CN104215421A - 一种快速测定桥梁冲击系数的方法 - Google Patents

一种快速测定桥梁冲击系数的方法 Download PDF

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王智勇
李长永
陈记豪
赵顺波
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Abstract

本发明公开了一种快速测定桥梁冲击系数的方法，步骤一、记录加载车不同车速下的桥梁跨中截面主梁的竖向振动速度信号；步骤二、对速度信号进行带通滤波降噪处理后在频域内对速度信号积分，再通过傅立叶(FFT)逆变换得到位移时域信号，即桥梁的动挠度曲线；步骤三、根据积分得到的动挠度曲线，计算动挠度最大幅值步骤四、根据主梁跨中截面移动荷载分析结果确定加载车的布载方式，试验测得主梁跨中截面的最大静挠度值y0；步骤五、计算不同车速下的桥梁冲击系数最终得到冲击系数的最大值。本发明通过简单获取的低频拾振器(速度传感器)与水准仪即可分别实现桥梁跨中截面在不同车速下的最大动挠度值与最大静挠度为y0的测量，继而获得桥梁桥梁跨中截面在不同车速下的冲击系数。

Description

一种快速测定桥梁冲击系数的方法
技术领域
本发明属于土木工程桥梁结构检测领域，具体涉及一种快速测定桥梁冲击系数的方法。
背景技术
桥梁冲击系数是指汽车过桥时对桥跨结构产生的竖向动力效应的增大系数。桥梁冲击系数的检测对桥梁设计及维修加固具有极其深远的意义，如果不能准确地检测桥梁结构的冲击系数，导致新型桥梁设计不合理或旧桥维修加固不及时，会造成车辆荷载引起桥梁破坏现象，严重时还发生重大事故，造成人民生命财产的损失。桥梁冲击系数的检测是桥梁动力反应测定的一个重要方面，可直接用于评定在役桥梁的行驶舒适性。
冲击系数在国内外的桥梁设计规范中，均以车荷载竖向静力效应乘以一个增大系数(1+μ)作为汽车荷载动力作用的总竖向荷载效应。在现行各国桥梁设计规范中，冲击系数多是根据桥梁结构随跨径或加载为递减函数或基频单一函数来计算。我国《公路桥梁设计通用规范》(JTG D60-2004)中虽然已明确指出动力系数与车辆特征、车速、桥面平整度及桥跨结构自身的动力特性有关，但也未能充分体现这些因素的影响，只考虑了桥梁结构的动力特性，也只考虑了桥梁结构基频这个单一参数，与实际情况有一定差距。
现在常用的冲击系数检测的方法有动应变法、电测位移计测试法、光电挠度仪测试法。现有技术下动应变法测量精度较差，获得的冲击系数难以用到工程实际。因此，目前主要采用基于位移测试的检测方法。虽然电测位移计可以直接测出动位移，但需要安装在不动的落地支架上，对桥下要求较高，很多地方不易实现；安装在桥梁下方空地上的光电挠度仪虽然无需固定不动的落地支架，但需要在跨中截面底部安装棱镜，十分不便，并且设备费用昂贵不利于推广。
发明内容
本发明针对现有技术存在电测位移计可以直接测出动位移，但需要安装在不动的落地支架上，对桥下要求较高，很多地方不易实现；光电挠度仪虽然无需固定不动的落地支架，但需要在跨中底部安装棱镜，十分不便，并且设备费用昂贵不利于推广等问题，提出一种快速测定桥梁冲击系数的方法。
本发明的技术方案是：一种快速测定桥梁冲击系数的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、测得加载车不同车速下桥梁跨中截面主梁的竖向振动速度信号：加载车辆以不同的车速按指定车道匀速通过桥梁，采用安装在主梁底面的低频拾振器测得桥梁结构跨中截面在不同车速下的竖向振动速度信号；
步骤二、在频域内对速度信号积分得到位移信号，即桥梁的动挠度曲线：对采集到的速度时域信号进行带通滤波降噪处理，然后通过FFT变换得到速度的频域信号，接着在频域内对速度的频域信号积分得到位移时域信号的FFT变换，最后采用FFT逆变换得到位移信号的时间历程，即桥梁跨中截面的动挠度曲线；
步骤三、确定桥梁跨中截面的动挠度最大值根据积分得到的动挠度曲线，在挠度最大值处取最大的波峰与波谷的绝对值的均值，作为桥梁结构跨中截面在不同车速下的最大动挠度值
步骤四、测得桥梁跨中截面的最大静挠度为y0：利用移动荷载分析结果，将加载车荷载按跨中截面挠度最大的加载方式加载，试验测得桥梁跨中截面的最大静挠度为y0；
步骤五、得到不同车速下的桥梁冲击系数均值：把得到的最大动挠度值和最大静挠度为y0，代入冲击系数计算公式得到桥梁结构跨中截面在不同车速下的冲击系数。
所述的快速测定桥梁冲击系数的方法，所述步骤一、步骤四的加载车辆相同，加载车道相同。
所述的快速测定桥梁冲击系数的方法，所述步骤一、步骤四所测的最大动挠度与最大静挠度为桥跨同一部位，即跨中截面的同一位置处。
所述的快速测定桥梁冲击系数的方法，所述步骤四，最大静挠度y0测试优先采用高精度水准仪测量，当桥下安装条件容许时，也可采用机械式静态位移传感器测量,或者采用机械式静态位移传感器测量。
本发明的有益效果是：1、本发明采用的速度传感器可直接在桥面上测试，避免了现有检测技术对桥下环境要求的影响；水准仪可布置在测试桥梁外任何位置，没有明显的振动与干扰，也避免了现有检测技术对桥下环境要求的影响；
2、本发明采用基于带通滤波的频域积分算法，可以很好的去除低频趋势项和高频干扰噪声，有效减少了速度到位移振动信号转化过程中的失真现象。
3、该方法无需昂贵且费时费力的光电挠度仪，也无需安装在不动的落地支架上的电测位移计，通过简单获取的低频拾振器(速度传感器)与水准仪即可分别实现桥梁结构跨中截面在不同车速下的最大动挠度值与最大静挠度为y0的测量，继而获得桥梁桥梁结构跨中截面在不同车速下的冲击系数，测试速度快，费用较低。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为跑车10km/h中跨跨中测点速度、动位移时程曲线；
图3为跑车20km/h中跨跨中测点速度、动位移时程曲线；
图4为跑车30km/h中跨跨中测点速度、动位移时程曲线；
图5为跑车40km/h中跨跨中测点速度、动位移时程曲线。
具体实施方式
实施例1：结合图1，一种快速测定桥梁冲击系数的方法，包括以下步骤：
步骤一、记录加载车以不同车速通过跨中截面时主梁的竖向振动速度信号：加载车辆以不同的车速按指定车道匀速通过桥梁，采用低频速度传感器，测出桥梁结构跨中截面在不同车速下的竖向振动速度信号。
步骤二、在频域内对速度信号积分得到位移信号，即桥梁的动挠度曲线：对采集到的速度时域信号进行带通(当桥梁竖向一阶弯曲振动频率为1Hz，带宽可选为0.5Hz～1.5Hz)滤波降噪处理，然后对速度信号进行快速傅立叶(FFT)变换得到速度的频域信号，接着在频域内对速度的频域信号进行积分就得到了位移时域信号的FFT变换，最后对积分得到的位移信号实施FFT逆变换得到位移信号的时间历程，即所要求的桥梁跨中截面的动挠度曲线。
步骤三，确定桥梁跨中截面的动挠度最大值根据积分得到的动挠度曲线，在挠度最大值处取最大的波峰与波谷的绝对值的均值，作为桥梁结构跨中截面在不同车速下的最大动挠度值
步骤四，试验测得桥梁跨中截面的最大静挠度为y0：在测动挠度的同一位置的桥面上布置水准仪竖向变形测点，在桥梁外部无扰动的位置分别固定水准仪观测站与高程基准点，将加载车荷载按跨中截面挠度最大的加载方式加载，试验测出桥梁跨中截面的最大静挠度为y0，通过加载前后水准仪竖向变形测点的高层变化来确定；另外，还可选用机械式位移传感器来测最大静挠度y0。
步骤五，得到不同车速下的桥梁冲击系数：由步骤三、四得到的最大动挠度值和最大静挠度为y0，代入冲击系数计算公式得到桥梁结构跨中截面在不同车速下的冲击系数；比较不同车速下的桥梁冲击系数，得到冲击系数的最大值，评价桥梁动力性能。
本实施例中所述步骤一、步骤四的加载车辆相同，加载车道相同。
本实施例中所述步骤一、步骤四所测的最大动挠度与最大静挠度为桥跨同一部位，即跨中截面的同一位置处。
本实施例中步骤三，所述最大动挠度值取最大挠度处波峰与波谷绝对值的平均值。
例如：利用本发明所述的方法检测的某山区峡谷(85+160+85)m三跨一联预应力混凝土连续刚构桥，其步骤如下：
步骤一、把38t重的加载车以四种速度：v1＝10km/h、v2＝20km/h、v3＝30km/h、v4＝40km/h，匀速通过中间行车道，在桥梁结构主梁跨中截面底板与加载车相同的车道下方粘贴安装941B低频拾振器，低频拾振器设为速度传感器档位，采用DH592动态信号测试分析系统测出跨中截面在不同车速下的竖向振动速度信号离散数据{v(k)}(k＝0,1,2,…N)；利用DH5920动态信号测试分析系统的自功率谱分析功能，得到不同行车速度下的桥梁一阶竖向振动频率在1.35～1.38之间。
步骤二、对采集到的速度时域信号进行带通(带宽0.7Hz～2Hz)滤波降噪处理，滤波器公式为其中，Δf为频率分辨率，与信号的采样频率及快速傅立叶(FFT)变换分析点数相关；fd、fu分别为下限截止频率与上限截止频率，根据桥梁一阶竖向振动频率在1.35～1.38之间，分别取值为0.7Hz、2Hz。然后对速度信号进行FFT变换得到速度的频域信号{V(k)}(k＝0,1,2,…N)，接着在频域内对速度的频域信号进行积分就得到位移时域信号的FFT变换；积分公式为最后对积分得到的位移信号实施FFT逆变换得到位移信号的时间历程，即所要求的桥梁跨中截面的动挠度曲线。本步骤的所有数据处理过程均可采用MATLAB软件编写程序完成，四种不同车速下的信号转换前后见图2～5所示。
步骤三、根据积分得到的动挠度曲线，在挠度最大值处取最大的波峰与波谷的绝对值的均值，作为桥梁结构跨中截面在不同车速下的最大动挠度值
步骤四、在测动挠度同一位置的主梁上方布置水准仪测点，将加载车荷载按跨中截面挠度最大的加载方式加载，采用水准仪的几何水准测量方法测出桥梁跨中截面的最大静挠度为y0＝1.89mm。
步骤五、由步骤三、四得到的最大动挠度值和最大静挠度为y0，代入冲击系数计算公式得到桥梁结构跨中截面在不同车速下的冲击系数如下表1所列：
表1冲击系数测试结果
比较不同车速下的桥梁冲击系数，得到冲击系数的最大值，由表1可知桥梁冲击系数最大值为1.03，通过与《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)的计算结果1.05比较，说明该桥行车条件较好。

Claims (4)

1.一种快速测定桥梁冲击系数的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、测得加载车不同车速下桥梁跨中截面主梁的竖向振动速度信号：加载车辆以不同的车速按指定车道匀速通过桥梁，采用安装在主梁底面的低频拾振器测得桥梁结构跨中截面在不同车速下的竖向振动速度时域信号；
步骤二、在频域内对速度信号积分得到位移信号，即桥梁的动挠度曲线：对采集到的速度时域信号进行带通滤波降噪处理，然后通过快速傅立叶(FFT)变换得到速度的频域信号，接着在频域内对速度的频域信号积分得到位移时域信号的FFT变换，最后采用FFT逆变换得到位移信号的时间历程，即桥梁跨中截面的动挠度曲线；
步骤三、确定桥梁跨中截面的动挠度最大值根据积分得到的动挠度曲线，在挠度最大值处取最大的波峰与波谷的绝对值的均值，作为桥梁结构跨中截面在不同车速下的最大动挠度值
步骤四、测得桥梁跨中截面的最大静挠度为y0：利用移动荷载分析结果，将加载车荷载按跨中截面挠度最大的加载方式加载，试验测得桥梁跨中截面的最大静挠度为y0；
步骤五、得到不同车速下的桥梁冲击系数均值：将得到的最大动挠度值和最大静挠度为y0，代入冲击系数计算公式得到桥梁结构跨中截面在不同车速下的冲击系数。
2.根据权利要求1所述的快速测定桥梁冲击系数的方法，其特征在于：所述步骤一、步骤四的加载车辆相同，加载车道相同。
3.根据权利要求1所述的快速测定桥梁冲击系数的方法，其特征在于：所述步骤一、步骤四所测的最大动挠度与最大静挠度为桥跨同一部位，即跨中截面的同一位置处。
4.根据权利要求1所述的快速测定桥梁冲击系数的方法，其特征在于：所述步骤四，最大静挠度y0测试采用高精度水准仪测量或者采用机械式静态位移传感器测量。
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