把握桥梁的健康和运行状况，具有很高的社会价值和经济意义。其中，对上桥荷载的实时监测，不仅有利于治理超载，而且是判断桥梁健康性和安全性的重要参数。

然而，现有的车辆超载检测方法一般采用电子秤的方式，测量精度高、使用广泛。但是，由于以下原因，使其只用于一般公路检查站、收费站上，无法用于桥梁荷载监测，这几点原因是：

a)检测时需要车辆慢速行驶，这将会对交通起到相当的阻碍作用；

b)检测装置需要埋设在桥面上，影响桥面结构；

c)检测点通常需要人工值守，成本高；

d)测试设备标识明显，对载重车辆司机会产生不利的心理影响，可能诱使司机采用避让检测或加、减速等不合理行为，不仅阻碍交通、还会影响行车安全。

因此，目前尚无切实、有效的针对桥梁荷载的监测技术提出现实可行的操作方法。

本发明就是为了解决在桥梁安全检测上，对汽车超载的监控问题立项的创新性研究。

在描述发明内容之前，先将发明所依据的理论背景作一简单的陈述：

当车辆通过桥梁时，桥梁在荷载的作用下会发生变形(其沉下量即称为挠度，行驶车辆荷载产生的挠度随着时间而改变，因此又称为“动挠度”)。当然，在桥梁刚度一定的条件下，车体重量越大、其动挠度的数值也会越大。

但是，与静止荷载不同，行驶车辆产生的动荷载，以及其引起的桥梁动挠度不仅取决于静态车重，与车速也有密切的关系。在相同速度下，桥上每个点的最大挠度与车重成正比(不超出桥梁的弹性范围内)。另一方面，在相同车重下，不同车速引起的最大挠度也不一样，并且车速与最大动挠度之间的关系非常复杂，与桥型、传感器的位置等均有关系。为此，我们采用标定为主、结合理论分析的方法，从而确定各桥的动挠度与车速之间的关系。

在此基础上，只要能够测出车速，即可根据标定的车速～最大动挠度关系，并考虑到与车重的比例关系，即可推定出上桥行驶中的车重。而测试车速的方法有很多，如雷达测速、激光测速等。但这些测速方法的成本较高，并且需要与动挠度的测试数据同步联动，系统较为复杂，可靠性差。为此，我们需要建立以加速度(速度)传感器为核心的速度测试技术。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，针对桥梁通行的安全、可靠，就要寻求一种切实可行的桥梁车辆载重识别检测的方法，本发明的目的就是提供一种基于振动的桥梁车辆载重识别的快速检测方法，实际上就是根据物联网传感技术的桥梁动载荷的快速检测方法。

本测试方法分为四个部分：

a)动挠度的取得；

动挠度利用加速度传感器取得加速度信号，二次积分得来。也可通过速度传感器拾取的信号，通过一次积分得到。但加速度传感器较速度传感器的可靠性、经济性等方面均有显著的优势，我们主要采用加速度传感器。在积分过程中，有可能出现基线漂移的问题，需要进行相应的修正。

b)车速的推定；

当车辆以一定的速度通过桥梁时，会引起桥梁的振动。同时，随着时间的推移，车辆(荷载)的位置也会发生变化，进而引起各个传感器测试得到的信号幅值、相位随之变化。因此，通过对桥梁振动特性，以及不同传感器得到的信号的幅值、相位的变化，即可反推车辆(荷载)速度。

由于行驶车辆引起的振动是多个模态的受迫振动叠加，需要进行模态分解。为此，我们采用了HHT(Herbert-Huang Transform，赫尔伯特-黄变换)分解。在此基础上，我们开发了两种车速识别方法：

第一种，按照HHT的特点，最低一层经验模态函数应该直接是车速引起的桥的变形振动，可直接用其推定车速。HHT分解后，找到最低层信号的第一个周期，该周期为车辆在桥梁上行驶的时间T，据此

V = \frac{L}{T}

【式1】

式中，L为计算长度。对于简支梁，L即为跨径。而对于多跨连续梁，L需要相应地折算或标定。

第二种，分解不同层的经验模态函数，并求其相位函数，以相位差来做分解。对实测加速度信号实施HHT分解时，截止系数的选取是很重要的。根据经验，可选取截止系数为0.05。

c)最大动挠度与车速关系曲线的标定。

如前所述，利用已知重量的卡车，以不同的速度通过测试对象桥梁，即可建立动挠度～车速曲线。同时，对于多跨连续梁，还可以标定出计算长度L。为了便于说明和计算，在此，我们引入一个变量参数，动柔度指数λ_N(V)，其定义为：

λ_{N} (V) = \frac{D_{\max}}{G}

【式2】

其中，下标N表示第N个传感器；V表示车速，单位为km/h；D_max为最大动挠度，单位为mm，G为车重，单位为Ton。在弹性范围内，给定N、V后，动柔度指数λ_N(V)为一常数。

d)车重的测定

根据标定得到的动柔度指数曲线以及车速V、最大动挠度D_max，按下式即可测出车重G：

G = \frac{D_{\max}}{λ_{N} (V)}

【式3】

为了实现本发明的目的所采用的技术方案如下，

一种基于振动的桥梁车辆载重识别的快速检测方法，其特征在于，按如下步骤进行操作：

a)将被测试的桥梁选取一至两跨，并按跨度大小分成若干节点，每一个节点上安装加速度传感器或速度传感器；

b)用已知重量的汽车作为标定荷载，在装有传感器的桥梁上以不同速度做匀速运动，测得加速度或速度信号，并积分得到桥梁的动挠度；

c)根据车重、车速以及动挠度，求出车速～动挠度～车重的关系曲线；

d)对于未知载荷的汽车通过桥梁时，各测点都能测出一组加速度或速度信号，根据该信号积分得到桥梁的动挠度；

e)对加速度或速度信号实施HHT分解，可求出车速；

f)根据事先标定的动扰度与车速、车重的关系曲线，即可推定出车重。

通过本发明的实施，可概括出本发明的有益效果和积极作用：

a)测得上桥荷载，对严重超载车辆，结合摄像、照相系统进行抓拍，为进一步治理提供基础数据；

b)该数据可作为桥梁其他跨的健康监测的荷载输入数据，从而可大大提高其监测精度；

c)根据不同时期标定的最大动饶度曲线的变化，可判断桥的老化程度及损伤状况，从而采取措施。

附图说明

图1 测试桥梁动载荷示意图；

图2 U5点10Ton标准轴距车挠度积分值；

图3 U5点10t标准轴距车最大动挠度～车速曲线；

图4 U3点测得的加速度信号；

图5 U5点测得的加速度信号；

图6 U3点HHT分解的底层信号；

图7 U5点HHT分解的底层信号；

图8 实测加速度信号积分得到的动挠度信号；

图9 实施流程图。

具体实施方式

1.设置测试系统

参照图1，表示测试桥梁动载荷示意图，如图所示，以一座30米跨度的简支梁桥为例，把桥梁从车驶入端到驶出端分为10段(指本例中)，每段3m。其中部9个点分别编号为：U1，U2，…，U9.。每一个节点上安装加速度传感器或速度传感器，图中标为1，共测9个点数据。

2.标定最大动挠度～车速曲线

a)将标准轴距的卡车(这里按10t)以不同的速度开过测试对象桥梁，取得各点的加速度值；

b)对加速度值进行积分，得到挠度值。参照图2所示，表示10t车不同车速通过U5点标准车挠度积分值，横坐标为时间/s，纵坐标为挠度/mm；

c)对每一个车速，找出其挠度曲线中的最大值，从而取得最大挠度值—车速曲线。参照图3所示，表示U5点测得10t车所产生的最大动挠度～车速曲线，横坐标为车速，纵坐标为最大动挠度。例如，λ₅(20)为0.112mm/T，λ₅(80)为0.0982mm/T。

3.从实测加速度信号中推算车速

当被测车辆通过桥粱时，各测点都能测出一组加速度信号。参照图4所示，表示U3点测得的加速度信号，图5为U5点测得的加速度信号。

a)分别对U3及U5点的加速度信号做HHT变换，截止系数取0.05，并提取其最底层信号。参照图6，表示U3点HHT分解的底层信号，参照图7，表示U5点HHT分解的底层信号；

b)在底层信号中，识别第一个周期，计算车速。如U3点，第一个周期为143个点(每点0.01s)，即1.43s，U5点，第一个周期为124个点(每点0.01s)，即1.24s；

c)两个点取平均，以减少误差。计算得到第一个周期平均值为1.335s；

d)根据HHT的特点，该周期应该为汽车在桥梁上行驶的时间，据此求得车速为30m/1.335s＝22.47m/s＝80.9km/h。而实际上，该信号源车速为80km/h，速度推定得极好。

4.车重识别

a)在本例中，已识别出汽车速度为80.9km/h。对于U5点，在最大动挠度～速度曲线(图3)上，可得到对应于该车速的动挠度指数λ₅(80.9)为0.09817mm/Ton；

b)将实测加速度信号，积分为挠度信号。如图8所示为实测加速度信号积分得到挠度信号，其动挠度最大值为0.9883mm。

c)根据式3，可得：

G = \frac{D_{\max}}{λ_{N} (V)} = \frac{0.9883 mm}{0.09817 mm / Ton} = 10.07 Ton

【式4】

即测出的车重为10.07Ton。而实测数据来源于10T，80km/h的数值计算数据，符合很好。参照图9，表示实施流程图，记载了a至f步骤。

Claims

1.一种基于振动的桥梁车辆载重识别的快速检测方法，其特征在于，按如下步骤进行操作：

e)对加速度或速度信号实施HHT分解，可求出车速；

f)根据事先标定的动挠度与车速、车重的关系曲线，即可推定出车重。

2.根据权利要求1所述的基于振动的桥梁车辆载重识别的快速检测方法，其特征在于，所述标定出的最大动挠度与车速、车重的关系曲线，根据不同时期标定的最大挠度曲线的变化，即可判断桥的老化程度。

3.根据权利要求1所述的基于振动的桥梁车辆载重识别的快速检测方法，其特征在于，所述测得的上桥的荷载，可以作为该桥其它跨的输入荷载，并用于判断其健康状况。