CN111750810B - 一种基于两连接测量车振动信号的桥面粗糙度识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于两连接测量车接触点位移影响线的桥面粗糙度识别方法。本发明方法策略为：从车辆响应中消除桥梁竖向位移，以获得“纯净”的路面粗糙度信息，实现对桥面粗糙度的精准识别。核心思想为：基于影响线原理与前、后两车空间位置关系，建立前、后车接触点处桥梁竖向位移u1(x‑d)和u2(x‑d)的近似相关关系(定义为“静态相关系数”)，其可为桥梁竖向位移和桥面粗糙度的解耦提供附加约束条件，以此从前、后两车体响应中消除桥梁竖向位移，达到精准识别路面粗糙度的目的。该方法可替代传统且昂贵的仪器设备，实现对桥梁路面状况的快速检测，且有效避免封路作业带来的交通堵塞。

Description

一种基于两连接测量车振动信号的桥面粗糙度识别方法
技术领域
本发明属于桥梁维护管理技术领域，具体涉及一种基于两连接测量车系统接触点位移影响线的桥面粗糙度识别方法。
背景技术
路面粗糙度是桥梁表面相对于理想光滑平面的偏差，是影响车桥系统耦合振动的决定性因素。一方面，它会作用于桥上车辆，使其产生振动响应，特别是竖向振动，影响车辆运行平稳性和安全性；另一方面，被激起的车辆震荡又会反作用于桥梁，放大桥梁结构动力效应。随着服役时间增长、交通载荷日趋密集且超载现象频发、环境侵蚀等不利情况的积累，桥梁路面会持续恶化，增大交通事故风险。因此，路面粗糙度已成为桥梁维护管理的重要量测指标之一，其对于评估服役桥梁的路面质量与行车舒适度、评估车辆疲劳荷载的统计变异性、减少车辆的滚动摩阻力以降低其零部件磨损等具有重要意义。
目前，对于桥面粗糙度的量测，无异于道路路面粗糙度的量测，使用最为普遍的方法是“直接量测”。总体上来讲，“直接量测”方法可分为两类：(1)基于视觉的主观检查；(2)基于量测设备的量测。然而，直接量测方法存在以下问题：(1)基于视觉的主观检查，具有较强的主观性，在很大程度上依赖于检查者的经验水平等；(2)借助量测设备的量测方法，通常涉及到诸多量测设备，如激光轮廓仪、激光雷达系统、机载激光扫描仪等，这些专业量测设备的应用受限于其高昂的成本及专业化的操作技术，无法进行普适性的测量，难以有效解决我国数十万公路桥梁的极大需求。
最接近现有技术：
近年来，基于车辆响应的路面粗糙度测量方法应运而生，也称“间接测量法”。其工作原理是通过将加速度传感器安装于测量车上，当测量车驶过待测路面时，由于受路面粗糙度激励，车载传感器拾取信号中势必包含有粗糙度信息，通过信号处理可获取路面粗糙度信息。该方法由于具有快速、经济、易于操作、机动性强等特点而受到世界各地学者的青睐，其有效性与高效性得到了充分验证。
发明内容
最接近现有的只适用于识别常规道路的路面粗糙度方法，无法准确用于识别桥梁路面的粗糙度。其原因是，由于车桥耦合效应，车辆响应中不仅包含路面粗糙度信息，也包含桥梁的竖向振动位移，而后者阻止了采用传统方法胜任精确识别桥梁路面粗糙度的可能。
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于两连接测量车接触点位移影响线的桥面粗糙度识别方法。本发明方法策略为：从车辆响应中消除桥梁竖向位移，以获得“纯净”的路面粗糙度信息，实现对桥面粗糙度的精准识别。
核心思想为：基于影响线原理与前、后两车空间位置关系，建立前、后车接触点处桥梁竖向位移u1(x-d)和u2(x-d)的近似相关关系(定义为“静态相关系数”)，其可为桥梁竖向位移和桥面粗糙度的解耦提供附加约束条件，以此从前、后两车体响应中消除桥梁竖向位移，达到精准识别路面粗糙度的目的。该方法可替代传统且昂贵的仪器设备，实现对桥梁路面状况的快速检测，且有效避免封路作业带来的交通堵塞。
需要保护的技术方案：
为实现上述目的，本发明采用的方法技术方案：
一种基于两连接测量车振动信号的桥面粗糙度识别方法，其特征在于，包含如下步骤：
(1)安装两连接测量车系统加速度传感器：将加速度传感器S1、S2分别固定于前后两车轮轴中心正上方的车厢位置或分别固定于前后两车轮轴中心位置；
(2)牵引车设备提供系统动力，拉动两连接的测量车系统匀速行驶过待测桥梁，信号采集系统分别采集测量车系统所包含的前后两个单轴车过桥过程中的竖向加速度响应
Figure GDA0003100516650000021
与
Figure GDA0003100516650000022
前、后两车的动力平衡方程表示为：
Figure GDA0003100516650000023
Figure GDA0003100516650000024
(3)对步骤(2)中所得的测量车系统加速度响应
Figure GDA0003100516650000025
与
Figure GDA0003100516650000026
分别对时间t进行积分得到速度响应
Figure GDA0003100516650000027
与
Figure GDA0003100516650000028
再次积分得到位移响应
Figure GDA0003100516650000029
与y2(t)；
(4)测量车系统质量相对于桥梁质量，移动车辆引起的桥梁接触点动力位移与车体重力作用产生的静力位移近似相等，表示为：
u1(x)≈δ11(x)·mv1g+δ12(x)·mv2g (2a)
u2(x-d)≈δ21(x-d)·mv1g+δ22(x-d)·mv2g (2b)
式中，g为重力加速度，δij(λ)表示影响线系数；
据上式建立前、后车体接触点桥梁位移响应u1(x-d)和u2(x-d)之间的相关函数关系，即静态相关系数
Figure GDA0003100516650000031
Figure GDA0003100516650000032
式中，
Figure GDA0003100516650000033
α＝mv2/mv1，为前、后车质量比；
将式(3)代入式(1)，消除未知量u2(x-d)，如下：
Figure GDA0003100516650000034
Figure GDA0003100516650000035
对方程组(5)进行数学变换，如下：
Figure GDA0003100516650000036
Figure GDA0003100516650000037
对式(6a)消除桥梁位移u1(x-d)，最终获得桥面粗糙度：
Figure GDA0003100516650000038
vr1和vr2分别为前、后两车的总时程响应；
kv1，kv2分别为前后两车的悬挂刚度，均为已知量；
Figure GDA0003100516650000039
由式(4)求得，其与桥梁影响线系数有关。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为本发明方法的两连接测量车系统及传感器布置方案；
图3为本发明实施例1中用于理论验证的两连接测量车系统力学模型；
图4为本发明实施例1中基于两连接测量车系统接触点位移影响线所得到的简支梁桥B级路面粗糙度识别图；
图5为本发明实施例1中基于两连接测量车系统接触点位移影响线所得到的简支梁桥D级路面粗糙度识别图；
图6为本发明实施例1中基于两连接测量车系统接触点位移影响线所得到的三跨连续梁桥B级路面粗糙度识别图；
图7为本发明实施例1中基于两连接测量车系统接触点位移影响线所得到的三跨连续梁桥D级路面粗糙度识别图；
具体实施方式
以下通过实施例和附图对本发明技术方案做进一步详细说明。
实施例1
一种基于两连接测量车振动信号的桥面粗糙度识别方法，其特征在于，包含如下步骤：
(1)安装两连接测量车系统加速度传感器：将加速度传感器S1、S2分别固定于前后两车轮轴中心正上方的车厢位置(或分别固定于前后两车轮轴中心位置)，见附图2；
(2)牵引车设备提供系统动力，拉动两连接的测量车系统匀速行驶过待测桥梁，信号采集系统分别采集测量车系统所包含的前后两个单轴车过桥过程中的竖向加速度响应
Figure GDA0003100516650000041
与
Figure GDA0003100516650000042
前、后两车的动力平衡方程表示为：
Figure GDA0003100516650000043
Figure GDA0003100516650000044
(3)对步骤(2)中所得的测量车系统加速度响应
Figure GDA0003100516650000045
与
Figure GDA0003100516650000046
分别对时间t进行积分得到速度响应
Figure GDA0003100516650000047
与
Figure GDA0003100516650000048
再次积分得到位移响应
Figure GDA0003100516650000049
与y2(t)；上两式中包含三个未知量，u1(x-d),u2(x-d),和r(x-d)。为求得桥面粗糙度r(x-d)，须建立u1(x-d)和u2(x-d)之间的相关性，此为本发明的核心。
(4)由于测量车系统质量远小于桥梁质量，移动车辆引起的桥梁接触点动力位移与车体重力作用产生的静力位移近似相等，表示为：
u1(x)≈δ11(x)·mv1g+δ12(x)·mv2g (2a)
u2(x-d)≈δ21(x-d)·mv1g+δ22(x-d)·mv2g (2b)
式中，g为重力加速度，δij(λ)表示影响线系数。
据上式可建立前、后车体接触点桥梁位移响应u1(x-d)和u2(x-d)之间的相关函数关系，即静态相关系数
Figure GDA0003100516650000051
Figure GDA0003100516650000052
式中，
Figure GDA0003100516650000053
α＝mv2/mv1，为前、后车质量比。
将式(3)代入式(1)，可消除未知量u2(x-d)，如下：
Figure GDA0003100516650000054
Figure GDA0003100516650000055
此时，方程组(5)中包含两独立未知量u1(x-d)和r(x-d)，其与约束方程数量一致，即方程组为满秩，可求得未知量r(x-d)的唯一解。
对方程组(5)进行数学变换，如下：
Figure GDA0003100516650000056
Figure GDA0003100516650000057
对式(6a)两侧同时乘以
Figure GDA0003100516650000058
然后减去式(6b)，即可消除桥梁位移u1(x-d)，最终获得桥面粗糙度：
Figure GDA0003100516650000059
vr1和vr2分别为前、后两车的总时程响应；kv1，kv2分别为前后两车的悬挂刚度，均为已知量；
Figure GDA00031005166500000510
可由式(4)求得，其仅与桥梁影响线系数有关。
理论验证
本发明的可行性将通过以下等效的力学模型进行理论推导验证，如下图3所示
Figure GDA00031005166500000511
式中，
Figure GDA0003100516650000061
Figure GDA0003100516650000062
由上述表达式可见，桥面粗糙度的识别仅仅取决于测量车系统前后两车响应vr1，vr2及前后两接触点响应之间的相关系数
Figure GDA0003100516650000063
而
Figure GDA0003100516650000064
仅仅依赖于两车在桥上的相对位置
Figure GDA0003100516650000065
和
Figure GDA0003100516650000066
与桥梁的动态参数无关，本发明方法可用于测取在役桥梁的路面粗糙度。所述动态参数，本领域即为桥梁的物理参数，如刚度EI，质量m等，这些参数较难从服役中的桥梁中获得。
数值验证
算例参数
桥梁跨度L＝25m，桥梁的单位长度质量为m＝4800kg/m，弹性模量E＝27.5GPa，截面惯性矩I＝0.12m4。测量车的参数如下：车体质量mv1＝mv2＝1200kg，刚度kv1＝kv2＝50kN/m，车体运行速度为v＝5m/s。
本实施算例中待识别的真实路面粗糙度采用国际化标准组织(ISO)标准建议的功率谱密度函数(PSD)模拟，各级功率谱密度函数值Gd(n0)取值分别为：A级：16×10-6m3；B级：64×10-6m3；C级：256×10-6m3；D级：1024×10-6m3；E级：4096×10-6m3。
为验证本发明方法对于不同等级的路面粗糙度与不同结构形式的桥梁均有效，对如下四种工况下的桥面粗糙度识别进行了模拟：
工况一：简支梁桥B级路面粗糙度；
工况二：简支梁桥D级路面粗糙度；
工况三：三跨连续梁桥B级路面粗糙度；
工况四：三跨连续梁桥D级路面粗糙度；
数值结果分析
从图4-图7中可以看出，无论是简支梁桥还是连续梁桥，对B级，D级两种不同等级路面粗糙度均有比较好的识别结果，与真实值比较，误差仅在0值附近有轻微的波动。在整个识别过程中仅仅利用了两连接测量车系统的车体响应。因此，对于本发明所提出的方法，不限于桥梁的结构形式以及路面粗糙度的程度，只要求得了待测桥梁的接触点位移影响线，利用两连接测量车系统的车体响应，就可以较高精度地识别得到待测桥梁的路面粗糙度。

Claims (1)

1.一种基于两连接测量车振动信号的桥面粗糙度识别方法，其特征在于，包含如下步骤：
(1)安装两连接测量车系统加速度传感器：将加速度传感器S1、S2分别固定于前后两车轮轴中心正上方的车厢位置或分别固定于前后两车轮轴中心位置；
(2)牵引车设备提供系统动力，拉动两连接的测量车系统匀速行驶过待测桥梁，信号采集系统分别采集测量车系统所包含的前后两个单轴车过桥过程中的竖向加速度响应
Figure FDA0003100516640000011
Figure FDA0003100516640000012
与
Figure FDA0003100516640000013
前、后两车的动力平衡方程表示为：
Figure FDA0003100516640000014
Figure FDA0003100516640000015
x表示前车驶于桥梁上的位置；d表示前车与后车之间的距离；v表示车体运行速度；t表示车体行驶于桥梁上的时间；
(3)对步骤(2)中所得的测量车系统加速度响应
Figure FDA0003100516640000016
与
Figure FDA0003100516640000017
分别对时间t进行积分得到速度响应
Figure FDA0003100516640000018
与
Figure FDA0003100516640000019
再次积分得到位移响应
Figure FDA00031005166400000110
与y2(t)；
(4)测量车系统质量相对于桥梁质量，移动车辆引起的桥梁接触点动力位移与车体重力作用产生的静力位移近似相等，表示为：
u1(x)≈δ11(x)·mv1g+δ12(x)·mv2g (2a)
u2(x-d)≈δ21(x-d)·mv1g+δ22(x-d)·mv2g (2b)
式中，g为重力加速度，δij(λ)表示影响线系数；
据上式建立前、后车体接触点桥梁位移响应u1(x-d)和u2(x-d)之间的相关函数关系，即静态相关系数
Figure FDA00031005166400000111
Figure FDA00031005166400000112
式中，
Figure FDA00031005166400000113
α＝mv2/mv1，为前、后车质量比；
将式(3)代入式(1)，消除未知量u2(x-d)，如下：
Figure FDA0003100516640000021
Figure FDA0003100516640000022
对方程组(5)进行数学变换，如下：
Figure FDA0003100516640000023
Figure FDA0003100516640000024
对式(6a)消除桥梁位移u1(x-d)，最终获得桥面粗糙度：
Figure FDA0003100516640000025
vr1和vr2分别为前、后两车的总时程响应；
kv1，kv2分别为前后两车的悬挂刚度，均为已知量；
Figure FDA0003100516640000026
由式(4)求得，其与桥梁影响线系数有关。
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