CN110261132A - 一种测量车桥系统动力响应的模拟系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于桥梁领域，特别是一种测量车桥系统动力响应的模拟系统及方法。包括：刚性支架；振动台：放置在刚性支架两底端之间的地面上；悬臂墩试件：上端为固定端，下端为自由端；C型支架：设置在振动台，侧面设置电容式加速度计Ⅲ；电容式加速度计Ⅰ：设置在悬臂墩试件的一侧，水平放置；电容式加速度计Ⅱ：与电容式加速度计Ⅰ并列设置，竖直放置；线性可变差动变压器：设置在悬臂墩试件的另一侧，与电容式加速度计Ⅰ水平高度相同；控制系统：用于振动台位移输入大小的控制和数据的采集处理。本发明的系统，基于数据采集系统，通过输入实时位移数据在振动台上模拟列车，且不需要实时的固定参考，可以精准的确定桥梁的横向位移。
Description
技术领域
本发明属于桥梁领域，特别是一种测量车桥系统动力响应的模拟系统及方法。
背景技术
桥梁在现代社会经济生活中起着十分重要的作用，然而在现实中桥梁的横向位移过大导致被破坏的现象时有发生。对在桥梁使用过程中引发的横向位移的监测已成了必不可少的环节，是确保行车安全的重要前提，是避免事故发生的必要措施，也是一种监测技术。所以，精确测量出桥墩横向位移的变化值，控制桥墩横向位移量，是保证安全的重要技术手段。
对墩顶横向位移常用的监测方法主要有部颁通用图反算算法、等效刚度法等
部颁通用图通过以下方法来反算目标桥墩的墩顶横向水平位移限值：目标桥墩墩顶的梁端水平折角达到1‰rad的限值时，假设目标桥墩相邻一孔(联)梁的另一侧梁端处的桥墩墩顶横向水平位移为零，然后根据目标桥墩相邻两孔(联)梁的交点距L与目标桥墩处梁端水平折角α0的关系，推算目标桥墩的墩顶横向水平位移△，推算结果即为目标桥墩的墩顶横向水平位移限值。
桥墩墩顶的横向刚度一般都比较小，车振时振幅较大。墩顶横向刚度定义为单位横向位移时所需要的横向力，它是影响墩顶横向振幅大小的一个主要因素。采用等效刚度法估算轻型墩墩顶位移参考限值，其基本思想是首先计算出轻型墩墩顶的横向刚度K l(Kl可以根据轻型墩的结构形式，采用电算或结构力学方法得到),然后在轻型墩和实体墩具有相同高度的条件下，令轻型墩和实体墩(如标准设计的重力式桥墩)墩顶横向刚度相等，从中求出轻型墩等价于实体墩时的平均墩身横向宽度B，再根据B和墩高按照规定，判定该等价重力式桥墩属于高、中墩或低墩；然后再按照振幅限值公式计算出相应的横向最大振幅限值和最低横向振动基频的限值，确定墩顶横向位移限值。
这些方法具有工作难度大，计算的工作量大，操作起来比较繁琐，精度不够高的缺点。
专利号201420638549.9的专利提出了一种既有桩桩顶位移监测现场试验装置，通过全站仪观测棱镜的位置变化来计算桩顶位移，但这种方法对于基准点的稳定性不容易保证，且需保持在现场远离监测区域有一定的距离，并有实时的固定参考，操作过程繁琐，工作量大。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种测量车桥系统动力响应的模拟系统及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种测量车桥系统动力响应的模拟系统，包括：
刚性支架：为П型，且底端与地面固定连接；
振动台：放置在刚性支架两底端之间的地面上，用于模拟列车行驶；
悬臂墩试件：上端与刚性支架的横梁固定连接，为固定端，下端为自由端；
C型支架：设置在振动台，侧面设置电容式加速度计Ⅲ，用于测量动态位移；
电容式加速度计Ⅰ：设置在悬臂墩试件的一侧，水平放置，用于测量垂直方向的加速度；
电容式加速度计Ⅱ：与电容式加速度计Ⅰ并列设置，竖直放置，用于测量振动方向上的加速度；
线性可变差动变压器：设置在悬臂墩试件的另一侧，与电容式加速度计Ⅰ水平高度相同，用于测量悬臂墩试件实际的位移；
控制系统：与振动台、电容式加速度计Ⅰ、电容式加速度计Ⅱ、电容式加速度计Ⅲ和线性可变差动变压器连接，用于振动台位移输入大小的控制和数据的采集处理。
进一步的，悬臂墩试件上端通过两个L型支架Ⅰ与刚性支架固定连接，每个L型支架Ⅰ一侧通过螺栓和悬臂墩试件的上端连接，另一侧通过U型支架Ⅰ与刚性支架连接。
进一步的，悬臂墩试件下端两侧分别设置有L型支架Ⅱ，L型支架Ⅱ底端通过螺栓固定在振动台上，两个L型支架Ⅱ分开的距离大于悬臂墩试件的厚度，悬臂墩试件两侧和L型支架Ⅱ之间设置海绵阻尼垫，两个海绵阻尼垫之间的距离小于悬臂墩试件的厚度。
进一步的，还包括托架，托架通过U型支架Ⅱ固定在固定支架上，所述线性可变差动变压器通过塑料绳固定在托架上。
进一步的，所述控制系统为计算机。
进一步的，所述电容式加速度计Ⅰ、电容式加速度计Ⅱ和电容式加速度计Ⅲ通过DC电源1和VibPilot与计算机连接，所述线性可变差动变压器通过VibPilot与计算机连接，所述GPS-303000直流电源与线性可变差动变压器连接为其供电，DC电源2与计算机连接，所述DC电源2与振动台连接，为其供电。
进一步的，所述电容式加速度计Ⅰ、电容式加速度计Ⅱ和电容式加速度计Ⅲ用固体胶粘剂进行固定。
一种利用上述的模拟系统进行模拟的方法，具体步骤如下：
(1)设备安装；
(2)线路连接；
(3)位移输入：计算机将位移数据输入到振动台并控制振动台的振动；
(4)通过电容式加速度计Ⅰ测垂直方向的加速度，电容式加速度计Ⅱ测振动方向上的加速度，得到伪静态位移分量，电容式加速度计Ⅲ测振动方向上的加速度，并通过线性组合来计算出动态位移分量，将伪静态位移分量和动态位移分量相叠加，得出总估计位移；
(5)通过线性可变差动变压器测量实际位移，通过VibPliot和计算机提取数据；
(6)将总估计位移与线性可变差动变压器测量的实际位移进行比较。
本发明与现有技术相比，其显著优点如下：
(1)本发明基于无参考位移估计法，设计了一种测量车桥系统动力响应的室内振动台模拟试验系统，建立合理有效的支座桥梁缩尺模型，并运用室内振动台模拟试验模拟行车荷载作用下的铁路桥梁，在试验中设置一个悬臂墩试件，使用传感器测量所需数据，用无参考位移估计法计算总估计位移，并将总估计位移与线性可变差动变压器测量的实际位移进行比较，从而对无参考位移估计法进行验证，本发明不需要实时的固定参考，可以精准的确定桥梁的横向位移，同时可以提高对桥梁结构健康检测的决策准确性。
(2)试验成本低、参数可调；试验操作简单，便于实现；试验装置拆卸方便，可用于不同质量、形状的待测物体；通过无参考位移估计法能够廉价地提供较为精确的位移估计数据，并且不需要实时的固定参考，可以得到准确的横向响应，提高MRR决策的准确性。
附图说明
图1本申请模拟系统三维结构示意图。
图2本申请模拟系统正视图。
图3本申请模拟系统的路线连接图。
附图标记说明：
1-刚性支架，2-U型支架Ⅰ，3-L型支架Ⅰ，4-悬臂墩试件，5-电容式加速度计Ⅰ，6-电容式加速度计Ⅱ，7-振动台，8-海绵阻尼垫，9-L型支架Ⅱ，10-电容式加速度计Ⅲ，11-C型支架，12-托架，13-塑料绳，14-线性可变差动变压器，15-U型支架Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1-3所示，一种测量车桥系统动力响应的室内振动台模拟试验系统，基于无参考位移估计法，建立合理有效的支座桥梁缩尺模型。在试验中设置一个悬臂墩试件，使用传感器测量所需数据，用无参考位移估计法计算总估计位移，并将总估计位移与线性可变差动变压器(LVDT)测量的实际位移进行比较，从而对无参考位移估计法进行验证。
所述的无参考位移估计法，把总横向位移分解为高频的动态位移分量以及低频的伪静态位移分量。该方法通过来自多个传感器的数据来估计桥梁的总横向无参考位移，一方面采用有限脉冲响应(FIR)滤波器，通过有限时间间隔内测量的振动方向上的加速度的线性组合来近似估计出动态位移分量。另一方面，利用两个加速度计测出的垂直方向和振动方向的加速度，通过简单动态平均(SMA)滤波器衰减动态分量获得伪静态倾斜角，然后采用悬臂墩端的挠度和转角公式将低频倾角数据转化为伪静态位移分量。最后将这些伪静态位移分量与动态位移分量相叠加，从而可以得出总估计位移(总的无参考位移)。
本发明设计的室内振动台模拟试验系统，基于数据采集系统，通过输入实时位移数据在振动台上模拟列车。故选取在役典型结构铁路桥梁，在其关键点铺设安装SHM技术前端的轨道应变传感器阵列。在列车过桥时，通过这些轨道应变传感器收集铁路桥梁各个关键点的各项实时响应数据。其中桥梁墩上关键点位的实时位移数据将应用于振动台试验。
如图1所示，室内振动台模拟试验系统包括：刚性支架1，U型支架(Ⅰ号2和Ⅱ号15)，L型支架(Ⅰ号3和Ⅱ号9)，C型支架11，托架12，塑料绳13，悬臂墩试件4，电容式加速度计(Ⅰ号5、Ⅱ号6和Ⅲ号10)，线性可变差动变压器(LVDT)14，海绵阻尼垫8，振动台7。
所述的室内振动台模拟试验系统，采用了悬臂墩模拟铁路桥墩的动力特性，在振动台上设置了一个表示铁路桥墩的倒悬臂墩试件4；
悬臂墩试件4的模型是倒立的，墩顶为固定端，墩端为自由端，悬臂墩试件4的自由端由振动台7激发，以某列车在不同速度不同方向通过时现场记录的桥梁实时位移作为激励输入振动台以激发悬臂墩试件4。
刚性支架1，视为固定于地面，代表实际情况中的刚性地面条件用于支撑整个室内振动台模拟试验系统。
Ⅰ号U型支架2、Ⅰ号L型支架3，将悬臂墩试件4的墩顶用螺栓、螺母固定于刚性支架1上，代表实际情况中的刚性地面条件，模拟悬臂墩固定端。
Ⅱ号L型支架9，用螺栓、螺母将悬臂墩试件4的底端固定于振动台7上。为了模拟悬臂墩自由端，即保证悬臂墩试件4底端自由，将两个Ⅱ号L型支架9固定在悬臂墩试件4底端的两侧，并填充两个海绵阻尼垫8在中间以夹住悬臂墩试件4底端。
悬臂墩试件4的底端不接触振动台，且两个Ⅱ号L型9支架分开的距离大于悬臂墩试件4的厚度，以便在悬臂墩试件4底端的左右两侧各加一个海绵阻尼垫8。
海绵阻尼垫8，可避免悬臂墩试件4底端撞击Ⅱ号L型支架9而引起的剧烈振动。悬臂墩试件4底端受到附着的海绵阻尼垫8的约束，充当等效的托辊，在保持墩端处于悬臂状态的同时，抑制过大的振动，从而模拟自由端。
Ⅰ号、Ⅱ号电容式加速度计5、6，用固体胶粘剂粘贴在悬臂墩试件4一侧。
参见图1，Ⅰ号、Ⅱ号电容式加速度计5、6具有相同水平高度，具有不同测量方向。Ⅰ号电容式加速度计5水平放置，Ⅱ号电容式加速度计6竖直放置。Ⅰ号电容式加速度计5测的是垂直方向的加速度，Ⅱ号电容式加速度计6测的是振动方向上的加速度，两个不同方向的加速度数据用于伪静态位移估计。通过简单动态平均(SMA)滤波器衰减动态分量获得伪静态倾斜角，然后采用悬臂墩端的挠度和转角公式将低频倾角数据转化为伪静态位移分量。
将Ⅲ号电容式加速度计10用固体胶粘剂粘贴在C型支架11上，跟Ⅱ号电容式加速度计6竖直一样竖直放置，用于动态位移估计。
C型支架11，固定在振动台7上。
Ⅱ号U型支架15将托架12固定于刚性支架1上。
采用塑料绳13将线性可变差动变压器(LVDT)14固定在托架12上，放在悬臂墩试件4另一侧，并保持水平。原理：通过Matlab编辑的程序将位移时程数据输入到振动台7并控制振动台7的振动，然后通过LVDT的电磁感应原理收集实际位移数据。LVDT是一种绝对位置传感器，它提供相对于一个固定基准的距离读数，而不是相对于前一个位置的读数。
线性可变差动变压器(LVDT)14具有许多优点：(1)无摩擦测量，(2)无限的机械寿命，(3)无限的分辨率，(4)零位可重复性，(5)轴向抑制，(6)坚固耐用，(7)环境适应性，(8)输入/输出隔离；
所述的线性可变差动变压器(LVDT)不能单独使用，需要匹配的显示仪器来完成LVDT传感器数据的转换和传输。LVDT通常与数字显示仪器结合使用，以将LVDT的位移电压转换为用于视觉显示处理的位移数字量，或者通过数据线将数据传输到计算机。在这个试验中，通过VibPilot将LVDT连接到计算机，并使用SO Analyzer软件来控制，分析和存储位移数据；
因为LVDT可用于测量精确的数据，所以本发明采用其测量实际位移。使用无参考位移估计法得出的总估计位移(总的无参考位移)与线性可变差动变压器(LVDT)测量的实际位移进行比较，从而对无参考位移估计法进行验证。
在这个试验中，通过振动控制测试和动态信号分析的多通道测试仪器(VibPilot)将LVDT连接到计算机，并使用SO Analyzer软件来控制，分析和存储位移数据。
参见图1，所述的室内振动台模拟试验使用的Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号电容式加速度计5、6、10，是由PCB Piezotronics公司生产的Model3711E1110G直流响应加速度计。
如图3所示，通过电线将VibPliot，GPS-303000直流电源，计算机与LVDT14，电容式加速度计5、6、10，DC电源1相连接，实现对加速度、位移数据的识别和处理。通过电线将DC电源1与振动台7，计算机连接，实现对振动台7的位移输入。振动台在工作期间需要DC电源2辅助，它是将振动台连接到计算机的中间设备。
参见图3，DC电源1通过连接同时给电容式加速度计5、6、10供电。
参见图3，振动台7是进行模拟试验测试悬臂墩试件4的平台，是整个试验的基础。同时，振动台7又是输入装置，需要配合DC电源2的使用，将现场实测的实时位移输入振动台7，从而模拟列车行驶。
参见图3，所述的电容式加速度计5、6、10的数据输出与两个设备有关，一个是VibPilot，另一个是DC电源1，其连接如图3所示。三个电容式加速度计5、6、10，首先通过电线将电容式加速度计5、6、10连接到DC电源1，然后使用电线将DC电源1连接到VibPliot的通道接口。
参见图3，VibPilot是一种用于振动控制和动态信号分析的仪器，可用于第三方数据的导出和导入，数据分析和报告生成。VibPilot同时将LVDT14和电容式加速度5、6、10计连接到计算机，然后由计算机控制。
参见图3，线性可变差动变压器(LVDT)的连接类似于电容式加速度计5、6、10的连接，但LVDT14与VibPliot和GPS-303000直流电源之间的连接在电线线路上很复杂。在LVDT14末端，五条线路被分开，其中三条线路连接到GPS-303000直流电源的正极，负极和接地接口，另外两条线路连接到VibPliot通道接口的BNC电线。
参见图3，所述的计算机控制整个连接系统。首先使用与电容式加速度计5、6、10匹配的电线将电容式加速度计5、6、10连接到DC电源1，然后使用电线将DC电源1连接到VibPliot的通道接口。当LVDT14和电容式加速度计5、6、10同时使用时，它们连接到VibPliot的不同通道接口，便于计算机的识别和控制，这样从试验中获得的数据在时域上是一致的。最后，VibPliot连接到计算机，因此整个连接系统可以由计算机控制。
在该试验中，工作的输入部分由振动台7完成。由Matlab编辑的程序将位移时程数据输入到振动台7并控制振动台7的振动。在Matlab程序中，首先输入在振动台上设置的悬臂墩试件4的质量。第二步是初始化振动台4并手动确认振动台4在其可移动范围中间的位置。第三步是自动校准振动台4，然后以Matlab格式读取位移数据，使振动台4最终振动。应注意，振动台4振动具有有限的范围。在输入位移时程数据中，最大值和最小值不得超过振动台4的限制，否则振动台4将停止工作。最后，通过VibPliot和计算机提取电容式加速度计5、6、10和LVDT14测出的数据。
本发明基于无参考位移估计法，把总横向位移分解为高频的动态位移分量以及低频的伪静态位移分量。该方法通过来自多个传感器的数据来估计桥梁的总横向无参考位移，一方面采用有限脉冲响应(FIR)滤波器，通过有限时间间隔内Ⅲ号电容式加速度计10测量的振动方向上的加速度的线性组合来近似估计出动态位移分量。另一方面，利用Ⅰ号和Ⅱ号电容式加速度计5、6测出的垂直方向和振动方向的加速度，通过简单动态平均(SMA)滤波器衰减动态分量获得伪静态倾斜角，然后采用悬臂墩端的挠度和转角公式将低频倾角数据转化为伪静态位移分量。最后将这些伪静态位移分量与动态位移分量相叠加，从而可以得出总估计位移(总的无参考位移)；
最后，将总估计位移与线性可变差动变压器(LVDT)14测量的实际位移进行比较，从而对无参考位移估计法进行验证。同时辅以SHM技术前端的传感器收集数据，评定铁路桥梁的抗振能力，为实际运用提供参考。
本申请整体操作步骤如下：
(1)如图1，用L型支架Ⅰ号3和Ⅱ号9将悬臂墩试件4固定好，用固体胶粘剂将电容式加速度计粘贴好，用塑料绳13将LVDT14固定在托架12上；
(2)如图2，首先使用与电容式加速度计5、6、10匹配的电线将电容式加速度计5、6、10连接到DC电源1，然后使用电线将DC电源1连接到VibPliot的通道接口。在LVDT14末端有五条线路被分开，其中三条线路连接到GPS-303000直流电源的正极，负极和接地接口，另外两条线路连接到VibPliot通道接口的BNC电线。
当LVDT14和电容式加速度计5、6、10同时使用时，它们连接到VibPliot的不同通道接口，便于计算机的识别和控制，这样从试验中获得的数据在时域上是一致的。最后，振动台连接到DC电源2，将VibPliot和振动台连接到计算机，整个连接系统由计算机控制；
(3)在该试验中，工作的输入部分由振动台7完成。由Matlab编辑的程序将位移时程数据输入到振动台7并控制振动台7的振动。在Matlab程序中，首先输入在振动台上设置的悬臂墩试件4的质量。第二步是初始化振动台4并手动确认振动台4在其可移动范围中间的位置。第三步是自动校准振动台4，然后以Matlab格式读取位移数据；
(4)通过Ⅰ号电容式加速度计5测垂直方向的加速度，Ⅱ号电容式加速度计6测振动方向上的加速度，两个不同方向的加速度数据用于伪静态位移估计，Ⅲ号电容式加速度计10测振动方向上的加速度，并通过线性组合来近似估计出动态位移分量，通过LVDT测量实际位移。最后，通过VibPliot和计算机提取电容式加速度计(5、6、10)和LVDT14测出的数据；
(5)最后，将总估计位移与线性可变差动变压器(LVDT)14测量的实际位移进行比较。
Claims (8)
1.一种测量车桥系统动力响应的模拟系统，其特征在于，包括：
刚性支架(1)：为П型，且底端与地面固定连接；
振动台(7)：放置在刚性支架(1)两底端之间的地面上，用于模拟列车行驶；
悬臂墩试件(4)：上端与刚性支架(1)的横梁固定连接，为固定端，下端为自由端；
C型支架(11)：设置在振动台(7)，侧面设置电容式加速度计Ⅲ(10)，用于测量动态位移；
电容式加速度计Ⅰ(5)：设置在悬臂墩试件(4)的一侧，水平放置，用于测量垂直方向的加速度；
电容式加速度计Ⅱ(6)：与电容式加速度计Ⅰ(5)并列设置，竖直放置，用于测量振动方向上的加速度；
线性可变差动变压器(14)：设置在悬臂墩试件(4)的另一侧，与电容式加速度计Ⅰ(5)水平高度相同，用于测量悬臂墩试件(4)实际的位移；
控制系统：与振动台(7)、电容式加速度计Ⅰ(5)、电容式加速度计Ⅱ(6)、电容式加速度计Ⅲ(10)和线性可变差动变压器(14)连接，用于振动台(7)位移输入大小的控制和数据的采集处理。
2.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，悬臂墩试件(4)上端通过两个L型支架Ⅰ(3)与刚性支架(1)固定连接，每个L型支架Ⅰ(3)一侧通过螺栓和悬臂墩试件(4)的上端连接，另一侧通过U型支架Ⅰ(2)与刚性支架(1)连接。
3.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，悬臂墩试件(4)下端两侧分别设置有L型支架Ⅱ(9)，L型支架Ⅱ(9)底端通过螺栓固定在振动台(7)上，两个L型支架Ⅱ(9)分开的距离大于悬臂墩试件(4)的厚度，悬臂墩试件(4)两侧和L型支架Ⅱ(9)之间设置海绵阻尼垫(8)，两个海绵阻尼垫(8)之间的距离小于悬臂墩试件(4)的厚度。
4.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，还包括托架(12)，托架(12)通过U型支架Ⅱ(15)固定在固定支架(1)上，所述线性可变差动变压器(14)通过塑料绳(13)固定在托架(12)上。
5.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述控制系统为计算机。
6.根据权利要求5所述的模拟系统，其特征在于，所述电容式加速度计Ⅰ(5)、电容式加速度计Ⅱ(6)和电容式加速度计Ⅲ(10)通过DC电源1和VibPilot与计算机连接，所述线性可变差动变压器(14)通过VibPilot与计算机连接，所述GPS-303000直流电源与线性可变差动变压器(14)连接为其供电，DC电源2与计算机连接，所述DC电源2与振动台(7)连接，为其供电。
7.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述电容式加速度计Ⅰ(5)、电容式加速度计Ⅱ(6)和电容式加速度计Ⅲ(10)用固体胶粘剂进行固定。
8.一种利用权利要求1-7任一项所述的模拟系统进行模拟的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)设备安装；
(2)线路连接；
(3)位移输入：计算机将位移数据输入到振动台(7)并控制振动台(7)的振动；
(4)通过电容式加速度计Ⅰ(5)测垂直方向的加速度，电容式加速度计Ⅱ(6)测振动方向上的加速度，得到伪静态位移分量，电容式加速度计Ⅲ(10)测振动方向上的加速度，并通过线性组合来计算出动态位移分量，将伪静态位移分量和动态位移分量相叠加，得出总估计位移；
(5)通过线性可变差动变压器(14)测量实际位移，通过VibPliot和计算机提取数据；
(6)将总估计位移与线性可变差动变压器(14)测量的实际位移进行比较。
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