CN103411743A - 利用可移动设备对桥梁进行移动式冲击振动的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用可移动设备对桥梁进行移动式冲击振动的测试方法，步骤如下：第一步、将测试件整体划分为两个以上的子结构，子结构的数目标记为；第二步、在测试件整体的任一子结构上设置一无线加速度计并将该设置点作为参考点；第三步、对每个子结构进行冲击测试，记录冲击力和每个子块各点的加速度反应；在所有子结构的测试过程中，记录所述参考点的加速度反应；第四步、通过所述参考点对各子结构的测试数据进行融合。本发明测试方法仅需一个共同测试点，不要求观测各子块之间的共同边界点，因此更加快捷方便，大幅降低了桥梁测试的时间和成本，具有创造更高经济效益的潜能。

Description

利用可移动设备对桥梁进行移动式冲击振动的测试方法

技术领域

本发明涉及土木与交通工程的中小桥梁动力测试与安全评估领域。拟公开一种仅需一个参考点的移动式中小桥梁振动测试方法及其专用设备，可实现中小桥梁的变形预测和快速承载能力评估。

 

背景技术

据2009年的调查数据，我国桥梁总数59.46万座，中小型桥梁达55.28万座，其中各类病桥的数量逼近10万座，危桥达2万座。相对于跨江越海的大型和特大型桥梁，国省干道及县乡道路上数量众多的中小型桥梁在资金和人力上投入有限，导致其中很大一部分年久失修。因此，如何实现广大中小桥梁的快速诊断与安全普查以保证它们的健康安全已成为国民经济和社会发展中一项迫切需要解决的关键科技问题。

交通部《公路旧桥承载能力鉴定方法》规定可通过荷载试验测定桥梁在静载作用下的实际工作状况来评定桥梁承载能力。静载试验是规范规定的方法，因而它在实际工程中被广泛采用，但其缺点是费用高、耗时长、试验过程中要求桥梁关闭通车。环境振动测试为桥梁健康诊断的又一重要手段。它利用风和车流等自然条件激励桥梁，相对于可控振动测试具有操作方便的优点。但现有环境振动仅能输出结构频率、阻尼和阵型等基本模态参数，而这些参数还无法直接支持桥梁维护与管理决策。

该发明拟公开方法引入冲击振动和移动式测试到中小桥梁安全评估中，提出仅需一个参考点的移动式冲击振动试验方法及其专用设备，并开发了相应的数据处理关键技术，在保证中小桥梁测试方便快捷的同时，能够得出详尽的结构参数如结构柔度，从而实现高效可靠的中小桥梁承载能力评估。

 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种仅需一个参考点的中小桥梁移动式冲击振动测试方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种利用可移动设备对桥梁进行移动式冲击振动的测试方法，其特征在于，步骤如下：

第一步、将测试件整体划分为两个以上的子结构，子结构的数目标记为                                                

；

第二步、在测试件整体的任一子结构上设置一无线加速度计并将该设置点作为参考点；

第三步、对每个子结构进行冲击测试，记录冲击力和每个子块各点的加速度反应；在所有子结构的测试过程中，记录所述参考点的加速度反应；

第四步、通过所述参考点对各子结构的测试数据进行融合：

4.1）由各子结构的冲击力及加速度反应得到各子结构的振型参与系数和振型：各子结构的振型参与系数、振型和缩放系数不同，分别标记为

, 其中表示第

个子结构；

4.2）计算阵型参与系数的比例系数

和两个相邻子结构

和

的振型的比例系数

：

                  （4a）

                       （4b）

其中

表示第阶模态，的符号可通过利用单一参考点的观测值及相位角概念得出；

由各子结构的振型参与系数和振型统合得出整体结构的振型参与系数和振型：

              （5a）

               （5b）

4.3）、在求出整体结构的振型参与系数和振型后，可计算得出其留数：

，其中

表示集成得出的整体结构振型的转置，进而可计算得出整体结构的柔度矩阵：

                   （6）

其中表示结构柔度，

为所用的模态数目，

为留数的共轭值，

，

 为

的共轭复数，

和

分别为结构的第r阶频率和阻尼比。

本发明测试方法所用的移动式冲击振动测试设备，可自由移动至桥面任一子块，停稳后在很短的时间内产生冲击荷载激励桥梁并记录冲击力和子结构反应。在所有子块的测试过程中，仅需一个无线加速度计固定于桥面某一点作为共同测试点（参考点）。待完成所有子块测试后，通过该参考点数据融合所有子块数据识别得出整体结构的位移柔度，进而借鉴规范方法实现中小桥梁的承载能力评定。

本发明拟公开的中小桥梁快速测试方法具有以下特点：

（1）   拟公开的试验方法仅需一个共同测试点，不要求观测各子块之间的共同边界点，因此更加快捷方便，大幅降低了桥梁测试的时间和成本，具有创造更高经济效益的潜能；

（2）   拟公开的试验方法融合了移动式测量和冲击振动测试的优点，在保证现场测试方便快捷的同时，同时观测冲击力和结构反应，得出比传统的环境振动测试方法更为详细的结构信息（如结构柔度）；

（3）   本项目的输出成果为一套切实可用的移动式中小桥梁快速诊断方法及其专用设备，可实现方便快捷的中小桥梁测试与评估，有望推广应用于工程实际，带来巨大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是单参考点的中小桥梁移动式冲击振动测试方法的示意图；

图2是基于相位角的子结构振型调整系数符号判定方法的示意图；

图3是子结构划分及传感器布置示意图； 

图4是实施例1中利用相位角判别振型调整系数符号的示意图；

图5是统和得出的整体结构阵型图；

图6是结构挠度预测和实测值比较图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

本发明方法通过单一参考点融合各子结构数据识别整体结构的柔度是本发明的核心技术，它的开发保证了上述移动式冲击振动测试方法的可行性与实用性。以图1所示桥面为例，首先将整体结构划分为

个子块（在图1例中，

），依次测试该桥面各子块，在每个子块的测试中分别记录冲击力和该子块各点的加速度反应。另外，在所有子块的测试过程中，记录图1所示单参考点的加速度反应以融合各子块数据。分别对各个子块的测试数据进行模态分析，可得出一致的频率和阻尼参数，但各子块的振型参与系数、振型、和缩放系数不同，分别标记为

，

，和

。因为各子块的缩放系数不同，无法直接统合各子结构振型得出整体结构的振型。

首先以统合子结构和的振型为例。假设子结构调整后的第

阶振型参与系数和振型分别为

                       （1a）

                      （1b）

其中

和

为未知的调整系数。

准则1：调整后的子结构

振型的缩放系数需等于子结构A的振型缩放系数，即

=

          （2）

准则2：调整前后的子结构

的振型参与系数和振型需符合以下关系：

              （3）

由公式(2)和(3),可得出

                  (4a)

   

                       (4b)

由公式（4a）可求出

的绝对值为

， 但问题是无法判断其正负号。

针对这一问题，本发明创新性提出利用单一参考点和相位角概念来判断

的正负号如图2所示。图2(a)和(b)中红线为利用单一参考点数据估算的频响函数的相位角曲线，蓝线分别为假设

和

拟合得出的频响函数的相位角曲线。通过比较图2(a)和(b)中估算的和拟合的频响函数相位角曲线可以看出，在结构的第三阶频率（

）附近，图2(b)中红蓝曲线拟合较好，因而可判定出的符号，即

。

在得出

和

后，子结构

振型和调整后的子结构

的振型具有相同的缩放系数，因此可统合得出子结构

和子结构

的振型。同理，可得出所有子结构的振型参与系数和阵型的比例系数，进而可统合得出整体结构的振型参与系数和振型：

              （5a）

              （5b）

在求出整体结构的振型参与系数和振型后，可计算得出其留数

，进而可由下式得出整体结构的柔度矩阵，

                   （6）

其中

表示结构柔度，

为所用的模态数目，

为留数的共轭值。

，

 为

的共轭复数，

和

分别为结构的第r阶频率和阻尼比。

本发明试验和数据处理方法的基本流程为：（1）将拟进行测试的桥面分为若干个子结构，例如图1所示的划分方式；（2）选取一个参考点并在该点布置无线加速度计以记录整个测试过程中该点的加速度；（3）确定各个子结构的传感器布置方案，依次对各子结构进行冲击振动测试，观测冲击力和子结构的结构反应（加速度）；（4）分别处理各子结构数据，得出各子结构的模态参数；（5）利用单参考点数据基于公式1-4，调整各个子结构的振型参与系数和振型，统合得出整体结构振型参与系数和振型（公式5）；（6）由公式6得出整体结构的柔度，进而进行静载下的挠度预测以评估桥梁承载能力。

实施例1

以一座典型中小型桥梁为例，其主体结构为钢梁，桥面为混凝土路面。图3所示为该桥桥面形状。根据拟公开的发明方法，通过如下步骤对该桥面进行移动式冲击振动测试：（1）将桥面划分为如图3所示的3个子结构，须说明的是此处对桥面子结构的划分方法没有特殊限制；（2）选取图3所示的节点25为参考点，在该参考点布置一个无线加速度计，在整个测试过程中连续测试该点的加速度反应；（3）确定各个子结构的传感器布置方案，例如在第一个子结构测试中，冲击力分别作用于节点2、4和6，输出点包含1至8等8个节点。依次对各子结构进行冲击振动测试，同时观测冲击力和子结构的结构反应（加速度）。（4）在上述测试结束后，分别对三个子结构数据进行模态分析，得出各子结构的频率和阵型，例如表一列出了三个子结构的前十阶频率，为了比较由传统测试方法得出的整体结构的频率也在表一中给出。

表一 各子结构的频率识别值

可以看出它们每阶的频率基本相同；（5）利用公式1-4调整步骤4中识别的第二和第三个子结构的振型参与系数和振型。需说明的是，在进行各子结构的阵型缩放时，还需利用相位角来判别公式4中所示的缩放系数

的正负号，例如图4(a)和(b)中红线为利用单一参考点数据估算的频响函数的相位角曲线，蓝线分别为假设和

拟合得出的频响函数的相位角曲线。通过比较图4(a)和(b)中估算的和拟合的频响函数相位角曲线可以看出，图4(b)中红蓝曲线在第三阶结构频率（5.49Hz）附近拟合较好，因而可判定出

的符号，即

。在

的大小和符号非别通过公式4和相位角曲线确定后，统合得出整体结构的振型参与系数和振型（公式5）。例如图5所示为由子结构阵型进行缩放统和得出的整体结构的第三阶阵型。同理可得出结构所有阶的阵型。（6）通过公式6识别整体结构柔度和进行桥梁承载能力评估挠度预测。图6所示为根据本发明方法得出的结构挠度的预测结果。为了验证所得结果的正确性，在静力作用下该桥梁挠度的测量值也在图6中画出。可以看出测量值和本发明方法的预测值基本吻合，表明本发明方法能够准确预测结构在静载下的挠度，从而为桥梁的承载能力评估提供可靠数据。

Claims (1)

1.一种利用可移动设备对桥梁进行移动式冲击振动的测试方法，其特征在于，步骤如下：

第一步、将测试件整体划分为两个以上的子结构，子结构的数目标记为                                                

；

第二步、在测试件整体的任一子结构上设置一无线加速度计并将该设置点作为参考点；

第三步、对每个子结构进行冲击测试，记录冲击力和每个子块各点的加速度反应；在所有子结构的测试过程中，记录所述参考点的加速度反应；

第四步、通过所述参考点对各子结构的测试数据进行融合：

4.1）由各子结构的冲击力及加速度反应得到各子结构的振型参与系数和振型：各子结构的振型参与系数、振型和缩放系数不同，分别标记为

, 其中

表示第个子结构；

4.2）计算阵型参与系数的比例系数

和两个相邻子结构

和

的振型的比例系数

：

                  （4a）

                       （4b）

其中

表示第

阶模态，

的符号可通过利用单一参考点的观测值及相位角概念得出；

由各子结构的振型参与系数和振型统合得出整体结构的振型参与系数和振型：

              （5a）

               （5b）

4.3）、在求出整体结构的振型参与系数和振型后，可计算得出其留数：

，其中

表示集成得出的整体结构振型的转置，进而可计算得出整体结构的柔度矩阵：

                   （6）

其中

表示结构柔度，

为所用的模态数目，

为留数的共轭值，

，

 为

的共轭复数，

和分别为结构的第r阶频率和阻尼比。

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