CN110553808A - 一种基于车辆振动的梁式桥整体刚度评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于车辆振动的梁式桥整体刚度评估方法。采用的技术方案是:在两辆相同的车辆上架设加速度传感器,让两车匀速等间距驶过待测桥梁,对车辆在行驶过程中车体竖向振动加速度信息进行测量,得到两辆车辆驶过桥梁时的加速度时程曲线;将桥梁同一位置的两辆车辆的车体竖向加速度数值进行相减,得到加速度差值时程曲线,然后对车辆竖向加速度差值时程曲线进行频谱变换,在频谱图中识别出桥梁基频实测值;对比实测基频与桥梁理论基频,得到桥梁的静载挠度校验系数近似值,从而评估出桥梁的整体刚度。本发明可避免在桥梁上架设传感器,测量过程不需要中断交通,可实现不下车对桥梁进行检测的目的,可大幅缩短试验所需时间和降低试验成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种梁式桥整体刚度评估方法,属于桥梁检测技术领域。
背景技术
为减少桥梁灾害的发生,需要对桥梁的安全状况进行整体评估,而桥梁整体结构的刚度作为桥梁安全状况评估的重要组成部分,是评估桥梁工作状况中重要的一环。现在的桥梁检测中,静载实验中挠度校验系数是评估桥梁安全性一个重要参数,直接反映了桥梁的承载力情况;动载试验中桥梁基频是直接反映桥梁整体结构完整性的重要指标,与桥梁的刚度及质量紧密联系,固有基频是桥梁的基本动力特性之一。获得了这两个参数,就可以对桥梁整体刚度进行评估,从而准确的判断出桥梁结构的完整性。
目前,传统的桥梁静载实验是在桥梁底部安装竖向位移传感器,然后在对桥梁施加荷载,通过有线或者无线的方式采集桥梁的挠度。桥梁基频的测量,通常是在桥梁上架设传感器,然后对桥梁施加外部激励,通过安装在桥梁上的传感器记录下桥梁的振动信息,然后由桥梁振动数据计算桥梁频率,目前桥梁检测的动载试验中常用的激励方法有强迫激励法、自由振动法和环境激励法等。但这些方法在对桥梁施加激励的过程中往往需要中断交通,试验检测效率较低,无法对众多桥梁进行整体快速评估。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷,本发明提供了一种不需要在桥梁上架设仪器、不中断交通、试验检测效率较高的梁式桥整体刚度评估方法。
本发明是通过如下技术方案来实现的:一种基于车辆振动的梁式桥整体刚度评估方法,其特征是:包括如下步骤:
(一)在两辆相同的车辆上设置加速度传感器,让两辆车匀速等间距驶过待测桥梁,对车辆在行驶过程中车体振动的竖向加速度信息进行测量,得到两辆车辆驶过桥梁时的加速度时程曲线;
(二)将桥梁同一位置的两辆车辆的车体加速度数值进行相减,从而消除桥面粗糙度的影响,得到加速度差值时程曲线,即:αΔχ=α1χ-α2χ
其中,α△x为在距桥梁起点x处两车的加速度差值,α1x为1号车在距桥梁起点x处车体的加速度数值,α2x为2号车在距桥梁起点x处车体的加速度数值;
(三)对加速度差值时程曲线进行频谱变换,利用如下的公式(1),在频谱图中识别出桥梁基频实测值:
式中,
其中,为在时间t时刻车辆的竖向加速度数值;△st,n为在车辆作用下桥梁第n阶模态产生的静位移,Sn为无量纲速度参量,ωb,n为桥梁的第n阶自振频率;ωv为车辆的竖向振动频率;L为桥梁总长度;v为车辆移动速度;mv为移动量测车的质量;EI为桥梁抗弯刚度;
(四)得到桥梁的实测频率后,根据如下的公式(2)计算出桥梁整体挠度校验系数ηy(x):
其中,Ω为桥梁基频的校验系数,ω1,0为桥梁基频理论值;ω1,t为桥梁基频实测值。
本发明是在两辆相同的车辆上架设传感器,通过让两辆车匀速等间距行驶通过桥梁,采集得到两车过桥时的竖向振动加速度信息;将两车在桥梁同一位置的竖向加速度相减,得到车辆加速度差值曲线,然后对车辆加速度差值曲线进行频谱变换,从车辆加速度差值频谱图中得到桥梁实测的基频信息;对比实测基频与桥梁理论基频,得到桥梁的挠度校验系数近似值,从而评估桥梁的整体刚度。使用两车加速度差值频谱去识别桥梁频率,可以消除路面不平整度对于识别结果的影响。本发明通过在两辆相同的车辆上架设传感器,避免了在桥梁上架设传感器的复杂情况,测量过程不需要中断交通,可以实现不下车对桥梁进行检测的目的。
进一步的,两辆车辆匀速行驶时相隔间距不大于5m。
进一步的,在步骤三中,采用快速傅里叶变换FFT或希尔伯特转换HT方法在车辆竖向振动加速度差值频谱图中识别桥梁频率。
进一步的,在频谱图中识别桥梁基频实测值时,是在车辆加速度差值频谱图中识别出驱车频率2nπv/L、车辆的固有频率ωv、桥梁的左移频率ωb,n-nπv/L和右移频率ωb,n+nπv/L,根据识别出的桥梁的左移频率和右移频率,求取桥梁的左移频率和右移频率的平均值即为桥梁基频的实测值ω1,t。车辆的固有频率ωv可以通过事先测量得到,驱车频率可以通过车速和桥梁跨径计算得到,剩下的峰值点就是桥梁的频率峰值点。
本发明的有益效果是:本发明通过在两辆相同的车辆上架设传感器,避免了在桥梁上架设传感器的复杂情况,测量过程不需要中断交通,可以实现不下车对桥梁进行检测的目的,可以大幅度缩短试验所需的时间和降低试验成本。本发明克服了现有桥梁整体刚度评估方法需要在桥梁上架设大量仪器的缺陷,突破了桥梁检测需中断交通这一难题,不仅可以得到桥梁的基频信息,而且可以得到桥梁的挠度校验系数近似值,从而对桥梁结构的整体刚度更加有效地快速评估。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图;
图2是本发明具体实施方式中的两辆车辆的位置示意图;
图3(a)是本发明具体实施方式中的前车加速度响应图;
图3(b)是本发明具体实施方式中的后车加速度响应图;
图4是本发明具体实施方式中的加速度差值曲线;
图5是本发明具体实施方式中的车辆加速度差值频谱图;
具体实施方式
下面通过非限定性的实施例并结合附图对本发明作进一步的说明:
如图1所示是本发明的流程示意图。桥梁的整体刚度评估首先通过现场调查和查阅结构图纸,熟悉测试桥梁,建立桥梁模型,计算出桥梁理论基频值ω1,0。随后在两辆相同车辆上安装加速度传感器,让它们等间距匀速驶过待测桥梁。在完成车辆加速度采集后,在桥梁相同位置的两车加速度数值进行相减,得到两车的加速度差值曲线。对两车的加速度差值曲线进行频谱分析(可采用快速傅里叶变换FFT、希尔伯特转换HT等方法),从得到的频谱图中的峰值点数值,去识别出桥梁的测量基频。通过基频实测值和基频理论值,可以推导出挠度校验系数,从而对桥梁的整体刚度进行评估。
本发明方法的具体步骤如下:
本发明中的桥梁参数如下表所示:
步骤1:首先根据桥梁图纸,计算出桥梁的理论频率ω1,0,并根据桥梁长度确定合适的车速大小和车距,一般车距不宜超过5m,在两辆车辆上架设加速度传感器,车辆布置如附图2所示。
步骤2:让两车匀速等间距地驶过待测桥梁,采集两车在过桥过程中的竖向振动加速度信息,所得两车经典加速度响应如图3(a)和图3(b)所示。值得注意的是,在桥梁实际测量中桥面板有车辆经过,但非测量车辆的运动不会对桥梁频率测量结果产生影响。
步骤3:对两车加速度进行处理,得到两车加速度差值曲线:在测得两车匀速等间距驶过桥梁时的加速度响应后,在桥梁同一位置对两车加速度数据进行相减,等到两车的加速度差值曲线,即:
αΔχ=α1χ-α2χ
其中,α△x表示为在距桥梁起点x处,两车的加速度差值;α1x为1号车在距桥梁起点x处,车体的加速度数值,α2x为2号车在距桥梁起点x处,车体的加速度数值。经典加速度差值曲线如图4所示。注意这里是两车上的加速度传感器通过桥梁同一点时的加速度数值大小相减,因为两车为等间距匀速行驶,所以两车驶过同一点的时差Δt=D/v,其中D为两车的加速度传感器距离,v为行驶速度。
步骤4:识别桥梁基频大小:对得到的两车竖向振动加速度差值曲线进行快速傅立叶频谱变换,得到加速度差值的频谱图,利用如下的公式(1),在频谱图中识别出桥梁基频实测值:
式中,
其中,为在时间t时刻,车辆的竖向加速度数值;△st,n为在车辆作用下桥梁第n阶模态产生的静位移,Sn为无量纲速度参量,ωb,n为桥梁的第n阶自振频率;ωv为车辆的竖向振动频率;L为桥梁总长度;v为车辆移动速度;mv为移动量测车的质量;EI为桥梁抗弯刚度;
频谱图中的峰值点对应五种频谱:驱车频率,车辆竖向振动频率,车辆转动频率,桥梁左移频率和桥梁右移频率。从加速度差值频谱图中可以识别出驱车频率2nπv/L,车辆的固有频率ωv,桥梁的左移频率ωb,n-nπv/L和右移频率ωb,n+nπv/L。其中,车辆的固有频率ωv可以通过事先测量得到,驱车频率可以通过车速和桥梁跨径计算得到,剩下的峰值点就是桥梁的频率峰值点。根据识别出的桥梁的左移频率和右移频率,求取桥梁的左移频率和右移频率的平均值即为桥梁基频的实测值ω1,t。排除车辆频率的干扰后找到桥梁基频所对应的峰值点,从而识别出桥梁实测基频ω1,t,经典加速度差值频谱图如图5所示。值得注意的是,有些时候桥梁基率的左移频率和右移频率往往十分接近,在频谱图中叠加为同一峰值,形成临近的双峰图形,并不影响识别结果。
步骤5:计算得到桥梁挠度校验系数:得到桥梁的实测频率后,根据如下的公式(2)计算出桥梁挠度校验系数ηy(x):
其中,Ω为桥梁基频的校验系数,ω1,0为桥梁基频理论值;ω1,t为桥梁基频实测值。
由于,等截面简支梁在集中力F作用下的任意位置的静力挠度表达式为:
式中:EI——梁的抗弯刚度;
l——梁的计算跨径;
x——计算点距离桥梁起始点的距离;
xF——集中力作用位置距离桥梁起始点的距离;
U(x-xF)——阶跃函数,当x<xF时,U(x-xF)=0,当x≥xF时,U(x-xF)=1。
可以推导出挠度校验系数和频率的关系为:
所以在得到桥梁的实测频率后,根据式(3)可以计算出静载挠度校验系数ηy(x):
其中,Ω表示桥梁基频的校验系数,ω1,0为桥梁基频理论值;ω1,t为桥梁基频实测值。
根据数值模拟计算可知,桥梁基频的校验系数与桥梁挠度校验系数相差很小,误差不超过0.1%,可以认为其数值相等。
采用桥梁基频校验系数代替桥梁挠度校验系数,结合规范《公路桥梁承载能力检测评定规程》,就可以判定桥梁的刚度和承载能力是否满足设计要求。
本实施例中的其他部分均为现有技术,在此不再赘述。
Claims (4)
1.一种基于车辆振动的梁式桥整体刚度评估方法,其特征是:包括如下步骤:
(一)在两辆相同的车辆上设置加速度传感器,让两辆车匀速等间距驶过待测桥梁,对车辆在行驶过程中车体竖向振动加速度信息进行测量,得到两辆车辆驶过桥梁时的加速度时程曲线;
(二)将桥梁同一位置的两辆车辆的车体竖向加速度数值进行相减,得到加速度差值时程曲线,即:αΔχ=α1χ-α2χ
其中,α△x为在距桥梁起点x处两车的加速度差值,α1x为1号车在距桥梁起点x处车体的加速度数值,α2x为2号车在距桥梁起点x处车体的加速度数值;
(三)对车辆竖向加速度差值时程曲线进行频谱变换,利用如下的公式(1),在频谱图中识别出桥梁基频实测值:
式中,
其中,为在时间t时刻车辆的竖向加速度数值;△st,n为在车辆作用下桥梁第n阶模态产生的静位移,Sn为无量纲速度参量,ωb,n为桥梁的第n阶自振频率;ωv为车辆的竖向振动频率;L为桥梁总长度;v为车辆移动速度;mv为移动量测车的质量;EI为桥梁抗弯刚度;
(四)得到桥梁的实测频率后,根据如下的公式(2)计算出桥梁静载挠度校验系数ηy(x):
其中,Ω为桥梁基频的校验系数,ω1,0为桥梁基频理论值;ω1,t为桥梁基频实测值。
2.根据权利要求1所述的基于车辆振动的梁式桥整体刚度评估方法,其特征是:两辆车辆匀速行驶时相隔间距不大于5m。
3.根据权利要求1所述的基于车辆振动的梁式桥整体刚度评估方法,其特征是:在步骤三中,采用快速傅里叶变换FFT或希尔伯特转换HT方法在车辆竖向振动加速度差值频谱图中识别桥梁频率。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于车辆振动的梁式桥整体刚度评估方法,其特征是:在频谱图中识别桥梁基频实测值时,是在车辆加速度差值频谱图中识别出驱车频率2nπv/L、车辆的固有频率ωv、桥梁的左移频率ωb,n-nπv/L和右移频率ωb,n+nπv/L,根据识别出的桥梁的左移频率和右移频率,求取桥梁的左移频率和右移频率的平均值即为桥梁基频的实测值ω1,t。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20191210 |