CN110532657A - 基于变速车辆激励和小波包分析的桥墩结构状态评估方法 - Google Patents

Abstract

一种基于变速车辆激励和小波包分析的桥墩结构状态评估方法，属于桥梁工作状态检测与评估技术领域。本发明为了提高桥墩结构检测识别的准确性，提出了一种基于变速车辆激励和小波包分析的桥墩结构状态评估方法。本发明利用模型修正的方法建立准确的桥梁有限元模型，并提出一种车辆制动数值模拟方法，可更为准确地制定适用于待检测桥梁的刹车试验方案。利用代价函数选取合适的小波基函数分解层次，将墩顶自由衰减段信号作为研究对象，通过小波包分解的信号处理方式，获取对损伤具有高敏感性的特征信息。构造损伤灵敏度及鲁棒性较高的指标，进而识别出桥墩损伤位置及程度，对桥墩结构性能状态进行评估。

Description

基于变速车辆激励和小波包分析的桥墩结构状态评估方法

技术领域

本发明涉及一种基于变速车辆激励和小波包分析的桥墩结构状态评估方法，属于桥梁工作状态检测与评估技术领域。

背景技术

桥墩作为桥梁下部结构的主要构件，其作用是将上部结构传来的荷载，可靠而有效地传给基础。桥墩在使用期间不仅承受车辆及人群荷载，还可能受到水流冲刷、环境侵蚀和车、船及流冰撞击作用等影响，因此在运营过程中易发生损伤。桥墩一旦出现破坏，将大大削弱桥梁结构的承载能力，严重时甚至可能发生桥梁整体垮塌，不仅严重影响交通系统的正常运行，还直接威胁桥梁使用者的人身安全、造成巨大的经济损失。因此，如何对桥墩结构性能进行准确检测，对确保桥梁结构安全运营有着重要意义。

由于桥墩发生损伤的部位一般在地面或者水面以下，难以通过简单的外观检查对其损伤情况做出判断。目前，桥墩的损伤识别一般通过射线法、回弹法及超声波法等无损检测方法实现，但这类方法仅能够对结构局部损伤进行诊断，难以直接评价下部结构的整体性能。采用水下摄影技术的识别结果易受水中大量杂质影响，且无法识别其内部损伤；智能水下机器人虽在识别效率上和精度上都能达到很好的效果，但这类装置在实用性、持续性及操作性上都存在很大缺陷，且成本较高。且对于高桥墩结构，由于检测位置受限，多数桥梁高墩内部并无检修平台。而目前基于动力性能的损伤诊断方法也开始受到学者的关注，这种方法可以通过采集振动信号识别结构特征，进而对结构的整体性能进行检测，其振动激励方式主要分为强迫激励及环境激励两种方式。强迫激励主要振动源包括铁球、锤子及振动器等，但这种方法设备安装复杂且检测过程对原结构影响较大；而环境激励法随机性较强，并且引起结构响应幅值较小，在数据采集分析中易受噪声干扰。而数据处理的方式主要分为频域法、时域法以及时-频域法，其中利用模态参数频率和振型作为损伤指标最为普遍。但由于利用傅里叶变换对信号进行高频模态分析时精度不足，且在实测信号时已收到噪声等外界干扰，导致损伤识别的准确性较低。因此选取一种适用于评估桥墩结构状态的动力激励方式及损伤识别方法，提高桥墩结构检测识别的准确性是十分必要的。

发明内容

本发明为了提高桥墩结构检测识别的准确性，提出了一种基于变速车辆激励和小波包分析的桥墩结构状态评估方法。

本发明的技术方案：

基于变速车辆激励和小波包分析的桥墩结构状态评估方法，包括以下步骤：

步骤1，制定车辆变速激励试验方案；

根据桥梁固有参数，建立整体桥梁的有限元模型，并以在新建桥梁的各桥墩顶处布置加速度传感器作为动力响应测点，并进行桥梁动力载荷试验，将加速度传感器采集到的实测动力响应进行频谱分析得到的结构模态参数为修正对象进行模型修正，建立准确的全桥有限元模型，通过数值模拟车辆刹车过程，制定车辆变速激励试验方案；

步骤2，对完好桥梁进行车辆变速激励试验；

根据步骤1制定的车辆变速激励试验方案，实测获得车辆制动作用下完好桥梁各测点纵向加速度动力响应，将其作为桥墩结构损伤诊断的初始状态数据；

步骤3，对在役桥梁进行车辆变速激励试验；

待桥梁实际运营T年后，T的取值为0.5或1，根据步骤1制定的车辆变速激励试验方案，实测获得车辆制动作用下在役桥梁各测点纵向加速度动力响应，将其作为桥墩结构损伤诊断的待诊断状态数据；

步骤4，分别对步骤2得到的初始状态数据和步骤3得到的待诊断状态数据进行小波包分解变换，计算状态评估指标判断桥墩结构性能状态。

优选的：所述的步骤1中制定车辆刹车荷载试验方案的具体过程如下：

首先，根据桥梁固有参数，采用模型修正的方法，对比数值模拟计算结果与实测结构结果，使用模态参数建立目标函数，目标函数如下所示：

式中：λ_f,i、λ_φ,i分别为第i阶模态下频率及振型权重系数；其中，f_c,i、f_m,i分别为第i阶频率数值模拟计算及桥梁动力载荷试验的实测结果；其中，φ_c,i、φ_m,i分别为第i阶振型数值模拟计算及桥梁动力载荷试验的实测结果；

选取有限元模型的质量矩阵及刚度矩阵作为参数，采用优化算法对其进行修正，当目标函数满足收敛准则时，即可认为数值模拟结构与实际结构相吻合，收敛条件如下：

式中：n为迭代计算次数，ε、η为设定的计算容许误差；

然后，通过数值模拟车辆刹车过程：车辆为装有ABS防抱死系统的车辆，定义路面制动力与垂直载荷之比为制动系数

车辆刹车过程分为两个阶段：

阶段一为常规制动阶段：当滑移率在0～20％时，ABS不起作用，车轮未处于抱死滑移状态，随滑移率增加，制动力系数逐渐增大；

阶段二为ABS控制阶段：随着滑移率提升，系统通过不断调整制动压力，将车轮滑移率控制在滑移率为20％的附近，即制动系数达到制动峰值系数防止车轮抱死；

假定车辆在桥梁刹车过程中制动系数从0线性增加到制动峰值系数然后保持恒定不变的制动系数直至车辆在桥梁上停止或者驶出，该过程函数表示如下：

式中：为制动峰值系数，t_p为制动系数从0线性增加到制动峰值系数的时间；

最后，利用Newmark-β法，并用MATLAB编制计算程序对车辆刹车过程进行数值模拟，对车辆在桥梁上的变速行驶阶段进行仿真分析，并制定车辆刹车荷载试验方案；

当车辆为三轴汽车时，车辆在桥梁上制动时，假设整个车辆是一个位于车辆重心具有一定质量和惯性特性的质点，车辆刹车制动时，车辆受力平衡方程如下：

式中：F_z1、F_z2和F_z3分别为车辆前轴、中轴和后轴分配的地面反作用力；W为车辆总重；l₁、l₂、l₃分别为车辆前轴、中轴及后轴至车辆重心的距离；F_xt为地面制动力，其中

当车辆制动时，假设只存在纵向加速度，且车辆在行驶过程中，车体保持刚性，车架线保持直线，则根据变形协调条件可得：

其中，Δ_i为第i轴悬架变形量；K_i为第i轴悬架双边整体垂向刚度；和分别为第i轴上悬架垂向弹簧刚度和下悬架垂向弹簧刚度；其中i代表车辆轴的位置，当i为1时代表车辆前轴，当i为2时代表车辆中轴，当i为3时代表车辆后轴；

由公式(5)、(6)和(7)可得车辆各轴的制动力如下所示：

式中，F_μ1、F_μ2、F_μ3分别为车辆前轴、中轴及后轴分配得制动力；

可知，车桥耦合运动方程为：

式中，M,C,K分别为质量、阻尼和刚度矩阵；Xv和q_B分别为车辆和桥梁位移响应向量；F表示车桥系统的荷载向量；符号下标“B”代表桥梁；符号下标“v”代表车辆；符号下标“Bv”和“vB”表示车桥耦合项；符号上标“r”和“G”分别表示由于桥面不平度和车辆自重产生的作用力；

利用MATLAB编制计算程序对车辆刹车过程进行数值模拟，对车辆在桥梁上的变速行驶阶段进行仿真分析，并制定车辆刹车荷载试验方案。

优选的：所述的步骤1中利用MATLAB编制计算程序对车辆刹车过程不同的车重、初始车速、刹车制动位置以及加载车道进行模拟；将模拟得到的不同变量下车辆制动效应作为激励源作用在桥面体系上，将桥墩墩顶加速度传感器的自由衰减段信号a(t)的加速度最大响应幅值作为目标函数，对比分析不同变量下桥墩墩顶顺桥向加速度幅值，选择能激励起加速度最大响应幅值的参数，确定桥梁动力测试试验方案。

优选的：所述的桥墩墩顶加速度传感器的自由衰减段信号a(t)为车辆停止在桥梁上或驶出桥梁后各桥墩墩顶传感器采集的振动信号。

优选的：所述的步骤4分别对步骤2得到的初始状态数据和步骤3得到的待诊断状态数据的自由衰减段信号a(t)进行小波包分解变换，计算状态评估指标判断桥墩结构性能状态。

优选的：所述的对自由衰减段信号a(t)进行小波包分解后，得到：

式中：为小波包系数，其表达式如下：

式中：Φ_j,r,i(t)为小波包函数；j、r、i分别为尺度指标、位置指标以及频率指标；

Φ_j,r,i(t)为小波包函数是一组标准正交基，当m≠n时，存在正交性如下：

因此，信号a(t)的总能量可表示为：

由小波包的正交性可得：

式中：为j层分解下第i阶频段内的信号能量；

以代价函数值、计算时间值作为指标进行分析，选择合适的小波基函数及分解层次；其中，代价函数如下：

计算各小波包函数对应的代价函数值，确定小波包函数阶次，选取不同的分解层次，计算各分解层次对应的代价函数值并记录计算时间。

优选的：所述的步骤4状态评估指标为：

式中：为完好桥梁结构测点k处自由衰减断信号小波包能量方差；为在役桥梁结构测点k处自由衰减断信号小波包能量方差；其中为实测信号j层分解频谱的小波包能量均值；将完好桥梁结构和损伤桥梁结构的各桥墩的分析结果进行对比，确定桥梁基础冲刷损伤位置与程度。

优选的：所述的桥梁类型为梁式桥。

本发明具有以下有益效果：本发明涉及一种基于变速车辆激励和小波包分析的桥墩结构状态评估方法，本方法采用车辆制动力作为激励源，以获取桥梁下部结构较大幅值的纵桥向动力响应。利用模型修正的方法建立准确的桥梁有限元模型，并提出一种车辆制动数值模拟方法，可更为准确地制定适用于待检测桥梁的刹车试验方案。利用代价函数选取合适的小波基函数分解层次，将墩顶自由衰减段信号作为研究对象，通过小波包分解的信号处理方式，获取对损伤具有高敏感性的特征信息。构造损伤灵敏度及鲁棒性较高的指标，进而识别出桥墩损伤位置及程度，对桥墩结构性能状态进行评估。此外，本方法还具有很强的可操作性，成本较低，识别结果准确性高，且对桥梁结构不会造成很大影响得优点。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是制动车辆的纵向受力图；

图3是车辆制动所致悬架变形示意图；

图4是桥梁上的加速度传感器布置图；

图5是图4中A-A处剖视图；

图6是车辆制动试验示意图；

图7是桥梁水位示意图；

图8是车辆制动作用下无损工况及D1#水下桥墩单元刚度折减10％损伤工况A1-1#测点纵桥向加速度响应示意图；

图9是无损工况及损伤工况下自由衰减段信号各频段小波包系数对比图；

图10是单一及多损伤工况下各测点状态评估指标对比图；

图11是D3#桥墩水下单元处于不同损伤程度下各测点状态评估指标对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明的保护范围。

结合说明书附图1至图11说明本发明的具体实施方式，具体说明如下：

基于变速车辆激励和小波包分析的桥墩结构状态评估方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤1，制定车辆变速激励试验方案：根据桥梁固有参数，建立整体桥梁的有限元模型，并以在新建桥梁的各桥墩顶处布置加速度传感器作为动力响应测点，并进行桥梁动力载荷试验，将加速度传感器采集到的实测动力响应进行频谱分析得到的结构模态参数为修正对象进行模型修正，建立准确的全桥有限元模型，通过数值模拟车辆刹车过程，制定车辆变速激励试验方案；

首先，在桥梁建成时全面收集桥梁结构相关资料，以有限元模型的质量矩阵及刚度矩阵为修正参数，在新建桥梁的各桥墩顶处布置加速度传感器作为动力响应测点，并进行桥梁动力载荷试验，桥梁动力载荷试验就是车辆在桥梁匀速行驶时通过引起桥梁振动，利用在桥上布置加速度传感器，采集结构在桥梁行驶下产生的振动信号，将加速度传感器采集到的实测动力响应进行频谱分析得到结构模态参数，并用最能体现结构性能变化的模态参数建立目标函数，目标函数如下所示：

式中：λ_f,i、λ_φ,i分别为第i阶模态下频率及振型权重系数；其中，f_c,i、f_m,i分别为第i阶频率数值模拟计算及桥梁动力载荷试验的实测结果；其中，φ_c,i、φ_m,i分别为第i阶振型数值模拟计算及桥梁动力载荷试验的实测结果；

选取有限元模型的质量矩阵及刚度矩阵作为参数，采用优化算法对其进行修正，当目标函数满足收敛准则时，即可认为数值模拟结构与实际结构相吻合，收敛条件如下：

式中：n为迭代计算次数，ε、η为设定的计算容许误差；

然后，通过数值模拟车辆刹车过程：车辆为装有ABS防抱死系统的车辆，定义路面制动力与垂直载荷之比为制动系数

车辆刹车过程分为两个阶段：

阶段一为常规制动阶段：当滑移率在0～20％时，ABS不起作用，车轮未处于抱死滑移状态，随滑移率增加，制动力系数逐渐增大；

阶段二为ABS控制阶段：随着滑移率提升，系统通过不断调整制动压力，将车轮滑移率控制在滑移率为20％的附近，即制动系数达到制动峰值系数防止车轮抱死；

假定车辆在桥梁刹车过程中制动系数从0线性增加到制动峰值系数然后保持恒定不变的制动系数直至车辆在桥梁上停止或者驶出，该过程函数表示如下：

式中：为制动峰值系数，t_p为制动系数的上升时间；

当车辆为三轴汽车时，车辆在桥梁上制动时，假设整个车辆是一个位于车辆重心具有一定质量和惯性特性的质点，车辆整体同步减速，受力情况如图2所示，车辆受力平衡方程如下：

式中：F_zi为第i轴分配得地面反作用力；W为车辆总重；l₁、l₂、l₃分别为车辆前轴、中轴及后轴至车辆重心的距离；F_xt为地面制动力，其中

如图3所示，当车辆制动时，假设只存在纵向加速度，且车辆在行驶过程中，车体保持刚性，车架线保持直线，则根据变形协调条件可得：

其中，Δ_i为第i轴悬架变形量；K_i为第i轴悬架双边整体垂向刚度；和分别为第i轴上悬架垂向弹簧刚度和下悬架垂向弹簧刚度；

联立式(4)～(7)可得车辆各轴的制动力如下所示：

式中，F_μ1、F_μ2、F_μ3分别为车辆前轴、中轴及后轴分配得制动力；

考虑车辆刹车作用影响，可列出车桥耦合运动方程为：

式中，式中：M、C、K分别为质量、阻尼和刚度矩阵；Xv、分别为车辆和桥梁位移响应向量；F为车桥系统的荷载向量；其中符号下标“B”代表桥梁；符号下标“v”代表车辆；符号下标“Bv”和“vB”表示车桥耦合项；符号上标“r”和“G”分别表示由于桥面不平度和车辆自重产生的作用力；

基于上述方法和原理，在上式(9)求解过程中采用具有较高计算精度的Newmark-β法，并用MATLAB编制计算程序对这一过程进行数值模拟，对车辆在桥梁上的变速行驶阶段进行仿真分析。

根据试验车辆及检测桥梁结构的实际特点，考虑包括试验车型、初始车速、刹车位置以及加载车道多项关键性因素，对比分析不同变量下桥墩墩顶顺桥向加速度幅值，选择能激励起最大动力响应的参数，制定合理的车辆变速激励试验方案。

步骤2，对完好桥梁进行车辆变速激励试验，依据步骤1中制定的车辆变速激励试验方案，对新建桥梁车辆变速激励试验实验，采集各墩顶处纵向加速度动力响应，将其作为评估桥墩结构状态的初始数据；

步骤3，对在役桥梁进行车辆变速激励试验，依据步骤1中制定的车辆变速激励试验方案，对在役桥梁实施车辆变速激励试验，采集各墩顶处纵向加速度动力响应，将其作为评估桥墩结构状态的待诊断状态数据；

步骤4，分别对步骤2得到的初始状态数据和步骤3得到的待诊断状态数据进行小波包分解变换，计算状态评估指标判断桥墩结构性能状态；

对桥墩墩顶加速度传感器的自由衰减段信号a(t)进行小波包分解后，得到：

式中：为小波包系数，其表达式如下：

式中：Φ_j,r,i(t)为小波包函数；j、r、i分别为尺度指标、位置指标以及频率指标；

Φ_j,r,i(t)为小波包函数是一组标准正交基，当m≠n时，存在正交性如下：

因此，信号a(t)的总能量可表示为：

由小波包的正交性可得：

式中：为j层分解下第i阶频段内的信号能量；

以代价函数值、计算时间值作为指标进行分析，选择合适的小波基函数及分解层次；其中，代价函数如下：

计算各小波包函数对应的代价函数值，确定小波包函数阶次，选取不同的分解层次，计算各分解层次对应的代价函数值并记录计算时间。在确定最优小波基函数阶次以及分解层次时，一般认为代价函数的计算值越小，则计算效率越高。

依据上述原理，选取合适的小波基函数及分解层次。分别对初始状态和待诊断状态下采集的结构响应自由衰减段信号(即为当车辆停止在桥上或驶出桥梁时桥梁自身的振动信号)进行小波包分解。定义计算状态评估指标，如下：

式中：为初始结构测点k处自由衰减断信号小波包能量方差；为检测结构测点k处自由衰减断信号小波包能量方差；其中为实测信号j层分解频谱的小波包能量均值。

结合大量桥墩病害桥梁的实测数据分析初步确定依据状态评估指标的桥墩结构性能状态评估准则：

当0≤SAI_k≤5％时，表明测点k处桥墩的结构性能处于健康状态；

当5％<SAI_k≤25％时，表明测点k处桥墩可能已发生损伤，需进行检测；

当25％<SAI_k≤50％时，表明测点k处桥墩已发生损伤，需进行检测并进行加固，保证其承载能力；

当SAI_k>50％时，表明测点k处桥墩已发生严重损伤，需及时进行加固维修，必要时需封锁交通，保证交通运营安全。

将计算出的SAI_k值与上述区间标准进行比对，根据DI值所在的区间确定桥墩结构性能状态评估，从而对桥梁的安全性作出评价。

下面结合实际情况进行损伤定位和损伤程度评估分析；

以一4×40m预应力混凝土简支转连续梁桥为分析对象，其加速度传感器测点布置如图4所示，桥梁横断面图如图5所示，根据桥梁结构特点，普通轮胎的汽车在干燥的沥青或水泥路面上刹车，制动峰值系数可取为0.7，制动力上升时间为0.3s。通过数值模拟比较不同变量下桥梁墩顶顺桥向加速度幅值，最终制定制动荷载试验：取典型三轴汽车以初速度50km/h由车道2驶入桥梁，汽车制动时前轮停止在D3#墩处，如图6所示。

根据桥例桥墩水流冲蚀、冻融发生位置，通过折减水下墩柱单元刚度模拟桥墩损伤。因河流常年水位在桥面以下3m～4m之间浮动，因此假定桥面4m以下桥墩单元为损伤位置，如图7所示。针对不同的桥墩损伤位置和损伤程度考虑如下工况进行模拟：

工况一：桥墩未发生损伤；

工况二：D1#桥墩水下单元刚度下降10％；

工况三：D2#桥墩水下单元刚度下降10％；

工况四：D3#桥墩水下单元刚度下降10％；

工况五：D1#、D2#桥墩水下单元刚度均下降10％；

工况六：D1#、D2#、D3#桥墩水下单元刚度均下降10％.

工况七：D3#桥墩水下单元刚度下降30％；

工况八：D3#桥墩水下单元刚度下降50％。

根据上述制定的制动试验方案，实测各工况下各测点加速度响应，将自由衰减段信号进行小波包分解。将未损伤状态(工况一)及其中D1#桥墩损伤状态(工况二)下A1-1#测点动力响应进行对比，发现两条曲线趋于重合，表明二者动力响应几乎相同，如图8所示。依据小波包代价函数，采用db8小波包函数，将二者自由衰减段信号进项三层分解。信号将被分解到8个频段，分解得各层小波包系数如图9所示，可以发现损伤信号在各个频段的分布与正常信号有所差异。由此可知，利用小波包分解频带分布的差别进行损伤识别存在理论上的可能。

由此计算状态评估指标进行对比分析，如图10所示，对于单损伤及多损伤工况(工况二～工况六)，损伤桥墩顶测点处指标值相对于其他测点显著突出，均大于5％。且当损伤程度由10％增加到30％及50％(工况二、工况七、工况八)时，指标值也由9.76％随之增大到42.82％及112.92％，如图11所示。结合所提出的状态评估准则，可验证此种指标可对桥墩结构性能状态进行准确评价。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (8)

1.基于变速车辆激励和小波包分析的桥墩结构状态评估方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：

步骤1，制定车辆变速激励试验方案；

根据桥梁固有参数，建立整体桥梁的有限元模型，并以在新建桥梁的各桥墩顶处布置加速度传感器作为动力响应测点，并进行桥梁动力载荷试验，将加速度传感器采集到的实测动力响应进行频谱分析得到的结构模态参数为修正对象进行模型修正，建立准确的全桥有限元模型，通过数值模拟车辆刹车过程，制定车辆变速激励试验方案；

步骤2，对完好桥梁进行车辆变速激励试验；

根据步骤1制定的车辆变速激励试验方案，实测获得车辆制动作用下完好桥梁各测点纵向加速度动力响应，将其作为桥墩结构损伤诊断的初始状态数据；

步骤3，对在役桥梁进行车辆变速激励试验；

待桥梁实际运营T年后，T的取值为0.5或1，根据步骤1制定的车辆变速激励试验方案，实测获得车辆制动作用下在役桥梁各测点纵向加速度动力响应，将其作为桥墩结构损伤诊断的待诊断状态数据；

步骤4，分别对步骤2得到的初始状态数据和步骤3得到的待诊断状态数据进行小波包分解变换，计算状态评估指标判断桥墩结构性能状态。

2.根据权利要求1所述的基于变速车辆激励和小波包分析的桥墩结构状态评估方法，其特征在于：所述的步骤1中制定车辆刹车荷载试验方案的具体过程如下：

首先，根据桥梁固有参数，采用模型修正的方法，对比数值模拟计算结果与实测结构结果，使用模态参数建立目标函数，目标函数如下所示：

式中：λ_f,i、λ_φ,i分别为第i阶模态下频率及振型权重系数；其中，f_c,i、f_m,i分别为第i阶频率数值模拟计算及桥梁动力载荷试验实测结果；其中，φ_c,i、φ_m,i分别为第i阶振型数值模拟计算及桥梁动力载荷试验的实测结果；

选取有限元模型的质量矩阵，阻尼矩阵及刚度矩阵作为参数，采用优化算法对其进行修正，当目标函数满足收敛准则时，即可认为数值模拟结构与实际结构相吻合，收敛条件如下：

式中：n为迭代计算次数，ε、η为设定的计算容许误差；

然后，通过数值模拟车辆刹车过程：车辆为装有ABS防抱死系统的车辆，定义路面制动力与垂直载荷之比为制动系数

车辆刹车过程分为两个阶段：

阶段一为常规制动阶段：当滑移率在0～20％时，ABS不起作用，车轮未处于抱死滑移状态，随滑移率增加，制动力系数逐渐增大；

阶段二为ABS控制阶段：随着滑移率提升，系统通过不断调整制动压力，将车轮滑移率控制在滑移率为20％的附近，即制动系数达到制动峰值系数防止车轮抱死；

假定车辆在桥梁刹车过程中制动系数从0线性增加到制动峰值系数然后保持恒定不变的制动系数直至车辆在桥梁上停止或者驶出，该过程函数表示如下：

式中：为制动峰值系数，t_p为制动系数从0线性增加到制动峰值系数的时间；

最后，利用Newmark-β法，并用MATLAB编制计算程序对车辆刹车过程进行数值模拟，对车辆在桥梁上的变速行驶阶段进行仿真分析，并制定车辆刹车荷载试验方案；

当车辆为三轴汽车时，车辆在桥梁上制动时，假设整个车辆是一个位于车辆重心具有一定质量和惯性特性的质点，车辆刹车制动时，车辆受力平衡方程如下：

式中：F_z1、F_z2和F_z3分别为车辆前轴、中轴和后轴分配的地面反作用力；W为车辆总重；l₁、l₂和l₃分别为车辆前轴、中轴及后轴至车辆重心的距离；F_xt为地面制动力，其中

当车辆制动时，假设只存在纵桥向加速度，且车辆在行驶过程中，车体保持刚性，车架线保持直线，则根据变形协调条件可得：

其中，Δ_i为第i轴悬架变形量；K_i为第i轴悬架双边整体垂向刚度；和分别为第i轴上悬架垂向弹簧刚度和下悬架垂向弹簧刚度；其中i代表车辆轴的位置，当i为1时代表车辆前轴，当i为2时代表车辆中轴，当i为3时代表车辆后轴；

由公式(5)、(6)和(7)可得车辆各轴的制动力如下所示：

式中，F_μ1、F_μ2、F_μ3分别为车辆前轴、中轴及后轴分配得制动力；

可知，车桥耦合运动方程为：

式中：M,C,K分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；Xv和q_B分别为车辆和桥梁位移响应向量；F表示车桥系统的荷载向量；符号下标“B”代表桥梁；符号下标“v”代表车辆；符号下标“Bv”和“vB”表示车桥耦合项；符号上标“r”和“G”分别表示由于桥面不平度和车辆自重产生的作用力；

在公式(9)的求解中采用Newmark-β法，并利用MATLAB编制计算程序对车辆刹车过程进行数值模拟，对车辆在桥梁上的变速行驶阶段进行仿真分析，并制定车辆刹车荷载试验方案。

3.根据权利要求2所述基于变速车辆激励和小波包分析的桥墩结构状态评估方法，其特征在于：所述的步骤1中利用MATLAB编制计算程序对车辆刹车过程不同的车重、初始车速、刹车制动位置以及加载车道进行模拟；将模拟得到的不同变量下车辆制动效应作为激励源作用在桥面体系上，将桥墩墩顶加速度传感器的自由衰减段信号a(t)的加速度最大响应幅值作为目标函数，对比分析不同变量下桥墩墩顶顺桥向加速度幅值，选择能激励起加速度最大响应幅值的参数，确定桥梁动力测试试验方案。

4.根据权利要求3所述的一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法，其特征在于：所述的桥墩墩顶加速度传感器的自由衰减段信号a(t)为车辆停止在桥梁上或驶出桥梁后各桥墩墩顶传感器采集的振动信号。

5.根据权利要求4所述的一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法，其特征在于：所述的步骤4分别对步骤2得到的初始状态数据和步骤3得到的待诊断状态数据的自由衰减段信号a(t)进行小波包分解变换，计算状态评估指标判断桥墩结构性能状态。

6.根据权利要求5所述的一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法，其特征在于：所述的对自由衰减段信号a(t)进行小波包分解后，得到：

式中：为小波包系数，其表达式如下：

式中：Φ_j,r,i(t)为小波包函数；j、r、i分别为尺度指标、位置指标以及频率指标；

Φ_j,r,i(t)为小波包函数是一组标准正交基，当m≠n时，存在正交性如下：

因此，信号a(t)的总能量可表示为：

由小波包的正交性可得：

式中：为j层分解下第i阶频段内的信号能量；

以代价函数值、计算时间值作为指标进行分析，选择合适的小波基函数及分解层次；其中，代价函数如下：

计算各小波包函数对应的代价函数值，确定小波包函数阶次，选取不同的分解层次，计算各分解层次对应的代价函数值并记录计算时间。

7.根据权利要求1所述的一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法，其特征在于：所述的步骤4状态评估指标为：

式中：为初始状态桥梁结构测点k处自由衰减断信号小波包能量方差；为在役桥梁结构测点k处自由衰减断信号小波包能量方差；其中σ²的计算公式为其中为实测信号j层分解频谱的小波包能量均值；

将完好桥梁结构和损伤桥梁结构的各桥墩的分析结果进行对比，确定桥梁基础冲刷损伤位置与程度。

8.根据根据权利要求1所述的一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法，其特征在于：所述的桥梁类型为梁式桥。