CN112085354B - 一种基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断方法。步骤1：根据实际桥梁的结构特点，制定测点布设方案；步骤2：根据识别的冲刷深度需求，制定车激动力试验方案；步骤3：进行冲刷前的桥梁结构动力试验；步骤4：进行冲刷后的桥梁结构动力试验；步骤5：冲刷初步诊断；步骤6：单参考点确定冲刷墩位；步骤7：多参考点确定冲刷墩位；步骤8：确定是否为均匀冲刷；针对步骤7中判别为冲刷状态改变的墩位进行横向的相关性分析。本发明为了解决现有的多种桥墩冲刷检测方法依赖于前后试验条件一致，且检测时试验条件受限、受环境影响较大的问题。

Description

一种基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断 方法

技术领域

本发明属于桥梁基础试验检测与安全状态评估的技术领域；具体涉及一种基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断方法。

背景技术

桥梁运营过程中，相较于桥梁的上部结构，下部结构的工作环境更为复杂和恶劣，不仅直接承受上部结构的自重、来往车辆的反复冲击，还要承受流水的冲刷作用、船只漂浮物撞击等外界作用。加之近几年来日益增长的交通量、超载车辆等不利作用，下部结构容易出现不同程度的损伤。其中桥墩基础冲刷是改变桥梁基础特性，致使桥梁坍塌的主要原因。因此，对桥梁基础冲刷状态的定期安全检测与评估，快速高效地判断桥梁墩基有无冲刷、冲刷位置及其冲刷程度，及时采取必要的维修加固措施具有重要的现实意义。

目前，基础冲刷监测方法主要还是基于传统的声纳探测技术、雷达探测技术、时域反射仪，检测设备昂贵，受环境干扰大。现阶段的动力识别法已有了较多的研究成果，但直接采用动力模态进行冲刷识别的方法面临着实验条件受限、环境影响较大的问题，分析误差不可忽略；而基于动力响应的识别方法，其用于冲刷诊断的指标依赖于前后试验条件一致，但实际工程中，多数桥梁检测难以保证两次实验的条件完全一致。

因此，提供一种无需进行复杂且精度误差较大的模态识别过程，可容许冲刷前后试验测试参数和条件适当变化的桥梁基础冲刷诊断检测方法是十分必要的。

发明内容

本发明为了解决现有的多种桥墩冲刷检测方法依赖于前后试验条件一致，且检测时试验条件受限、受环境影响较大的问题，提出了基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断方法，所述桥梁基础冲刷诊断方法包括以下步骤：

步骤1：根据实际桥梁的结构特点，制定测点布设方案；

步骤2：根据识别的冲刷深度需求，确定车激动力试验中各试验条件的变化范围；

步骤3：进行冲刷前的桥梁结构动力试验；在竣工时，将步骤2中设定范围内的试验条件分成几个水平，采用正交实验设计方法组合各个水平的试验条件，设定其中一个组合为标准试验条件；改变试验条件，进行多次试验，测量各测点的纵向动力响应信号，选取自由衰减段进行计算，得到以各测点为参考点的相关函数幅值向量CorV；

步骤4：进行冲刷后的桥梁结构动力试验；桥梁开始运营后，每隔一年，根据步骤2制定的试验方案开展动力试验，测量各测点的纵向动力响应信号，选取自由衰减段进行计算，得到以各测点为参考点的相关函数幅值向量CorV_d；

步骤5：冲刷初步诊断；依次以布设的测点为参考点，以冲刷前实测所得的CorV为基准，分别计算冲刷前后的初判指标：CVAC，D_CorV进行冲刷初判，若CVAC小于基准值CVAC₀，或者D_CorV中向量因子d大于基准值d₀时初步判定桥梁基础存在冲刷，且冲刷位置为该向量因子对应测点所在墩位；

步骤6：单参考点确定冲刷墩位；计算各测点的D^* _CorV0向量；当向量因子d^*大于基准值时存在冲刷工况，且冲刷位置为该向量因子对应测点所在墩位；若是第一次诊断为冲刷则无此步骤；

步骤7：多参考点确定冲刷墩位；将步骤6中的检测结果进行统计分析，

步骤8：确定是否为均匀冲刷；针对步骤7中判别为冲刷状态改变的墩位进行横向的相关性分析；计算指标k_h，若k_h>1％，则认为该墩位发生的是不均匀冲刷。

进一步的，所述步骤1中的测点布置遵循以下原则：

步骤1.1：CorV中各向量因子对应的测点响应与参考点响应间应该有较强的相关性，选取响应较大的点可以减小诊断失误的概率；

步骤1.2：选取信噪比较高的测点作为参考点可以有效减少噪声的干扰；

步骤1.3：可先建立有限元模型对结构进行模态分析，将测点布置在冲刷敏感的模态节点上；

步骤1.4：尽可能多在桥墩上布置测点。

进一步的，所述步骤2中冲刷前的试验条件与步骤3中的标准实验条件相同。

进一步的，所述步骤3具体为，以标准试验条件下的CorV为基准，计算不同实验条件下的CVAC、D_CorV，取具有95％保证率的值作为基准值CVAC₀、d₀，各指标定义如下：

CorV＝[r_1k,r_2k,r_3k,···,r_nk] (2)

D_CorV＝[d_1k,d_2k,d_3k,···,d_nk] (5)

式中，

为测点i与参考点k的的互相关函数幅值；CorV为按模归一化处理后的相关函数幅值向量；CorV、CorV_d分别为标准试验条件下和其他条件试验下的互相关函数幅值向量。

进一步的，所述步骤5具体为，将第一次诊断为冲刷的D_CorV进行归一化处理，作为基准值D^* _CorV0；

进一步的，所述步骤7具体为，计算得到统计评估指标p_i，当p_i>90％时，确定该墩位冲刷状态发生了改变；

式中，n_i为第i个墩位桩基被检测识别为受冲刷桥墩的次数，N为总的检测次数，即所选参考点数。

进一步的，所述步骤8具体为，并同样采用式(8)计算统计评估指标p_hi进行统计分析；

D_CorVh＝[d_1k,d_2k,d_3k,···,d_nk] (9)

k_h＝d_max-d_min (10)

式中，k为参考点，n为横桥向上与参考点同一墩位同一水平的测点；d_max、d_min为D_CorVh向量中的最大值和最小值。

进一步的，所述步骤2中车激动力试验的外激励为车辆制动激励。

本发明的有益效果是：

本发明涉及基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断方法，本发明可容许冲刷前后试验参数和条件在控制范围内变化。本发明具有可嵌入常规桥梁荷载试验同步开展、过程简便易行的特点，可实现多点检测，能够准确诊断出冲刷墩位，评估桥梁基础的健康状态。

附图说明

图1是基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断方法；

图2是实施方案的桥梁布置图：图2-(a)立面布置图；图2-(b)横断面布置图；

图3是第1跨桥梁测点布设示意图；

图4是以9号测点为参考点时，各工况D_CorV指标计算结果示意图；

图5是以9号测点为参考点时，各工况D^* _CorV指标计算结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断方法，所述的桥梁基础冲刷诊断方法包括以下步骤：

步骤1：根据实际桥梁的结构特点，制定测点布设方案；

步骤2：根据识别的冲刷深度需求，确定车激动力试验中各试验条件的变化范围；将前后两次试验条件控制在一定变化范围内；

步骤3：进行冲刷前的桥梁结构动力试验；在竣工时，将步骤2中设定范围(设定范围需要根据所需识别的冲刷深度来设定，比如给的例子是能够识别0.4m以上的冲刷深度，如果需要识别更小的冲刷深度，那么设定的范围就需要更小一些)内的试验条件分成几个水平，采用正交实验设计方法组合各个水平的影响因素(指试验条件，包括了制动的横纵向位置、车辆初速度、桥面不平整度、制动力上升时间、制动峰值系数、车重)，设定其中一个组合为标准试验条件；改变试验条件，进行多次试验，测量各测点的纵向动力响应信号，选取自由衰减段进行计算，得到以各测点为参考点的相关函数幅值向量CorV；

步骤4：进行冲刷后的桥梁结构动力试验；桥梁开始运营后，每隔一年，根据步骤2制定的试验方案开展动力试验，测量各测点的纵向动力响应信号，选取自由衰减段进行计算，得到以各测点为参考点的相关函数幅值向量CorV_d；

步骤5：冲刷初步诊断；依次以布设的测点为参考点，以冲刷前实测所得的CorV为基准，分别计算冲刷前后的初判指标：CVAC，D_CorV进行冲刷初判，若CVAC小于基准值CVAC₀，或者D_CorV中向量因子d大于基准值d₀时初步判定桥梁基础存在冲刷，且冲刷位置为该向量因子对应测点所在墩位；

步骤6：单参考点确定冲刷墩位；计算各测点的D^* _CorV0向量；当向量因子d^*大于基准值时存在冲刷工况，且冲刷位置为该向量因子对应测点所在墩位；若是第一次诊断为冲刷则无此步骤；

步骤7：多参考点确定冲刷墩位；将步骤6(若是第一次诊断为冲刷则为步骤5)中的检测结果进行统计分析，

步骤8：确定是否为均匀冲刷；针对步骤7中判别为冲刷状态改变的墩位进行横向的相关性分析；计算指标k_h，若k_h>1％，则认为该墩位发生的是不均匀冲刷。

进一步的，所述的步骤1中的测点布置遵循以下原则：

步骤1.1：CorV中各向量因子对应的测点响应与参考点响应间应该有较强的相关性，选取响应较大的点可以减小诊断失误的概率；

步骤1.2：选取信噪比较高的测点作为参考点可以有效减少噪声的干扰；

步骤1.3：可先建立有限元模型对结构进行模态分析，将测点布置在冲刷敏感的模态节点上；

步骤1.4：尽可能多在桥墩上布置测点。

进一步的，所述的步骤2中冲刷前的试验条件与步骤3中的标准实验条件相同，条件允许的情况下，尽可能使两次试验条件接近。

进一步的，所述步骤3具体为，以标准试验条件下的CorV为基准，计算不同实验条件下的CVAC、D_CorV，取具有95％保证率的值作为基准值CVAC₀、d₀，各指标定义如下：

CorV＝[r_1k,r_2k,r_3k,···,r_nk] (2)

D_CorV＝[d_1k,d_2k,d_3k,···,d_nk] (5)

式中，

为测点i与参考点k的的互相关函数幅值；CorV为按模归一化处理后的相关函数幅值向量；CorV、CorV_d分别为标准试验条件下和其他条件试验下(步骤5中为冲刷前后)的互相关函数幅值向量。

进一步的，所述步骤5具体为，将第一次诊断为冲刷的D_CorV进行归一化处理，作为基准值D^* _CorV0；

进一步的，所述步骤7具体为，计算得到统计评估指标p_i，当p_i>90％时，确定该墩位冲刷状态发生了改变；

式中，n_i为第i个墩位桩基被检测识别为受冲刷桥墩的次数，N为总的检测次数，即所选参考点数。

进一步的，所述步骤8具体为，并同样采用式(8)计算统计评估指标p_hi进行统计分析；

D_CorVh＝[d_1k,d_2k,d_3k,···,d_nk] (9)

k_h＝d_max-d_min (10)

式中，k为参考点，n为横桥向上与参考点同一墩位同一水平的测点；d_max、d_min为D_CorVh向量中的最大值和最小值。

进一步的，所述的步骤2中车激动力试验的外激励为车辆制动激励。

进一步的，所述的桥梁纵向动力响应信号为桥梁纵向加速度响应信号。

应用范围是公路和城市梁式桥。

实施例2

基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断方法的流程图如图1所示，具体过程如下：

(一)制定测点布设方案；

建立基准模型；根据桥梁设计图纸建立有限元模型作为基准模型，得到各阶模态的频率和振型；模拟冲刷工况，更新桥梁有限元模型，得到对冲刷敏感的模态。根据分析结果布置测点。

本实施方案以4×40m箱型四车道连续梁桥为例，如图1～图3所示，

(二)制定试验方案

本实施方案设定标准试验条件为：车辆行驶初速度50km/h，车辆前轴制动停止位置在D3#桥墩处(距桥头80m)，行驶位置车道2，制动峰值系数0.7，制动加速度上升时间为0.3s，桥面不平整度为好。

试验参数及条件控制范围如下表。

表1试验参数范围

(三)进行冲刷前的桥梁结构动力试验；

按照测点布设方案，在桥梁的相应位置上布置纵桥向加速度传感器，改变试验条件，开展动力试验，测得各测点的纵桥向加速度响应信号。以标准试验条件下的CorV为基准，计算得到各指标的基准值。这里选用数值模拟分析的结果作为基准值CVAC₀＝0.9999，d₀＝0.02。

(四)进行冲刷后的桥梁结构动力试验；

桥梁开始运营后，每隔一年，根据步骤2制定的试验方案开展动力试验，测量各测点的纵桥向加速度响应信号，选取自由衰减段进行计算，得到以各测点为参考点的相关函数幅值向量CorV_d。

(五)冲刷初步诊断；

本实施方案，将各墩冲刷1m工况下的D_CorV进行归一化处理，得到基准值d₀*＝0.0604。下面利用上述方法对一连续梁桥进行有无冲刷和冲刷定位诊断，共设置单墩均匀冲刷、单墩不均匀冲刷、多墩均匀冲刷工况3种类型，6种工况。

工况一：P4#墩均匀冲刷6m，其他墩未受到冲刷；

工况二：P4#墩不均匀冲刷6-7m(P4-1#～P4-4#分别冲刷6、6、7、7m)，其他墩未受到冲刷；

工况三：P4#墩不均匀冲刷5-8m(P4-1#～P4-4#分别冲刷5、6、7、8m)，其他墩未受到冲刷；

工况四：P2#、P3#墩各均匀冲刷6m，其他墩未受到冲刷；

工况五：P1#、P2#、P3#墩各均匀冲刷6m，其他墩未受到冲刷；

工况六：P1#～P5#墩各均匀冲刷6m。

各工况部分测点的CVAC值计算结果如下表所示：

表2各工况CVAC值计算结果

以9号测点为参考点时，各工况D_CorV指标计算结果如图4所示。

(六)单参考点确定冲刷墩位；计算各测点的D^* _CorV0向量。当向量因子d^*大于基准值时存在冲刷工况，且冲刷位置为该向量因子对应测点所在墩位。

以9号测点为参考点时，各工况D^* _CorV指标计算结果如图5所示。

(七)多参考点确定冲刷墩位；对(六)中的检测结果进行统计分析，计算得到统计评估指标p_i，当p_i>90％时，确定该墩位冲刷状态发生了改变。计算结果见表3。

(八)确定是否为均匀冲刷；针对(七)中判别为冲刷状态改变的墩位进行横向的相关性分析，计算指标k_h、p_hi。计算结果见表3。

表3各工况验证结果

从实施方案的计算结果可以看出，此种方法不仅能进行单墩冲刷定位，也能进行多墩冲刷定位，未发生损伤的部位，其损伤定位指标小于安全阀值。且该方法也可用于诊断桥墩冲刷是否为均匀冲刷。

Claims (7)

1.一种基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断方法，其特征在于，所述桥梁基础冲刷诊断方法包括以下步骤：

步骤1：根据实际桥梁的结构特点，制定测点布设方案；

步骤2：根据识别的冲刷深度需求，确定车激动力试验中各试验条件的变化范围；

步骤3：进行冲刷前的桥梁结构动力试验；在竣工时，将步骤2中设定范围内的试验条件分成几个水平，采用正交实验设计方法组合各个水平的试验条件，设定其中一个组合为标准试验条件；改变试验条件，进行多次试验，测量各测点的纵向动力响应信号，选取自由衰减段进行计算，得到标准试验条件下以各测点为参考点的相关函数幅值向量CorV；

步骤4：进行冲刷后的桥梁结构动力试验；桥梁开始运营后，每隔一年，根据步骤2制定的试验方案开展动力试验，测量各测点的纵向动力响应信号，选取自由衰减段进行计算，得到其他条件试验下以各测点为参考点的相关函数幅值向量CorV_d；

步骤5：冲刷初步诊断；依次以布设的测点为参考点，以冲刷前实测所得的CorV为基准，分别计算冲刷前后的初判指标：CVAC，D_CorV进行冲刷初判，若CVAC小于基准值CVAC₀，或者D_CorV中向量因子d大于基准值d₀时初步判定桥梁基础存在冲刷，且冲刷位置为该向量因子对应测点所在墩位；

步骤6：单参考点确定冲刷墩位；计算各测点的D^* _CorV向量；当向量因子d^*大于基准值时存在冲刷工况，且冲刷位置为该向量因子对应测点所在墩位；若是第一次诊断为冲刷则无此步骤；

步骤7：多参考点确定冲刷墩位；将步骤6中的检测结果进行统计分析，

步骤8：确定是否为均匀冲刷；针对步骤7中判别为冲刷状态改变的墩位进行横向的相关性分析；计算指标k_h，若k_h>1％，则认为该墩位发生的是不均匀冲刷；

以标准试验条件下的CorV为基准，计算不同实验条件下的CVAC、D_CorV，取具有95％保证率的值作为基准值CVAC₀、d₀，各指标定义如下：

CorV＝[r_1k,r_2k,r_3k,···,r_nk] (2)

D_CorV＝[d_1k,d_2k,d_3k,···,d_nk] (5)

式中，

为测点i与参考点k的互相关函数幅值；CorV为按模归一化处理后的相关函数幅值向量；CorV、CorV_d分别为标准试验条件下和其他条件试验下的互相关函数幅值向量。

2.根据权利要求1所述一种基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断方法，其特征在于，所述步骤1中的测点布置遵循以下原则：

步骤1.1：CorV中各向量因子对应的测点响应与参考点响应间应该有较强的相关性，选取响应较大的点可以减小诊断失误的概率；

步骤1.2：选取信噪比较高的测点作为参考点可以有效减少噪声的干扰；

步骤1.3：先建立有限元模型对结构进行模态分析，将测点布置在冲刷敏感的模态节点上；

步骤1.4：尽可能多在桥墩上布置测点。

3.根据权利要求1所述一种基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断方法，其特征在于，所述步骤2中冲刷前的试验条件与步骤3中的标准实验条件相同。

4.根据权利要求1所述一种基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断方法，其特征在于，所述步骤6具体为，将第一次诊断为冲刷的D_CorV进行归一化处理，作为基准值D^* _CorV0；

5.根据权利要求1所述一种基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断方法，其特征在于，所述步骤7具体为，计算得到统计评估指标p_i，当p_i>90％时，确定该墩位冲刷状态发生了改变；

式中，n_i为第i个墩位桩基被检测识别为受冲刷桥墩的次数，N为总的检测次数，即所选参考点数。

6.根据权利要求5所述一种基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断方法，其特征在于，所述步骤8具体为，并同样采用式(8)计算统计评估指标p_hi进行统计分析；

D_CorVh＝[d_1k,d_2k,d_3k,···,d_nk] (9)

k_h＝d_max-d_min (10)

式中，k为参考点，n为桥横向上与参考点同一墩位同一水平的测点；d_max、d_min为D_CorVh向量中的最大值和最小值。

7.根据权利要求1所述一种基于车激动力响应互相关指标体系的桥梁基础冲刷诊断方法，其特征在于，所述步骤2中车激动力试验的外激励为车辆制动激励。

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