CN108982029A - 基于移动车辆的梁式桥梁结构的损伤定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于移动车辆的梁式桥梁结构的损伤定位方法，属于结构损伤识别计算领域。在梁式桥梁结构的不同位置移动车辆，将车辆看作质量附加在结构上。通过沿桥梁长度方向连续移动车辆测取质量‑结构系统的固有频率，进而对频率信号进行平稳小波分析定位结构的损伤位置。该方法能显著提高频率的信息量，不依赖结构的有限元模型，抗噪能力强，操作简单，易实施，因此具有良好的应用前景。

Description

基于移动车辆的梁式桥梁结构的损伤定位方法
技术领域
本发明属于结构健康监测技术领域，涉及一种适于应用在梁式桥梁结构的损伤定位方法，具体的说是通过在梁式桥梁结构不同位置移动车辆并测得结构系统的固有频率，利用获得的质量-结构系统频率曲线定位结构损伤位置的方法。
背景技术
结构健康监测(SHM)是土木工程中的研究热点，损伤识别为结构的监测、预警和安全评定提供可靠的理论依据，是结构健康监测的重要理论基础部分。结构的固有频率是结构最基本的特征信息，最容易获得且精度高，所以基于频率信息的损伤识别方法应用最为广泛。
梁式桥梁结构受力合理，计算分析方法成熟，是土木工程中最为重要的结构形式之一。梁式桥梁结构主要由桥墩和桥面组成，而桥面是损伤频发的部位。一般在实际工程的测量中只能识别出一些低阶模态，对局部损伤不敏感，只利用少数的低阶模态很难识别结构的全部损伤。现阶段梁式结构的损伤识别方法大都利用结构的振动信息，容易受到环境噪声的影响，且需建立结构的有限元模型依次提供完好结构的物理参数，严重地依赖结构模型。通过在结构上移动车辆提高频率信息的数据量，并利用小波分析快速的定位结构损伤位置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种操作简单的适用于梁式桥梁结构的损伤定位方法。
本方法仅利用移动车辆和加速度传感器即可定位结构的损伤位置，首先将结构面分为若干部分附加质量后逐个进行测试；然后分析梁式结构系统的加速度响应从而识别其频率；最后联合所有不同位置附加移动车辆质量后的频率信息定位结构损伤位置。具体步骤如下：
一种基于移动车辆的梁式桥梁结构的损伤定位方法，如图1，移动车辆2静止地停滞于梁式结构1上，将移动车辆2看作集中质量附加在梁式结构1上，则集中质量与梁式结构1组成结构系统，加速度传感器3均匀布置在梁式结构1上；利用环境随机激励或模态力锤4给结构系统施加外部激励，测得加速度传感器3的响应，利用随机子空间法计算质量-结构系统的固有频率；然后移动车辆2到梁式结构1的不同位置，测量和计算结构系统的频率，具体如下：
首先将梁式结构1划分为i个子结构，并在梁式结构1上分n次附加相同的集中质量：首先，在梁式结构1的第一个位置附加移动车辆2并获取加速度传感器3的响应，得到移动车辆2在梁式结构1第一个位置时结构系统识别的前k阶固有频率(ω1,1,ω2,1,…ωk,1)；再在第二个位置附加质量得到移动车辆2在第二个位置时结构系统的前k阶固有频率(ω1,2,ω2,2…ωk,2)，重复以上测量方式，经过n次测量后得到移动车辆2在第n个位置时结构系统的前k阶固有频率(ω1,n,ω2,n…ωk,n)；则通过在梁式结构1上沿长度方向的不同位置附加质量，得到每阶频率随位置的变化曲线，当梁式结构1发生损伤时，梁式结构1对应的固有频率随之变化，频率曲线包含着梁式结构1的损伤信息，利用测得的频率曲线识别梁式结构1的损伤位置。
频率曲线经过小波三层分解为近似系数和细节系数，近似系数包含信号的低频信息，细节系数包含信号的高频信息，小波基选用sym6，它的对称性好，重新组成时相移也较小，且具有双正交性、紧支撑性。最后通过观察细节系数的突变位置确定结构的损伤位置。
本发明的有益效果是利用梁式桥梁结构的特点，通过移动车辆提高频率的采集量，只利用一个车辆和多个传感器，对梁式桥梁结构的不同位置进行动力测试，然后获取一系列结构系统的频率信息利用小波分析实现损伤的定位。本方法，成本低廉，操作方便，容易实施，而且数据处理方法简单，具有广阔的应用前景和实用价值。
附图说明
图1是本发明在梁式结构附加车辆的方法。
图2是梁式桥梁结构不同位置附加移动车辆荷载后频率测试图。
图3是连续桥梁结构及损伤情况。
图4是质量-结构系统的前两阶频率-位置曲线。
图5(a)是结构系统第一阶频率曲线小波分解的细节系数。
图5(b)是结构系统第二阶频率曲线小波分解的细节系数。
图中：1梁式结构；2移动车辆；3加速度传感器；4随机激励或模态力锤。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本方法的具体实施方法。
以图3中的变截面连续梁桥为例介绍实施方式。梁式桥的跨度分别为50m，50m，材料的弹性模量E为2×1011Pa，密度2500kg/m3，桥面宽度为10m，截面的高度沿跨径的变化为二次抛物线，其中约束点位置的的高度是3m，跨中位置高度是1.5m。将连续梁桥划分为50个子结构，每跨包括25个子结构。质量的重量为5000kg，在桥梁上每隔1m移动一次质量测取结构系统的加速度响应从而识别频率。采用结构的前两阶频率识别结构损伤。梁式桥的损伤情况为：子结构10、26分别降低40％、30％。
首先依次在结构的单元附加车辆，并施加竖向脉冲，测得邻近传感器的加速度响应，从而识别结构系统的前2阶固有频率，将位置作为横坐标，频率值作为纵坐标绘制得到结构系统频率随位置变化的频率曲线如图4所示。可发现结构发生损伤时，频率曲线连续光滑，存在波峰和波谷，不存明显的间断点和其他能表征损伤的信息。
应用sym6小波基对频率曲线进行三层小波分解，得到前两阶频率曲线的细节系数如图5所示，当结构发生损伤时，细节系数出现明显的突变，且前2阶频率信息表征的突变位置相同，所以可根据细节系数的突变位置定位桥梁的损伤位置。
综上，通过在梁式桥梁结构的不同位置移动附加质量从而改变结构的物理参数，获取质量-结构系统的频率曲线，采用小波对离散频率曲线进行分析，可诊断结构的损伤位置。

Claims (1)

1.一种基于移动车辆的梁式桥梁结构的损伤定位方法，其特征在于，移动车辆(2)静止地停滞于梁式结构(1)上，将移动车辆(2)看作集中质量附加在梁式结构(1)上，则集中质量与梁式结构(1)组成结构系统，加速度传感器(3)均匀布置在梁式结构(1)上；利用环境随机激励或模态力锤(4)给结构系统施加外部激励，测得加速度传感器(3)的响应，利用随机子空间法计算质量-结构系统的固有频率；然后移动车辆(2)到梁式结构(1)的不同位置，测量和计算结构系统的频率，具体如下：
首先将梁式结构(1)划分为i个子结构，并在梁式结构(1)上分n次附加相同的集中质量：首先，在梁式结构(1)的第一个位置附加移动车辆(2)并获取加速度传感器(3)的响应，得到移动车辆(2)在梁式结构(1)第一个位置时结构系统识别的k阶固有频率(ω1,1,ω2,1,…ωk,1)；再在第二个位置附加质量得到移动车辆(2)在第二个位置时结构系统的k阶固有频率(ω1,2,ω2,2…ωk,2)，重复以上测量方式，经过n次测量后得到移动车辆(2)在第n个位置时结构系统的前k阶固有频率(ω1,n,ω2,n…ωk,n)；则通过在梁式结构(1)上沿长度方向的不同位置附加质量，得到每阶频率随位置的变化曲线，当梁式结构(1)发生损伤时，梁式结构(1)对应的固有频率随之变化，频率曲线包含着梁式结构(1)的损伤信息，利用测得的频率曲线识别梁式结构(1)的损伤位置；
频率曲线经过小波三层分解为近似系数和细节系数，近似系数包含信号的低频信息，细节系数包含信号的高频信息，小波基选用sym6；最后通过观察细节系数的突变位置，确定梁式结构(1)的损伤位置。
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