CN109813511B - 基于移动车辆的桥梁快速测试与参数识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种基于移动车辆的桥梁快速测试与参数识别方法，通过桥梁上布设的传感器采集结构在车辆通过时的结构振动响应数据，利用模态识别算法获取车桥耦合系统时变动力特征参数，结合基于质量弹簧车桥耦合模型动力方程，得到车桥耦合系统时变动力特征参数和结构振型缩放系数所满足的映射关系，利用不同时刻动力特征参数计算得到结构质量归一化振型缩放系数，通过振型缩放系数计算出结构质量归一化位移振型，进而重构结构真实频响函数，本发明方法能够仅从车桥耦合振动响应中识别结构深层次参数，适用于桥梁上通过多个车辆工况，具有安全经济、方便快捷的优点，能够简便、高效且高精度地对桥梁进行安全评估。

Description

基于移动车辆的桥梁快速测试与参数识别方法

所属领域

本发明涉及土木工程结构健康监测技术中桥梁结构振动测试领域，具体涉及一种基于移动车辆的桥梁快速测试与参数识别方法。

背景技术

结构健康监测技术是提高土木交通工程结构健康安全及实现其可持续性能管理的最有效途径之一，其中，如何快速识别结构振型缩放系数，进而获得结构的质量归一化振型，评估结构损伤是一项关键课题。

环境振动测试为现有桥梁结构健康监测与检测的主要手段之一，它利用自然条件激励桥梁，相对于人工激振测试具有操作方便的优点，但是它只能够输出结构的基本模态参数，还无法直接支持桥梁结构的安全性能评估。相比于环境振动测试，冲击振动测试需要人为施加外部激励，同时采集包括输入和输出数据。由于输入力已知，冲击振动测试不仅能够得到频率、阻尼和振型等基本模态参数，还能识别结构深层次参数如柔度。但是冲击振动测试需要关闭交通，影响道路正常运行，并且难以对长大跨桥梁全桥进行有效激励。

先期已有多种基于车桥耦合振动的桥梁快速测试方法为学者们提出。被广泛采用的方法便是通过在车辆上安装加速度计并采集车辆在桥面行驶时的加速度数据来识别桥梁模态信息，但其主要依靠桥梁反应的间接测量，仅能实现桥梁频率和振型等基本模态参数与初步的损伤识别，无法获得结构振型缩放系数，对于桥梁结构安全性能评估的作用也很有限。另有学者提出利用无车通过时的结构时不变模态参数和有车通过时的结构时变模态参数建立振型缩放系数的求解算法，但该方法仍依赖于耗时较长的环境振动测试以获取结构的基本动力特征参数，并且仅对单个车辆通过时有效，无法满足多个车辆通过的情况，实用性大大降低。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供了基于移动车辆的桥梁快速测试与参数识别方法，通过桥梁上布设的传感器采集结构在车辆通过时的车桥耦合振动响应数据，利用模态识别算法获取车桥耦合系统时变动力特征参数，结合车桥耦合系统时变动力特征参数和结构振型缩放系数所满足的映射关系，利用不同时刻动力特征参数计算得到结构质量归一化振型缩放系数，通过振型缩放系数可以重构结构质量归一化位移振型，进而可以重构结构真实频响函数等深层次参数，本方法适用于桥梁上通过多个车辆工况，安全经济、方便快捷。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于移动车辆的桥梁快速测试与参数识别方法，包括以下步骤：

S1，在桥梁上布设传感器，通过传感器采集结构在有车辆通过时桥梁结构的车桥耦合振动响应数据；

S2，通过模态识别算法，对车桥耦合振动响应数据识别，获得耦合系统的时变动力特征参数；

S3，基于质量弹簧车桥耦合模型动力方程，获得车桥耦合系统时变动力特征参数和结构振型缩放系数所满足的映射参数方程；

S4，将步骤S2所得时变动力特征参数带入步骤S3所述映射参数方程中，得到结构质量归一化振型缩放系数；

S5，根据步骤S2识别的时变动力特征参数及步骤S4获得的振型缩放系数重构结构质量归一化位移振型，重构结构真实频响函数。

作为本发明的一种改进，所述步骤S2中耦合系统的时变动力特征参数至少包括车桥耦合系统的每一阶时变固有频率、阻尼比和位移振型。

作为本发明的另一种改进，所述步骤S3中，结构振型缩放系数与时变动力特征参数和车辆参数的映射参数方程为：

其中，与车辆信息和每一位置处的结构形函数相关的每一时刻参数计算如下：

其中，α_r为结构第r阶质量归一化振型缩放系数；ω_cr为车辆通过时车桥耦合系统在时刻t的第r阶固有圆频率；ω_or为无车辆通过时桥梁结构的第r阶固有圆频率；{ψ_r}为桥梁结构第r阶未缩放位移振型；[M_v]、[K_v]、[C_v]、[V_v]分别为所有车辆车体质量、弹簧刚度、阻尼系数和行驶速度对角矩阵；

分别为第i车辆车体质量、弹簧刚度、阻尼系数和行驶速度；[S_bv]和[S_bθ]分别为所有车辆位置结构形函数矩阵[S_b]中与竖向自由度和转动自由度对应的元素；

和

分别为第i车辆位置处与桥梁自由度相等的结构位移形函数矩阵

中与竖向自由度和转动自由度对应的分量；[T]为竖向位移振型与转动位移振型之间的转换关系。

作为本发明的又一种改进，所述步骤S4中结构质量归一化振型缩放系数为：

作为本发明的更进一步改进，所述步骤S5中结构质量归一化位移振型为：

{φ_r}＝α_r{ψ_r}。

与现有技术相比，本发明专利的有益效果：

(1)针对现有桥梁振动测试技术中存在的问题，本发明通过理论深入发掘了结构振型缩放系数与时变动力特征参数之间的关系，实现了结构振型缩放系数的识别，具有扎实的理论基础。

(2)基于识别出的振型缩放系数，能够计算结构的质量归一化位移振型，进而可以估计结构的真实频响函数乃至重构结构柔度矩阵等深层次参数，可以实现结构在任意静力荷载下的变形预测、损伤识别以及长期性能评估，更加有效的对桥梁结构的性能状态进行评估。

(3)针对实际工程测试中单个车辆难以有效激励桥梁振动响应的缺点，本发明方法能够适用于多个车辆在桥梁上通行的状况，具有应用范围广、适应性强的优点，能够更加有效地对桥梁进行安全评估和维护管理。

(4)本发明方法仅利用车辆通过时的桥梁振动响应数据便可识别结构振型缩放系数，避免了传统环境振动测试方法耗时长的缺点，具有可操作性强、试验方便耗时短、成本低的优点。

附图说明

图1为本发明方法的实施流程示意图；

图2为本发明实施例1中识别得到的结构前三阶时变动力特征固有频率图；

图3为本发明实施例1中计算得到的结构前三阶振型缩放系数与理论值比较图；

图4为本发明实施例1中计算得到的结构前三阶结构质量归一化位移振型与理论值比较图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。

实施例1

基于移动车辆的桥梁快速测试与参数识别方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1，根据结构具体类型和测试要求，确定传感器的布置方案，在桥梁上布设传感器，利用布设的传感器采集并存储在车辆通过时桥梁结构的车桥耦合振动响应数据。

S2，通过模态识别算法，对车桥耦合振动响应数据识别，获得耦合系统的时变动力特征参数；

在车辆通过时车辆和桥梁组成一个时变耦合系统，因为车桥之间相互影响，系统的动力特征会随着车辆的位置移动而改变，不能用传统方法识别系统模态参数，可以考虑将响应分为若干段并假设在每一段内结构动力特征不发生变化，常用的算法有短时傅里叶变换、小波变换、希尔伯特黄变换、变分模态分解等，利用模态识别算法处理桥梁结构的车桥耦合振动响应数据，可以得到车桥耦合系统的时变动力特征参数，包含各阶固有频率、阻尼比和未缩放位移振型。

S3，基于质量弹簧车桥耦合模型动力方程，获得车桥耦合系统时变动力特征参数和结构振型缩放系数所满足的映射参数方程；

在获得车辆通过时的车桥耦合系统时变动力特征参数后，根据车辆每一时刻在桥梁结构上的位置计算出结构位移形函数，结合基于质量弹簧车桥耦合模型动力方程，可以得到时变模态、车辆参数和结构振型缩放系数满足的映射关系：

式中

其中α_r为结构质量归一化振型缩放系数；ω_cr为车辆通过时车桥耦合系统在时刻t的第r阶固有圆频率；ω_or为无车辆通过时桥梁结构的第r阶固有圆频率；{ψ_r}为桥梁结构第r阶未缩放位移振型；[M_v]、[K_v]、[C_v]、[V_v]分别为所有车辆车体质量、弹簧刚度、阻尼系数和行驶速度对角矩阵，

分别为第i车辆车体质量、弹簧刚度、阻尼系数和行驶速度；[S_bv]和[S_bθ]分别为所有车辆位置结构形函数矩阵[S_b]中与竖向自由度和转动自由度对应的元素，

和

分别为第i车辆位置处与桥梁自由度相等的结构位移形函数矩阵

中与竖向自由度和转动自由度对应的分量，[T]为竖向位移振型与转动位移振型之间的转换关系。

S4，将步骤S2所得时变动力特征参数带入步骤S3所述映射参数方程中，得到结构质量归一化振型缩放系数，当车辆位于桥梁上不同位置时，可以根据车辆参数和每一位置处时变模态、形函数建立每一时刻的参数方程

由于不同时刻桥梁结构的振型缩放系数α_r应该一致，联立两个不同时刻参数方程消去ω_or可以求解获得α_r：

S5，根据步骤S2识别的时变动力特征参数及步骤S4获得的振型缩放系数重构结构质量归一化位移振型，{φ_r}＝α_r{ψ_r}，重构结构真实频响函数。

下面以一简支梁桥为例，结合附图对本发明方法进行进一步详细描述，该实施例以一个典型简支梁桥试验来说明所发明的基于不同时刻车桥耦合振动特征的结构质量归一化振型识别方法的实施步骤。

(1)确定传感器布置方案并采集结构振动数据：该简支梁桥总长30m，根据结构形式和测试要求，结构上等间距设置19个节点，每个节点布置一个加速度传感器，当两辆间隔3m的车辆以1m/s的速度在桥上行驶时，利用布设的传感器采集并存储桥梁结构在车辆通过时的桥梁振动响应数据。

(2)车桥耦合系统时变动力特征参数识别：有车辆通过时车辆和桥梁组成一个时变耦合系统，因为车桥之间相互影响，系统的动力特征会随着车辆的位置移动而改变，不能用传统方法识别系统模态参数，可以考虑将响应分为若干段并假设在每一段内结构动力特征不发生变化。对于有车辆通过时桥梁结构的耦合振动响应数据，此处采用随机子空间法(Stochastic Subspace Identification，SSI)，识别得到此简支梁桥前三阶时变频率和振型，其中时变频率如附图2所示。

(3)结构振型缩放系数计算：在获得车辆通过时的车桥耦合系统时变动力特征参数后，根据各车辆每一时刻在桥梁结构上的位置计算出相应的结构位移形函数矩阵，结合时变动力特征参数和车辆参数，利用两个时刻的每阶参数方程可以计算得到每一阶的结构振型缩放系数。因为每两个时刻可以计算得到一个振型缩放系数值，对所有值筛选并取平均可以得到每一阶的平均振型缩放系数(0.0083、0.0084、0.0083)，其与理论值(0.0082、0.0082、0.0082)的对比如附图3所示，可以发现计算值与理论值偏差均不超过5％，验证了基于不同时刻车桥耦合振动特征的结构缩放系数识别方法的准确性。

(4)重构结构质量归一化位移振型：结合步骤(2)识别的桥梁结构动力特征参数和步骤(3)计算得到的结构各阶振型缩放系数，可以重构结构质量归一化位移振型，利用振型缩放系数计算得到此简支梁桥的前三阶质量归一化位移振型如附图4所示，两者近乎完全吻合，验证了所提出方法识别结构质量归一化振型的理论正确和应用可能。

综上所述，采用所提出的一种基于移动车辆的桥梁快速测试与参数识别方法，能够很好地利用车桥耦合振动响应识别出车桥耦合系统的时变动力特征参数，进而计算得到结构振型缩放系数，获得结构的质量归一化位移振型，从而实现桥梁结构的安全性能评估。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.基于移动车辆的桥梁快速测试与参数识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在桥梁上布设传感器，通过传感器采集桥梁结构在有车辆通过时桥梁结构的车桥耦合振动响应数据；

S2，通过模态识别算法，对车桥耦合振动响应数据识别，获得车桥耦合系统的时变动力特征参数；

S3，基于质量弹簧车桥耦合模型动力方程，获得车桥耦合系统时变动力特征参数和结构振型缩放系数所满足的映射参数方程,所述映射参数方程为：

α_r ²{ψ_r}^T[η_r]{ψ_r}＝ω_cr ²-ω_or ²

其中，与车辆信息和每一位置处的结构形函数相关的每一时刻参数计算如下：

其中，α_r为结构第r阶质量归一化振型缩放系数；ω_cr为车辆通过时车桥耦合系统在时刻t的第r阶固有圆频率；ω_or为无车辆通过时桥梁结构的第r阶固有圆频率；{ψ_r}为桥梁结构第r阶未缩放位移振型；[M_v]、[K_v]、[C_v]、[V_v]分别为所有车辆车体质量、弹簧刚度、阻尼系数和行驶速度对角矩阵；

分别为第i车辆车体质量、弹簧刚度、阻尼系数和行驶速度；[S_bv]和[S_bθ]分别为所有车辆位置结构形函数矩阵[S_b]中与竖向自由度和转动自由度对应的元素；

和

分别为第i车辆位置处与桥梁自由度相等的结构位移形函数矩阵

中与竖向自由度和转动自由度对应的分量；[T]为竖向位移振型与转动位移振型之间的转换关系；

S4，将步骤S2所得时变动力特征参数带入步骤S3所述映射参数方程中，得到结构质量归一化振型缩放系数；

S5，根据步骤S2识别的时变动力特征参数及步骤S4获得的结构质量归一化振型缩放系数重构结构质量归一化位移振型，重构结构真实频响函数。

2.如权利要求1所述的基于移动车辆的桥梁快速测试与参数识别方法，其特征在于所述步骤S2中车桥耦合系统的时变动力特征参数至少包括车桥耦合系统的每一阶时变固有频率、阻尼比和位移振型。

3.如权利要求2所述的基于移动车辆的桥梁快速测试与参数识别方法，其特征在于所述步骤S4中结构质量归一化振型缩放系数为：

4.如权利要求3所述的基于移动车辆的桥梁快速测试与参数识别方法，其特征在于所述步骤S5中结构质量归一化位移振型为：

{φ_r}＝α_r{ψ_r}。

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