CN112903821A - 基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，能够直观、简捷地监测结构任意处的自振特性，进而获得桥站整体的自振频率。本发明所提供的桥站结构自振特性测试方法，其特征在于，包括：步骤1.将具有不同自振频率的成组弹簧振子布置在桥站的不同结构部位的测点上；步骤2.在列车离开桥站后，桥站结构发生自由振动，成组弹簧振子受桥站自振影响发生受迫振动，通过高速摄影相机，精确捕捉每个弹簧振子的振动情况；步骤3.根据获得的每个弹簧振子的振动情况，计算出弹簧振子组的受迫振动频率，该受迫振动频率即为相应测点处的自振频率；步骤4.根据各测点的自振频率，得到桥站整体结构的自振频率。

Description

基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法
技术领域
本发明属于结构安全监测领域，具体涉及一种基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法。
背景技术
随着国家大规模基础设施建设的铺开，不同的城市开始进行高铁站、火车站、地铁站的建设，车站结构形式多种多样，桥站结构形式凭借其多种优势得到大规模使用，故监测桥站结构自振特性至关重要，直接关系到桥站的动力响应、结构安全及站内人群的舒适度。
目前，振动频率的监测设备多依赖电子设备，需要携带复杂的电子传感器，笨重且对电源要求较高，对环境条件要求比较严苛，并且频率的获取也不够直观，无法在观测效果不好时立即进行调整。
鉴于上述问题，急需一种既能方便、直观表现结构测点自振频率，又能表征结构整体自振特性的方法。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，能够直观、简捷地监测结构任意处的自振特性，进而获得桥站整体的自振频率。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
本发明提供一种基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.将具有不同自振频率的成组弹簧振子布置在桥站的不同结构部位的测点上；步骤2.在列车离开桥站后，桥站结构发生自由振动，成组弹簧振子受桥站自振影响发生受迫振动，通过高速摄影相机，精确捕捉每个弹簧振子的振动情况；步骤3.根据获得的每个弹簧振子的振动情况，计算出弹簧振子组的受迫振动频率，该受迫振动频率即为相应测点处的自振频率；步骤4.根据各测点的自振频率，得到桥站整体结构的自振频率。
优选地，本发明所涉及的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，还可以具有这样的特征：在步骤1中，是将具有不同自振频率的成组弹簧振子布置在桥站的不同层和同层不同区域的结构部位的测点上；每个测点布置一组弹簧振子。
优选地，本发明所涉及的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，还可以具有这样的特征：在步骤1中，是将具有不同自振频率的成组弹簧振子布置在桥站整体两侧、支撑柱柱脚、横跨跨中、纵跨跨中的测点上。
优选地，本发明所涉及的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，还可以具有这样的特征：每组设置20个弹簧振子；在同一组中，每个弹簧振子的频率均不相同：第一个0.5Hz，第二个1Hz，第三个1.5Hz，依次递加到10Hz。
优选地，本发明所涉及的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，还可以具有这样的特征：相邻弹簧振子之间的间距不小于3cm。
优选地，本发明所涉及的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，还可以具有这样的特征：在弹簧振子上标记有表示其频率的标签，这样更有利于观测。
优选地，本发明所涉及的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，还可以具有这样的特征：在同一组弹簧振子中，相邻弹簧振子设置成不同颜色，这样更有利于观测。
优选地，本发明所涉及的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，还可以具有这样的特征：在步骤3中，根据测点处，弹簧振子组中每个弹簧振子的受迫振动情况，获得弹簧振子的位移时程、速度时程或者加速度时程，再经过频谱分析，得到每个弹簧振子的受迫振动频率，然后计算该组弹簧振子的受迫振动频率均值，作为相应测点处的自振频率。
优选地，本发明所涉及的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，还可以具有这样的特征：在步骤4中，采用如下公式计算得到桥站整体结构的自振频率f：
Figure BDA0002910161860000021
式中，ai为第i个测点的权重系数，fi为第i个测点处自振频率，各测点与桥站整体结构自振特性越接近，权重系数越大。
优选地，本发明所涉及的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，还可以具有这样的特征：测点权重系数的确定方法为：获取每个测点所在处结构的质量，将测点所在处结构的质量与所有测点处结构的总质量的比值作为该测点的权重系数。
发明的作用与效果
本发明所提供的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，将具有不同自振频率的成组弹簧振子预先布置在车站的不同结构部位，并布置高速摄影相机进行对应拍摄监测；当列车通过桥站后，桥站结构在受迫振动后存在自由振动，不同部位处的成组弹簧振子受桥站结构自振影响，发生二次受迫振动；借助高速摄影相机，可精确捕捉每个弹簧振子的振动规律，然后根据此计算出弹簧振子组的振动频率均值，此振动频率均值即为桥站在该测点处的自振频率；最后根据各测点处的自振频率即可得到桥站结构的自振频率；采用的弹簧振子结构简单、布设方便、监测便捷有效，能够直观体现出测点处的自振频率特性，从而准确快捷地得到各测点自振频率，并且本方法对环境条件要求不严苛，应用前景十分广阔。另外，本发明所采用的测试方法还能够在观测效果不好时，及时调整拍摄角度或者补充布设弹簧振子组，调整弹簧振子组的布设位置、数量等。
附图说明
图1是本发明实施例涉及的一组弹簧振子的结构示意图；
图2是本发明实施例涉及的桥站结构整体的自振特性所选择的关键测点的布设位置示意图，其中轨道层3个测点，站台层3个测点，站厅层3个测点；
图3是本发明实施例涉及的测点处板结构的示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法作详细阐述。
<实施例>
本实施例所提供的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法包括如下步骤：
步骤1.将成组的弹簧振子使用石膏粉固定在桥站的不同层和同层不同区域的结构部位的测点上，使弹簧振子组与结构测点处刚性连接，每个测点布置一组弹簧振子并布置高速摄影相机进行对应拍摄监测。如图1所示，本实施例中，每组均设置20个弹簧振子；在同一组中，每个弹簧振子的频率均不相同：第一个0.5Hz，第二个1Hz，第三个1.5Hz，依次递加到10Hz；相邻弹簧振子之间的间距为5cm。如图2所示，本实施例中，在铁路桥站的轨道层、站台层、站厅层分别设置3个关键测点1#-9#。
步骤2.在列车离开桥站后，桥站结构在受迫振动后存在自由振动，不同部位处的成组弹簧振子受铁路桥站结构自振影响，发生二次受迫振动，通过高速摄影相机，精确捕捉每个弹簧振子的振动情况。
步骤3.根据测点处，弹簧振子组中每个弹簧振子的受迫振动情况，获得弹簧振子的位移时程、速度时程或者加速度时程等信息，再经过频谱分析，得到每个弹簧振子的受迫振动频率，然后计算该组弹簧振子的受迫振动频率均值，作为相应测点处的自振频率。根据成组弹簧振子的受迫振动频率，可分别得到各测点处自振频率f1-f9。
步骤4.根据各测点的自振频率，采用如下公式计算得到桥站整体结构的自振频率f：
Figure BDA0002910161860000041
式中，ai为第i个测点的权重系数，fi为第i个测点处自振频率，n＝9(测点总数)，各测点与桥站整体结构自振特性越接近，权重系数越大。
本实施例中，测点权重系数的确定方法为：如图3所示，结构的自振频率与结构的形状、约束方式、质量有关，对于桥站结构，测点布置位置位于横梁纵梁所形成的板的中部，每个板结构类似、约束方式也相同，故测点在表征结构振动的权重系数与所在板区域的质量有关。因此，则对于任意一个测点，求得测点所在处结构的质量，与所有测点所在结构质量的总和的比值即为该测点的权重系数ai。
基于以上方法，以某大跨度地铁桥站合一车站的自振频率监测方法为应用例，具体测试过程如下：
(1)当列车通过铁路桥站后，桥站结构在受迫振动后存在自由振动，不同部位处的成组弹簧振子受铁路桥站结构自振影响，发生二次受迫振动。借助高速摄影相机，可精确捕捉每个弹簧振子的振动规律，并计算出弹簧振子组的振动频率均值，此振动频率均值即为铁路桥站在该测点处的自振频率；
(2)先确定测点处的权重系数，测点位于纵梁横梁形成的板中心，权重系数与所在板结构(包括横梁、纵梁和板)的质量有关，板结构如图3所示，权重系数计算如下表所示：
表1各测点权重系数
Figure BDA0002910161860000051
(3)根据监测结果，测得测点的振动频率如下表2，则此刻车站结构的振动频率为
Figure BDA0002910161860000052
表2各测点权重系数-频率
Figure BDA0002910161860000053
上述实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.将具有不同自振频率的成组弹簧振子布置在桥站的不同结构部位的测点上；
步骤2.在列车离开桥站后，桥站结构发生自由振动，成组弹簧振子受桥站自振影响发生受迫振动，通过高速摄影相机，精确捕捉每个弹簧振子的振动情况；
步骤3.根据获得的每个弹簧振子的振动情况，计算出弹簧振子组的受迫振动频率，该受迫振动频率即为相应测点处的自振频率；
步骤4.根据各测点的自振频率，得到桥站整体结构的自振频率。
2.根据权利要求1所述的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，其特征在于：
其中，在步骤1中，是将具有不同自振频率的成组弹簧振子布置在桥站的不同层和同层不同区域的结构部位的测点上；每个测点布置一组弹簧振子。
3.根据权利要求2所述的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，其特征在于：
其中，在步骤1中，是将具有不同自振频率的成组弹簧振子布置在桥站整体两侧、支撑柱柱脚、横跨跨中、纵跨跨中的测点上。
4.根据权利要求1所述的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，其特征在于：
其中，每组设置20个弹簧振子；在同一组中，每个弹簧振子的频率均不相同：第一个0.5Hz，第二个1Hz，第三个1.5Hz，依次递加到10Hz。
5.根据权利要求1所述的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，其特征在于：
其中，相邻弹簧振子之间的间距不小于3cm。
6.根据权利要求1所述的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，其特征在于：
其中，在弹簧振子上标记有表示其频率的标签。
7.根据权利要求1所述的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，其特征在于：
其中，在同一组弹簧振子中，相邻弹簧振子设置成不同颜色。
8.根据权利要求1所述的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，其特征在于：
其中，在步骤3中，根据测点处，弹簧振子组中每个弹簧振子的受迫振动情况，获得弹簧振子的位移时程、速度时程或者加速度时程，再经过频谱分析，得到每个弹簧振子的受迫振动频率，然后计算该组弹簧振子的受迫振动频率均值，作为相应测点处的自振频率。
9.根据权利要求1所述的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，其特征在于：
其中，在步骤4中，采用如下公式计算得到桥站整体结构的自振频率f：
Figure FDA0002910161850000031
式中，ai为第i个测点的权重系数，fi为第i个测点处自振频率，各测点与桥站整体结构自振特性越接近，权重系数越大。
10.根据权利要求9所述的基于成组弹簧振子的桥站结构自振特性测试方法，其特征在于：
其中，测点权重系数的确定方法为：获取每个测点所在处结构的质量，将测点所在处结构的质量与所有测点处结构的总质量的比值作为该测点的权重系数。
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