CN111735591A - 一种桥梁动态变形测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种桥梁动态变形测量方法，该方法包括在桥面放置N组测试单元进行加速度测量，每组单元包括一个拾震器和一个倾角传感器，根据每一时间点倾角传感器的测得的倾角修正该时间点拾震器测得的加速度。通过无车辆运行状态下的修正加速度时程得到精度较低的阵型向量和自振频率。在每一个时间步中，将有无车辆运行的修正加速度做差，得到移动荷载引起的加速度时程曲线，滤波并积分得到位移时程曲线。基于精度较低的阵型向量和测点位移求解得到各阵型参与系数。最终通过无车和有限元计算得到精度更高的阵型向量，结合该参与系数从而得到更加精确的桥梁动态变形测量结果。

Description

一种桥梁动态变形测量方法

技术领域：

本发明涉及土木工程领域，具体是一种桥梁动态变形测量方法。

背景技术：

桥梁的动态挠度变形是桥梁动力响应分析和检测的重要内容。近年来，桥梁动态测量方法有了很大突破，基于加速度传感器、百分表、液体连通管、GPS、倾角传感器、图像测量的方法均得到了应用，但每一种方法均存在局限性，仅适用于特定几种桥型，难以满足不同桥型的不同测量要求。

且随着桥梁健康监测的发展，桥梁动态挠度的长期监控成为重点，精度更高、计算更加稳定的方法日益重要。其中基于加速度传感器或倾角传感器的动态挠度测量方法，不仅可满足长期监控的需要，而且不受日光、雨雾等天气影响，布置灵活适用范围广。基于加速度传感器的动态挠度测量方法原理是通过对加速度二次积分得到测量点的位移然后通过拟合得到整桥变形，该易受杂波影响，零点加速度至关重要；基于倾角传感器的动态挠度测量方法原理为采用最小二乘法拟合得到该跨桥梁的挠度曲线，最后将各跨桥梁的挠度曲线累加在一起，得到所测桥梁的挠度曲线方程。杨小森《基于倾角仪的桥梁挠度测试方法研究》中提出了一种将基于倾角仪和振型分解法的桥梁结构挠度测试方法，但其振型主要来自于纯有限元求解。

本发明提出的专利原理结合了上述两种测量方法测量方法：1、首先通过无车加速度测量的方法得到了精度较低的较低的自振频率及其振型向量，解决了振型全部靠有限元求解的限制；2、然后通过设置零点加速度并滤波的方法，通过低频加速度传感器(拾震器)得到了有车辆荷载时精度更高的测点位移值；3、根据无车辆荷载下测得的n阶振型和车辆运行状态下n个测点动态位移可求得测量过程中任意时刻的振型参与系数；4、最后结合加速度传感器测的自振频率及其振型向量，通过精细化有限元方法，得到精度更高的振型向量，结合振型参数系数，求得精度更高的动态挠度。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，实现上述方案，本发明提供一种桥梁动态变形测量方法。

技术方案：本发明的一种桥梁动态变形测量方法，包括以下步骤：

S1：在桥面放置N组测量单元进行测点加速度测量，每一组测量单元包括一个拾震器和一个倾角传感器；

S2：无车辆运行时，测量得到加速度和倾角时程曲线，测量时间为t，测量频率为f；根据每一时间点倾角传感器的测得的倾角修正该时间点拾震器测得的加速度，得到n组修正后加速度时程曲线，然后对修正后的加速度进行频谱特性分析得到桥梁竖直方向的n阶自振频率及其振型向量；

S3：在有车辆运行时，保持该N个测点不变，测得在车辆荷载作用下的加速度和倾角时程曲线，测量时间为t，根据在车辆荷载作用下每一时间点倾角传感器的测得的倾角修正该时间点拾震器测得的加速度，得到车辆荷载作用下的倾角传感器修正后的加速度时程曲线；

S4：在每一个时间步中，用步骤S3中得到的车辆荷载作用下的修正加速度减去步骤S2中无车辆运行时修正后的加速度，从而得到时间t内由移动荷载引起的加速度时程曲线，滤波后积分得到N个测点的动态位移变化；

S5：输入某一时间点的N个位移以及求得的N个振型向量，求得不同振型的参与系数；

S6：结合无车辆运行得到的自振频率和有限元结算结果，得到精度更高的振型向量，带入振型参与系数，得到更加精确的桥梁动态变形测量结果。

进一步地，步骤S1中所述测量单元在桥台或桥墩处必须布置测点，且保证每跨不少于3个测点。

进一步地，步骤S2中，根据无车辆运行时的倾角传感器数值[θ]，即该测量点位置桥面与竖直向夹角，对拾震器侧得的该测量点桥面的竖向加速度[a]进行修正，得到修正后的加速度[A]时程曲线：

[A]＝[a]·*sin[θ]

其中[a]、[A]均为n×(t·f)阶向量，[θ]为n×(t·f)阶向量。

根据加速度时程曲线[A]，通过频谱特性分析和得到桥梁的n阶自振频率和振型向量[X]＝[X1，X2，X3，X4，…，X_n]：

其中[x_n，y_n，…，z_n]分别为相对于某一固定点加速度的振幅比值，当相位角相差为180度时需乘以-1。

进一步地，步骤S3中，根据有车辆运行时倾角传感器数值[θ’],即该测量点位置桥面与竖直向夹角，对拾震器侧得的竖向加速度[a’]进行修正，得到修正后的加速度[A’]时程曲线：

[A’]＝[a’]·*sin[θ’]

其中[a’]、[A’]均为n×(t·f)阶向量，[θ’]为n×(t·f)阶向量。

进一步地，步骤S4中，用车辆荷载作用下的倾角传感器修正加速度[A’]相应减去无车辆运行时倾角传感器修正的加速度响应[A]并积分得到N个测点的动态位移变化[D]：

其中[D]为1×n阶向量。

进一步地，步骤S5中，根据S2中的振型向量[X]以及S4中的N个测点动态位移变化[D]带入下式，求得各振型参与系数[α]：

[D]＝[α]·[X]

其中[α]为1×n阶向量。

进一步地，步骤S6中，结合S3中得到的n阶自振频率和振型向量和有限元计算结果，得到更加精确的振型向量[X’]，结合S5中计算得到的振型参与系数求得精度更高的、覆盖测点更多的桥梁动态位移[D’]：

[D’]＝[α]·[X’]

其中[α]为1×n阶向量，[X’]为n×N阶向量，且n<<N。

有益效果：本发明具有以下有益效果：

本发明有效简化了桥梁动态变形测量方法，仅通过两次拾震器和倾角传感器动态测量结果即可得到桥梁的动态变形，操作方便；引入了“零点加速度”的改变，减小了环境激励的误差，提高了位移测量精度；根据无车辆荷载下测得的N阶振型和车辆运行状态下N个测点动态位移可求得测量过程中任意时刻的振型参与系数，使测量结果更加真实可靠。

附图说明

图1为本发明中桥梁动态变形测量方法的流程图；

图2为测点布置示意图；

图3为拾震器加速度修正示意图；

图4为无车辆运行时修正后的加速度时程曲线示意图；

图5为频谱分析得到的振型向量示意图；

图6为车辆运行时修正后的加速度时程曲线示意图；

图7为动态位移示意图；

图8为有限元得到的精度更高的振型向量示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。

如图1所示，本发明的本发明的一种桥梁动态变形测量方法，包括以下步骤：

S1：在桥面放置N组测量单元进行测点加速度测量，每一组测量单元包括一个拾震器和一个倾角传感器，如图2中所示；

S2：无车辆运行时，测量得到加速度和倾角时程曲线，测量时间为t(t>500s)，测量频率为f；根据每一时间点倾角传感器的测得的倾角修正该时间点拾震器测得的加速度(见图3)，得到n组修正后加速度时程曲线，如图4所示，然后对修正后的加速度进行频谱特性分析得到桥梁竖直方向的n阶自振频率及其振型向量，如图5所示；

S3：在有车辆运行时，保持该N个测点不变，测得在车辆荷载作用下的加速度和倾角时程曲线，测量时间为t(t>500s)，根据在车辆荷载作用下每一时间点倾角传感器的测得的倾角修正该时间点拾震器测得的加速度，得到车辆荷载作用下的倾角传感器修正后的加速度时程曲线，如图6所示；

S4：在每一个时间步中，用步骤S3中得到的车辆荷载作用下的修正加速度减去步骤S2中无车辆运行时修正后的加速度，从而得到时间t内由移动荷载引起的加速度时程曲线，滤波后积分得到N个测点的动态位移变化(见图7)；

S5：输入某一时间点的N个位移以及求得的N个振型向量，求得不同振型的参与系数；

S6：结合无车辆运行得到的自振频率和有限元结算结果，得到精度更高的振型向量，如图8所示，带入振型参与系数，得到更加精确的桥梁动态变形测量结果。

步骤S1中所述测量单元在桥台或桥墩处必须布置测点，且保证每跨不少于3个测点。

步骤S2中，根据无车辆运行时的倾角传感器数值[θ]，即该测量点位置桥面与竖直向夹角，对拾震器侧得的该测量点桥面的竖向加速度[a]进行修正，得到修正后的加速度[A]时程曲线：

[A]＝[a]·*sin[θ]

其中[a]、[A]均为n×(t·f)阶向量，[θ]为n×(t·f)阶向量。

根据加速度时程曲线[A]，通过频谱特性分析和得到桥梁的n阶自振频率和振型向量[X]＝[X1，X2，X3，X4，…，X_n]：

其中[x_n，y_n，…，z_n]分别为相对于某一固定点加速度的振幅比值，当相位角相差为180度时需乘以-1。

步骤S3中，根据有车辆运行时倾角传感器数值[θ’],即该测量点位置桥面与竖直向夹角，对拾震器侧得的竖向加速度[a’]进行修正，得到修正后的加速度[A’]时程曲线：

[A’]＝[a’]·*sin[θ’]

其中[a’]、[A’]均为n×(t·f)阶向量，[θ’]为n×(t·f)阶向量。

步骤S4中，用车辆荷载作用下的倾角传感器修正加速度[A’]相应减去无车辆运行时倾角传感器修正的加速度响应[A]并积分得到N个测点的动态位移变化[D]：

其中[D]为1×n阶向量。

步骤S5中，根据S2中的振型向量[X]以及S4中的N个测点动态位移变化[D]带入下式，求得各振型参与系数[α]：

[D]＝[α]·[X]

其中[α]为1×n阶向量。

步骤S6中，结合S3中得到的n阶自振频率和振型向量和有限元计算结果，得到更加精确的振型向量[X’]，结合S5中计算得到的振型参与系数求得精度更高的、覆盖测点更多的桥梁动态位移[D’]：

[D’]＝[α]·[X’]

其中[α]为1×n阶向量，[X’]为n×N阶向量，且n<<N。

以上所述的具体实施操作方法，对本发明的技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述为本发明具体实施方式，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种桥梁动态变形测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在桥面放置N组测量单元进行测点加速度测量，每一组测量单元包括一个拾震器和一个倾角传感器；

S2：无车辆运行时，测量得到加速度和倾角时程曲线，测量时间为t，测量频率为f；根据每一时间点倾角传感器的测得的倾角修正该时间点拾震器测得的加速度，得到n组修正后加速度时程曲线，然后对修正后的加速度进行频谱特性分析得到桥梁竖直方向的n阶自振频率及其振型向量；

S3：在有车辆运行时，保持该N个测点不变，测得在车辆荷载作用下的加速度和倾角时程曲线，测量时间为t，根据在车辆荷载作用下每一时间点倾角传感器的测得的倾角修正该时间点拾震器测得的加速度，得到车辆荷载作用下的倾角传感器修正后的加速度时程曲线；

S4：在每一个时间步中，用步骤S3中得到的车辆荷载作用下的修正加速度减去步骤S2中无车辆运行时修正后的加速度，从而得到时间t内由移动荷载引起的加速度时程曲线，滤波后积分得到N个测点的动态位移变化；

S5：输入某一时间点的N个位移以及求得的N个振型向量，求得不同振型的参与系数；

S6：结合无车辆运行得到的自振频率和有限元结算结果，得到精度更高的振型向量，带入振型参与系数，得到更加精确的桥梁动态变形测量结果。

2.根据权利要求1所述的一种桥梁动态变形测量方法，其特征在于：步骤S1中所述测量单元在桥台或桥墩处必须布置测点，且保证每跨不少于3个测点。

3.根据权利要求1所述的一种桥梁动态变形测量方法，其特征在于：步骤S2中，根据无车辆运行时的倾角传感器数值[θ]，即该测量点位置桥面与竖直向夹角，对拾震器侧得的该测量点桥面的竖向加速度[a]进行修正，得到修正后的加速度[A]时程曲线：

[A]＝[a]·*sin[θ]

其中[a]、[A]均为n×(t·f)阶向量，[θ]为n×(t·f)阶向量。

根据加速度时程曲线[A]，通过频谱特性分析和得到桥梁的n阶自振频率和振型向量[X]＝[X1，X2，X3，X4，…，X_n]：

其中[x_n，y_n，…，z_n]分别为相对于某一固定点加速度的振幅比值，当相位角相差为180度时需乘以-1。

4.根据权利要求1所述的一种桥梁动态变形测量方法，其特征在于：步骤S3中，根据有车辆运行时倾角传感器数值[θ’],即该测量点位置桥面与竖直向夹角，对拾震器侧得的竖向加速度[a’]进行修正，得到修正后的加速度[A’]时程曲线：

[A’]＝[a’]·*sin[θ’]

其中[a’]、[A’]均为n×(t·f)阶向量，[θ’]为n×(t·f)阶向量。

5.根据权利要求1所述的一种桥梁动态变形测量方法，其特征在于：步骤S4中，用车辆荷载作用下的倾角传感器修正加速度[A’]相应减去无车辆运行时倾角传感器修正的加速度响应[A]并积分得到N个测点的动态位移变化[D]：

其中[D]为1×n阶向量。

6.根据权利要求1所述的一种桥梁动态变形测量方法，其特征在于：步骤S5中，根据S2中的振型向量[X]以及S4中的N个测点动态位移变化[D]带入下式，求得各振型参与系数[α]：

[D]＝[α]·[X]

其中[α]为1×n阶向量。

7.根据权利要求1所述的一种桥梁动态变形测量方法，其特征在于：步骤S6中，结合S3中得到的n阶自振频率和振型向量和有限元计算结果，得到更加精确的振型向量[X’]，结合S5中计算得到的振型参与系数求得精度更高的、覆盖测点更多的桥梁动态位移[D’]：

[D’]＝[α]·[X’]

其中[α]为1×n阶向量，[X’]为n×N阶向量，且n<<N。

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