CN111366317B - 一种使用主动激励车辆进行梁式桥桥面板损伤检测的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于桥梁检测的技术领域，提供了一种基于振动的混凝土梁式桥桥面板的损伤检测方法。首先，通过检测车的定点扫频激励来确定检测过程中的激励频率带宽，周期和幅值。其次，根据桥梁的设计图或现场测量，确定出梁式桥主梁个数，主梁间距和桥梁跨度，进一步确定出检测车辆的检测路径。然后，测试车辆根据确定的检测路径从桥的一端移动到另一端，并收集车辆的加速度响应。最后，通过损伤检测算法对加速度进行处理实现损伤定位。算法包括以下五步：将加速度响应按照激励周期分段；对每段加速度求自功率谱；对功率谱幅值进行采样形成向量；对任意两个向量求相似系数Q形成矩阵；将矩阵与车辆定位数据结合生成桥面板损伤的结果图。

Description

一种使用主动激励车辆进行梁式桥桥面板损伤检测的方法
技术领域
本发明属于桥梁检测的技术领域，涉及基于振动的混凝土梁式桥桥面板的损伤检测方法。
背景技术
由于材料退化和车辆超载，混凝土桥面板可能会发生局部损伤，例如分层，裂缝，钢筋腐蚀和剥落等。目视检查广泛地用于检查混凝土结构的损伤。目视检查的主要缺点是，当内部已经严重损伤，可能表面上只是出现微小的裂缝。损伤可能不被发现或者造成误判。此外，在河流的桥底进行检查也非常困难。无损检测技术也可用于检测桥面板的损伤。例如：雷达(GPR),冲击回波(IE)，超声波脉冲回波(UPE)，电阻率(ER)等。对于小型且规则的结构，例如压力容器的局部损坏,无损检测技术非常有效。然而它们很难在大型土木工程结构中全面实施。
除了上述无损检测方法以外，基于振动的损伤检测方法已经被研究了很多年。在动力测试中会测到结构的固有频率，振型和阻尼。只要结构发生异常，这些模态参数的值就会变化。获得模态参数的传统振动测试通常需要在现场安装测量设备，费时费力。杨永斌提出从车辆的加速度中提取桥梁结构的固有频率和振型。该方法仅需要在车辆上安装一个传感器，简单便捷。受杨的研究启发，张尧提出了一种在车辆上施加正弦敲击力来进行损坏检测的方法。可以从车辆的加速度响应中提取振型的平方。然后，通过比较损坏前后的振型差别就可以确定局部损伤。上述研究针对的为简支梁，关注的是桥梁的低阶模态。在中小跨径桥梁中，建造了大量混凝土梁式桥。这种桥的混凝土桥面板由数个主梁支撑，桥梁的长宽比较大，已经不能看作简支梁。上述检测方法已经不适用。根据混凝土梁桥的结构特点，混凝土梁桥的振动模式可以分为两种：整体振动模态和桥面板的局部振动模态。综上所述，如何通过激发起桥面板的局部振动进行桥面板的快速检测是十分必要的。
发明内容
本发明旨在提供一种新的梁式桥桥面板的损伤检测方法，解决桥梁检测过程中的桥面板损伤的快速定位问题。
本发明的技术方案：提出了桥面板损伤检测的程序。首先，通过检测车的定点扫频激励来确定检测过程中的激励频率带宽，周期和幅值。其次，根据桥梁的设计图或现场测量，确定出梁式桥主梁个数，主梁间距和桥梁跨度，进一步确定出检测车辆的检测路径。然后，测试车辆根据检测路径从桥的一端移动到另一端，并收集车辆的加速度响应。最后，通过损伤检测算法对加速度进行处理实现损伤定位。算法包括以下五步：将加速度响应按照激励周期分段；对每段加速度求自功率谱；对功率谱幅值进行采样形成向量；对任意两个向量求相似系数Q形成矩阵；将矩阵与车辆定位数据结合生成桥面板损伤的结果图。
一种使用主动激励车辆进行梁式桥桥面板损伤检测的方法，步骤如下：
第一步，在检测之前设置激励参数
激励参数包括激励的频率带宽、周期和幅值；将测试车辆停放在两个相邻大梁的桥面板中间，然后安装在车辆上的激振器对车辆产生激励，同时，采集车辆的加速度响应；附加车辆的桥面板的振动频率fvd可从检测车辆加速度的自功率谱峰值获得；带宽的上限为频率fvd加15％-20％，带宽的下限为频率fvd减15％-20％；将车辆在一个激励周期内在桥面板上行驶的距离视为检测段；激励周期取为0.2s-0.6s；激励的幅值取决于由激振器的类型提供的激励力的范围；
第二步，确定检测路径
根据设桥梁设计图或现场测量，获取桥梁的跨度、主梁数目和两个相邻主梁的间距；将每两个相邻主梁的中心线作为检测路径，检测车辆不断往返即可完成所有路径的检测；
第三步，检测车辆行驶过桥
检测车辆根据第二步中设置的检测路径沿着两个相邻大梁的中心线从桥的一端行驶到另一端，车速为0.5m/s-1.5m/s；同时，激振器根据第一步设置的参数对车辆施加激励；通过加速度传感器同步收集车辆的加速度响应；
第四步，获得检测的可视化结果
车辆的加速度响应包含桥面板的损伤情况；响应由损伤检测算法处理，并显示损伤检测的可视化结果；该算法包括以下步骤：
步骤1，将测得的加速度信号分为相等的段，每个数据段代表一个检测段；每个段的长度与测试期间的激发周期相同，以确保每个段的激励相同；时域中的信号被分成n段；
步骤2，计算每个分段加速度响应的自功率谱，通过n个分段将获得n个自功率谱；
步骤3，以相等的间隔对每个自功率谱的幅值进行采样形成向量，获得总共n个向量；
步骤4，对于任意两个向量Vi和Vj，其Q值计算如下：
Figure BDA0002409858350000031
Q值表示两个向量之间的相似程度；通过n个向量获得一个n阶方阵，该方阵中的每个值表示任意两个检测段之间桥面振动的差异；
步骤5，输出可视化结果，在上一步中获得的方阵与车辆定位数据结合，以生成桥面板的扫描云图。
本发明的有益效果：利用主动激励的车辆激发桥面板的振动，通过损伤识别算法处理车辆上获得的加速度响应就可实现损伤的定位。主动激励检测车构造简单，加速度响应获取容易。
附图说明
图1是确定的检测路径示意图；
图2是主动激励车辆的模型；
图3是该桥的模型；
图4是在检测第一步测得的加速度响应；
图5是检测第一步车辆加速度的自功率谱；
图6是在每个车道中设置的水平分层和截面损失的损伤工况；
图7是车辆行驶过桥梁从车辆测得的典型加速度响应；
图8是水平分层(车道1，车道2)和截面损失(车道4，车道5)的可视化结果(a)车道1的云图(b)车道2的云图(c)车道4的云图(d)车道5的云图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，进一步阐明本发明的实施方式。
一座桥梁检测的数值模拟被用来验证所提出方法的有效性。梁的车道宽度为13.30m，桥面厚度为0.20m，如图3所示。桥梁的跨度为20m。横梁的数量为3，分别位于桥的末端和中间。测试车辆简化为弹簧质量阻尼系统。车身质量为400kg，车轮质量为100kg，弹簧刚度为1e6kN/m，阻尼比为0.02。在每个通道中设置水平分层和截面损失的损伤工况，如图7所示。方法具体实施方式如下：
(1)激励参数在检测前被设置。在损伤检测的第一步中，通过正弦扫频激励来获得附加车辆的桥面板频率fvd。激励参数如下：激励的总时间为5s，带宽为50Hz-150Hz，幅度为0.1kN。采集车辆的加速度响应，如图4所示。响应的自功率谱如图5所示。谱中最高峰的频率为99.71Hz，也就是fvd。周期性扫频正弦激励被施加到车辆，以在车辆行驶过桥梁期间持续地激励桥面板。激励参数如下：激励周期为0.4s，带宽为80Hz-120Hz，幅度为0.1kN。测试车辆的速度为1m/s。
(2)在测试过程中，车辆沿着两个相邻主梁的中心线行驶，如图1中箭头所指的方向。所有车道的检测均按照图1中标记的顺序进行。
(3)测试车辆根据步骤2设置的检测路径从桥的左端移动到右端。车辆的加速度响应如图7所示。
(4)在每个车道上收集的车辆的加速度响应通过损伤检测算法进行处理。图8显示了水平分层和截面损失工况的可视化结果。
对于各种不同程度和形式的损伤，可视化的结果云图在损伤对应的位置出现了异常。随着桥面板损伤程度的减小，异常的程度也减轻。由此可见，通过本发明的方法可实现桥面板损伤的定位。

Claims (1)

1.一种使用主动激励车辆进行梁式桥桥面板损伤检测的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)在检测之前设置激励参数：激励参数包括激励的频率带宽、周期和幅值；将测试车辆停放在两个相邻大梁的桥面板中间，然后安装在车辆上的激振器对车辆产生激励，同时，采集车辆的加速度响应；附加车辆的桥面板的振动频率fvd可从检测车辆加速度的自功率谱峰值获得；带宽的上限为频率fvd加15％-20％，带宽的下限为频率fvd减15％-20％；将车辆在一个激励周期内在桥面板上行驶的距离视为检测段；激励周期取为0.2s-0.6s；激励的幅值取决于由激振器的类型提供的激励力的范围；
(2)确定检测路径：根据设桥梁设计图或现场测量，获取桥梁的跨度，主梁数目和两个相邻主梁的间距；将每两个相邻主梁的中心线作为检测路径，检测车辆不断往返即完成所有路径的检测；
(3)检测车辆行驶过桥：检测车辆根据第二步中设置的检测路径沿着两个相邻大梁的中心线从桥的一端行驶到另一端，车速为0.5m/s-1.5m/s；同时，激振器根据第一步设置的参数对车辆施加激励；通过加速度传感器同步收集车辆的加速度响应；
(4)获得检测的可视化结果：车辆的加速度响应包含桥面板的损伤情况；响应由损伤检测算法处理，并显示损伤检测的可视化结果，该算法包括以下步骤：
步骤1，将测得的加速度信号分为相等的段，每个数据段代表一个检测段；每个段的长度与测试期间的激发周期相同，以确保每个段的激励相同；时域中的信号被分成n段；
步骤2，计算每个分段加速度响应的自功率谱；通过n个分段将获得n个自功率谱；
步骤3，以相等的间隔对每个自功率谱的幅值进行采样形成向量，获得总共n个向量；
步骤4，对于任意两个向量Vi和Vj，其Q值计算如下：
Figure FDA0002953207290000021
Q值表示两个向量之间的相似程度；通过n个向量获得一个n阶方阵，该方阵中的每个值表示任意两个检测段之间桥面振动的差异；
步骤5，输出可视化结果；在上一步中获得的方阵与车辆定位数据结合，以生成桥面板的扫描云图。
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