CN110631786B - 一种基于驻车振动响应的梁桥承载力快速评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于驻车振动响应的梁桥承载力快速评估方法。包括如下步骤：在地面上将加速度传感器安装在试验车辆上，激振车辆使其发生竖向振动，采集车辆的竖向振动加速度响应；将车辆竖向加速度时程通过模态识别方法进行频谱分析，从中识别出试验车辆的固有竖向振动频率；将车辆行驶到桥梁跨中位置后静止驻车；通过环境振动或正常行驶的社会车辆激励桥梁；动态数据采集仪采集车辆的竖向振动加速度响应，选取激振卓越的部分进行频谱分析，得到驻车竖向振动加速度频谱图；分析驻车竖向振动加速度频谱图，桥面正常行驶的小型社会车辆作为激励源引起桥梁的竖向振动,利用车桥耦合振动系统的桥梁加速度计算公式，在频谱图中识别出桥梁基频实测值。
Description
技术领域
本发明涉及一种梁桥承载力评估方法，尤其是一种中小跨径梁桥的承载力评估方法，属于桥梁承载力安全评估技术领域。
背景技术
随着交通量的日益增大，桥梁成为了公路交通运输的枢纽工程，关系到社会经济发展的命脉。针对桥梁在长期使用过程中由于环境和人为等因素发生的各种结构损伤等问题，国内外已进行了大量的科学研究与工程实践，并逐渐研究多种桥梁检测评估的方法。
基于有限元理论计算的分析方法，由于其计算分析过程中所采用的数据均为桥梁建成时的桥梁技术参数，与现役桥梁的技术状况信息相差较大，较难对现役桥梁状态进行比较准确的评估。
基于静载试验，测量桥梁结构的应变和挠度，并与相应的理论计算结果进行比较得到校验系数，进一步评定桥梁结构承载力来判断其安全性。这是目前公路桥梁承载力评定的常规方法。静载试验法具有直观、结果可靠的优点。但由于试验规模大、费用高、准备周期长、桥下工作量大、中断交通影响桥梁正常运营，且对于桥梁结构有一定的超载威胁。所以该方法多在桥梁承载力难以确定时才应用。
传统的动载试验只能在一定程度上反映结构的整体刚度，常规的桥梁动力特性评定主要是通过结构频率来反算结构的动刚度，通过检测刚度来判断桥梁结构损伤，因其动载试验加载效率很低，不能准确定量评定桥梁结构的承载力。故目前动载试验还是静载试验的补充，而且试验时需要封闭交通，在桥梁上安置大量的传感器，耗费人力和财力。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种基于驻车振动响应的梁桥承载力快速评估方法。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于驻车振动响应的梁桥承载力快速评估方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤一：准备好相关试验仪器：动态数据采集仪、加速度传感器、笔记本电脑；
步骤二：选用合适的小型试验车辆，在普通地面上将加速度传感器安装在试验车辆的车体刚性部位，将加速度传感器与动态数据采集仪连接，然后激振车辆使其发生竖向振动，采集车辆的竖向振动加速度响应；
步骤三：将车辆竖向加速度时程通过模态识别方法进行频谱分析，从中识别出试验车辆的固有竖向振动频率；
步骤四：将安装有加速度传感器的试验车辆行驶到桥梁跨中位置后静止驻车，车辆熄火，持续3分钟；
步骤五：通过环境振动或正常行驶的社会车辆激励桥梁，引起桥梁和静止试验车辆的竖向振动；
步骤六：通过试验车内放置的动态数据采集仪采集车辆的竖向振动加速度响应，并选取激振卓越的部分进行频谱分析，得到驻车竖向振动加速度频谱图；
步骤七：分析驻车竖向振动加速度频谱图，桥面正常行驶的小型社会车辆作为激励源引起桥梁的竖向振动,利用车桥耦合振动系统的桥梁加速度计算公式(1)，在频谱图中识别出桥梁基频实测值，
其中，
为在时间t时刻桥梁x位置处的竖向加速度数值；n为桥梁的模态阶数，当识别桥梁基频时，n取值为1；Δst,n为在社会车辆作用下桥梁第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；L为桥梁总长度；v为激励源社会车辆的速度；mv为移动社会车辆的质量；EI为桥梁抗弯刚度。
步骤八：在得到桥梁的实测基频后，根据式(2)计算出桥梁静载挠度校验系数ηy(x)，从而结合现有桥梁规范可以快速评估桥梁的承载力
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。
本发明是基于桥梁动力特性来评定桥梁承载力的方法。其首先通过在普通地面上对试验车辆进行激振并采集车辆的竖向振动加速度响应，将试验车辆的竖向加速度时程数据进行频谱分析，从中识别出车辆的固有竖向振动频率，然后车辆行驶到桥梁跨中位置静止驻车，通过环境振动或正常行驶的社会车辆激励桥梁，引起桥梁和静止试验车辆的竖向振动，采集试验车辆的竖向振动加速度响应进行频谱分析，得到驻车竖向振动加速度频谱图，然后在频谱图中识别出桥梁基频实测值，计算出桥梁的静载挠度校验系数，从而结合现有桥梁规范可以快速评估桥梁的承载力。
进一步的，步骤二中，加速度传感器安装在车体的质心位置。
进一步的，步骤五中所述的环境振动为地脉动或风荷载或水流荷载或交通荷载。
进一步的，进行频谱分析时采用峰值拾取法或者快速傅里叶变换方法。
本发明的有益效果是：本发明通过在驻车上架设传感器，避免了在桥梁上架设传感器的复杂情况，测量过程中不需要中断交通，可以实现不下车对桥梁进行快速检测的目的，极大地提高了桥梁承载力检测的试验效率，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承载力评估方法需要在桥梁上架设大量仪器的缺陷，突破了传统桥梁静力荷载试验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承载力进行快速有效地评估。本发明中所述的快速评估方法可广泛适用于公路和城市道路工程中广泛存在的中小跨径梁桥，应用市场广阔，测量车随停随测，随测随走，可以大幅提高试验检测效率。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中的驻车模型和移动社会车辆模型示意图；
图2是本发明具体实施方式中的静止在大地上的测量车辆固有加速度频谱图；
图3是本发明具体实施方式中的静止在桥梁上的驻车加速度响应图；
图4是本发明具体实施方式中的静止在桥梁上的驻车加速度频谱图；
图5是本发明具体实施方式中的等截面简支梁的示意图；
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：
如附图所示，下面通过一个单跨简支梁桥来说明本发明的一种基于驻车振动响应的梁桥承载力快速评估方法的实施步骤。该简支梁桥跨度为20米，主梁采用C50混凝土。
桥梁参数如下表所示：
具体步骤如下：
步骤1：准备相关试验仪器，如动态数据采集仪、加速度传感器、笔记本电脑等。根据桥梁图纸，建立桥梁的有限元计算模型，计算得到桥梁的理论基频ω1，0，该桥梁的理论基频为4.51Hz。
步骤2：选用合适的试验车辆，最好选用小型车辆，在普通地面上将加速度传感器安装在车体刚性部位，本实施例中是在测试车辆的车体质心点处布置加速度传感器，测试车辆模型如图1所示。激振车辆使其发生竖向振动，采集车辆的竖向振动加速度响应。
步骤3：将车辆竖向加速度时程通过峰值拾取法或快速傅里叶变换方法等模态识别方法进行频谱分析，从中识别出车辆的固有竖向振动频率。静止在大地上的测量车辆的固有竖向振动加速度频谱图如图2所示，其竖向振动频率为1.5Hz，转动频率为2.4Hz。
步骤4：将安装有加速度传感器的测量车辆行驶到桥梁跨中驻车静止，并且车辆熄火，驻车时间可以持续3分钟，其它小型社会车辆正常行驶通过桥梁，用于激励桥梁的竖向振动。通过驻车内放置的动态数据采集仪采集静止车辆的竖向加速度时程曲线，如图3所示。本实施例用一移动车辆模型模拟小型社会车辆通过桥梁，用于激励的移动车辆模型如图1所示。静止测量车辆位于桥梁跨中与桥梁一起竖向振动，实际工程的车桥耦合振动过程中，静止车辆车轮处的桥面不平整度对静止车辆竖向振动无影响。
步骤5：选取激振卓越的部分，利用峰值拾取法等模态识别方法对驻车振动加速度时程数据进行频率识别，得到竖向振动加速度频谱图，如附图4所示。分析上述的竖向振动加速度频谱图，正常行驶的社会车辆与桥梁、测量车共同组成车桥振动系统，利用车桥耦合振动系统的桥梁加速度计算公式(1)，在频谱图中识别出桥梁基频实测值，
其中，
为在时间t时刻桥梁x位置处的竖向加速度数值；n为桥梁的模态阶数，当识别桥梁基频时，n取值为1；Δst,n为社会车辆作用下桥梁第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；L为桥梁总长度；v为激励源社会车辆的速度；mv为移动社会车辆的质量；EI为桥梁抗弯刚度。
频谱图中的峰值点对应三种频谱，分别为：驻车车辆竖向振动频率1.45Hz、驻车车辆转动频率2.55Hz和桥梁竖向振动频率4.36Hz。频谱图中包含的测量车辆的固有频率信息，可以在试验之前准确地测量出来，本实施例将测量车辆模型行驶到桥梁跨中驻车静止，驻车看做桥梁的附属构件建立车桥振动有限元模型，利用有限元方法计算出驻车和桥梁的整体理论频率信息，其驻车竖向频率为1.45Hz、驻车转动频率为2.55Hz、桥梁一阶频率为4.36Hz，排除此驻车车辆固有频率干扰后可以轻易在频谱图中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为4.36Hz。
步骤6：计算得到桥梁校验系数。由桥梁的理论频率ω1，0和桥梁实测基频ω1，t根据公式(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。
该桥的静载挠度校验系数为
利用该静载挠度校验系数可以评估桥梁的承载力。
桥梁频率与静载挠度校验系数的关系如下：
目前，通过对桥梁实施静载试验，了解桥梁实际承载力和理论承载力的差异，评估桥梁承载力改变情况，进而评价其性能的方法被认为是可靠的方法。下面以等截面简支梁为分析对象，研究其频率与挠度校验系数的关系。
如图5所示，设一抗弯刚度为EI的等截面简支梁，在C点处受一集中力F的作用，则该等截面简支梁在集中力F作用下的任意位置静力挠度表达式为：
式中：EI—梁的抗弯刚度；
l—梁的计算跨径；
x—计算点的位置；
xF—集中力作用位置；
U(x-xF)—阶跃函数，当x＜xF时，U(x-xF)＝0，当x≥xF时，U(x-xF)＝1；
其挠度校验系数为
式中：y0(x)——理论挠度
yt(x)——实际挠度
联立式(3)和式(4)可得
由等截面简支梁第i阶自振频率ωi的计算公式
其中m为梁的单位长度质量，得
式(7)中的m、L是不变量，且在桥梁静载试验中，式(5)的中括号项可视为相同。将式(7)代入式(5)并化简，得
因此，可推出频率与挠度校验系数的关系为：
式中Ωi表示第i阶动测频率校验系数。由式(9)可知，动测试验中的频率校验系数与静载挠度校验系数相等，且两者都能够反应结构承载力的变化情况，因此，基于动测频率的评价法在理论上是可行的。
采用桥梁基频校验系数代替桥梁静载挠度校验系数,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。
传统的桥梁静载试验是桥梁工程人员广泛接受并采用的现场测试方法，其通过将装满货物的卡车静止于桥梁上的指定位置，将测试仪器安装在桥梁关键构件的预定位置，记录桥梁静力测试数据，从而根据测试数据评估桥梁的承载能力和工作性能。但是此方法耗财且费时费力，对桥梁施加重车激励的过程中需要中断交通，试验效率低下。本发明所述的通过频率识别进行桥梁承载力快速评估的方法能够克服上述缺点，可实现桥梁承载力的快速评估。
Claims (4)
1.一种基于驻车振动响应的梁桥承载力快速评估方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤一：准备好相关试验仪器：动态数据采集仪、加速度传感器、笔记本电脑；
步骤二：选用合适的试验车辆，在普通地面上将加速度传感器安装在试验车辆的车体刚性部位，将加速度传感器与动态数据采集仪连接，然后激振车辆使其发生竖向振动，采集车辆的竖向振动加速度响应；
步骤三：将车辆竖向加速度时程通过模态识别方法进行频谱分析，从中识别出车辆的固有竖向振动频率；
步骤四：将安装有加速度传感器的试验车辆行驶到桥梁跨中位置后静止驻车，车辆熄火，持续3分钟；
步骤五：通过环境振动或正常行驶的社会车辆激励桥梁，引起桥梁和静止车辆的竖向振动；
步骤六：通过车内放置的动态数据采集仪采集车辆的竖向振动加速度响应，并选取激振卓越的部分进行频谱分析，得到驻车竖向振动加速度频谱图；
步骤七：分析驻车竖向振动加速度频谱图，桥面正常行驶的小型社会车辆作为激励源引起桥梁的竖向振动,利用车桥耦合振动系统的桥梁加速度计算公式(1)，在频谱图中识别出桥梁基频实测值，
其中，
为在时间t时刻桥梁x位置处的竖向加速度数值；n为桥梁的模态阶数，当识别桥梁基频时，n取值为1；Δst,n为在社会车辆作用下桥梁第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；L为桥梁总长度；v为激励源社会车辆的速度；mv为移动社会车辆的质量；EI为桥梁抗弯刚度;
步骤八：在得到桥梁的实测基频后，根据式(2)计算出桥梁静载挠度校验系数ηy(x)，从而结合现有桥梁规范可以快速评估桥梁的承载力，
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所述的基于驻车振动响应的梁桥承载力快速评估方法，其特征是：步骤二中，加速度传感器安装在车体的质心位置。
3.根据权利要求1所述的基于驻车振动响应的梁桥承载力快速评估方法，其特征是：步骤五中所述的环境振动为地脉动或风荷载或水流荷载或交通荷载。
4.根据权利要求1所述的基于驻车振动响应的梁桥承载力快速评估方法，其特征是：进行频谱分析时采用峰值拾取法或快速傅里叶变换方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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