CN111750819A

CN111750819A - 一种桥面粗糙度检测系统

Info

Publication number: CN111750819A
Application number: CN202010639709.1A
Authority: CN
Inventors: 杨永斌; 王志鲁; 王保全
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2020-07-06
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2040-07-06
Also published as: CN111750819B

Abstract

本发明提供一种桥面粗糙度检测系统，包括现场测量系统、数据分析处理平台、数据输出及显示终端；现场测量系统为两连接测量车系统，包括前后两个相互物理连接的可移动牵引车车体，每个可移动车体上安装有加速度传感器采集模块；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

与

远端数据分析处理平台接收采集信号，分析模块运行计算公式(7)以实时输出牵引车测量系统行经的桥面粗糙度；客户端实时显示出桥面粗糙度。本发明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

一种桥面粗糙度检测系统

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检测系统。

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检测系统。本发明策略为：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。本发明检测系统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：

一种桥面粗糙度检测系统，其特征在于，包括现场测量系统、数据分析处理平台、数据输出及显示终端；

所述现场测量系统为两连接测量车系统，包括前后两个相互物理连接的可移动牵引车车体，每个可移动车体上安装有加速度传感器、数据转换模块、通信模块、处理单元、电路板，加速度传感器为采集模块，采集模块、数据转换模块、通信模块通过电路板分别与处理单元连接，由处理单元管理现场测量系统；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

与

通过数据转换模块，获得采集的数字信号；

在处理单元管理下，通过通信模块向远端数据分析处理平台上传采集的数字信号；

通过数据分析处理平台，包括数据库和分析模块，数据库用于存储现场发来的采集信号，所述分析模块运行计算公式(7)以获得桥面粗糙度：

式中：

vr₁和vr₂分别为前、后两车的总时程响应；

k_v1，k_v2分别为前后两车的悬挂刚度，均为已知量；

由式(4)求得，其仅与桥梁影响线系数有关；

将实时计算得到的牵引车测量系统行经的桥面粗糙度，通过客户端实时显示出该桥面粗糙度，以及后续利用桥面粗糙度对桥面制定正确的管理政策和实施有效管理。

具体的，所述的桥面粗糙度检测系统，其特征在于，加速度传感器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。

以上系统技术方案的方法基础：

(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

与

前、后两车的动力平衡方程表示为：

(3)对步骤(2)中所得的测量车系统加速度响应

与

分别对时间t进行积分得到速度响应

与

再次积分得到位移响应

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)·m_v1g+δ₁₂(x)·m_v2g (2a)

u₂(x-d)≈δ₂₁(x-d)·m_v1g+δ₂₂(x-d)·m_v2g (2b)

式中，g为重力加速度，δ_ij(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

式中，

α＝m_v2/m_v1，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：

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：

对式(6a)两侧同时乘以

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：

vr₁和vr₂分别为前、后两车的总时程响应；k_v1，k_v2分别为前后两车的悬挂刚度，均为已知量；

可由式(4)求得，其仅与桥梁影响线系数有关。

附图说明

实施例1

图1为本发明方法原理流程示意图；

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；

实施例2

图4是本发明实施例2检测系统构成及运行原理示意图。

实施例3

图5为本发明实施例3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6为本发明实施例3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7为本发明实施例3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8为本发明实施例3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

式中，

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

而

仅仅依赖于两车在桥上的相对位置

和

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。

实施例2

实施例2是基于实施例1方法进一步给出的系统技术方案。

如图4所示：

一种桥面粗糙度检测系统，包括现场测量系统、数据分析处理平台、数据输出及显示终端；

所述现场测量系统为两连接测量车系统，包括前后两个相互物理连接的可移动牵引车车体，每个可移动车体上安装有加速度传感器、数据转换模块、通信模块、处理单元、电路板，加速度传感器为采集模块，采集模块、数据转换模块、通信模块通过电路板分别与处理单元连接，由处理单元管理现场测量系统；具体的，加速度传感器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；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

与

通过数据转换模块，获得采集的数字信号；

通过数据分析处理平台，包括数据库和分析模块，数据库用于存储现场发来的采集信号，所述分析模块运行计算公式(7)以实时输出牵引车测量系统行经的桥面粗糙度；

通过客户端实时显示出桥面粗糙度，以及后续利用桥面粗糙度对桥面制定正确的管理政策和实施有效管理。

实施例3

基于实施例1、实施例2进一步给出验证。

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m_v1＝m_v2＝1200kg，刚度k_v1＝k_v2＝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G_d(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5-图8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

1.一种桥面粗糙度检测系统，其特征在于，包括现场测量系统、数据分析处理平台、数据输出及显示终端；

与

通过数据转换模块，获得采集的数字信号；

式中：

vr₁和vr₂分别为前、后两车的总时程响应；

k_v1，k_v2分别为前后两车的悬挂刚度，均为已知量；

由式(4)求得，其仅与桥梁影响线系数有关；

2.如权利要求1所述的桥面粗糙度检测系统，其特征在于，加速度传感器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。