CN113392450A - 铁路桥墩健康状态评估方法、设备及系统 - Google Patents

铁路桥墩健康状态评估方法、设备及系统 Download PDF

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CN113392450A CN202110630724.4A CN202110630724A CN113392450A CN 113392450 A CN113392450 A CN 113392450A CN 202110630724 A CN202110630724 A CN 202110630724A CN 113392450 A CN113392450 A CN 113392450A
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Abstract

本申请涉及一种铁路桥墩健康状态评估方法、设备及系统。该方法包括：获取若干传感器采集的动力时程响应数据；对动力时程响应数据进行频谱分析，得到频谱数据，并基于频谱数据确认待测桥墩的分析频率；根据分析频率和频谱数据，得到第一侧梁体等效到靠近待测桥墩的第一集中质量，以及第二侧梁体等效到靠近待测桥墩的第二集中质量，并基于第一集中质量和第二集中质量，得到待测桥墩的墩顶等效集中质量；采用墩顶等效集中质量获取简化分析模型，并基于简化分析模型，通过模型修正输出待测桥墩的健康状态评估指标。本申请可以有效提高对桥墩健康状态评估的准确性。

Description

铁路桥墩健康状态评估方法、设备及系统
技术领域
本申请涉及桥梁工程养护工程技术领域，特别是涉及一种铁路桥墩健康状态评估方法、设备及系统。
背景技术
铁路桥墩作为桥梁结构的重要组成部分，其工作状态将直接影响整个桥梁结构的性能。对比桥梁上部结构，桥墩不仅承受来自列车的动力荷载，同时还承受河水冲刷，盐碱腐蚀、车船撞击、地震等诸多因素的影响，导致桥墩更容易出现各种病害。而且桥墩发生事故的后果往往较为严重，故近年来国内对桥墩健康状态评估的研究也越来越多。
模态频率是桥墩健全度评估的基础，因此如何获得精确的桥墩模态频率成为工程实际中亟待解决的问题。桥墩频率的传统测试方法主要包括余振法、环境激励法、模态试验法或冲击振动试验法，以上方法均是基于频域的测试方法，然而实际的铁路多跨简支梁桥是由桥墩和梁体等构件通过桥梁支座、桥面系和桥梁附属结构等设施联结在一起组成的系统。系统中各构件相互耦合，组成一个复杂的空间耦合体系，当系统某一构件产生振动时，会同时引起相邻构件的振动，这种简支梁体系内各构件的空间耦合振动特性在响应频谱中也会得到体现。因此在实际测量中如何得到以某一桥墩振动为主的自振频率是本研究的难点，这也给后续的桥墩健康状态评估造成了极大的困扰。
在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统的铁路桥墩健康状态评估不准确。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种铁路桥墩健康状态评估方法、设备及系统。
一种铁路桥墩健康状态评估方法，包括：
获取若干传感器采集的动力时程响应数据；若干传感器分别设于待测桥墩测试点、待测桥墩的第一侧梁体的测试点，以及待测桥墩的第二侧梁体的测试点；
对动力时程响应数据进行频谱分析，得到频谱数据，并基于频谱数据确认待测桥墩的分析频率；
根据分析频率和频谱数据，得到第一侧梁体等效到靠近待测桥墩的第一集中质量，以及第二侧梁体等效到靠近待测桥墩的第二集中质量，并基于第一集中质量和第二集中质量，得到待测桥墩的墩顶等效集中质量；
采用墩顶等效集中质量获取简化分析模型，并基于简化分析模型，通过模型修正输出待测桥墩的健康状态评估指标。
在其中一个实施例中，频谱数据包括第一侧梁体的频谱数据以及第二侧梁体的频谱数据；
根据分析频率和频谱数据，得到第一侧梁体等效到靠近待测桥墩的第一集中质量，以及第二侧梁体等效到靠近待测桥墩的第二集中质量的步骤，包括：
基于第一侧梁体的频谱数据，得到分析频率处第一侧梁体的幅值；基于第二侧梁体的频谱数据，得到分析频率处第二侧梁体的幅值；
根据分析频率处第一侧梁体的幅值，确认第一侧梁体的振型；根据分析频率处第二侧梁体的幅值，确认第二侧梁体的振型；
处理分析频率处第一侧梁体的幅值，以及第一侧梁体的振型，得到第一集中质量；处理分析频率处第二侧梁体的幅值，以及第二侧梁体的振型，得到第二集中质量。
在其中一个实施例中，
振型包括一阶振型和二阶振型；分析频率处第一侧梁体的幅值包括分析频率处第一侧梁体远离待测桥墩的第一幅值、分析频率处第一侧梁体靠近待测桥墩的第二幅值以及分析频率处第一侧梁体跨中的第三幅值；分析频率处第二侧梁体的幅值包括分析频率处第二侧梁体靠近待测桥墩的第四幅值、分析频率处第二侧梁体远离待测桥墩的第五幅值以及分析频率处第二侧梁体跨中的第六幅值；
处理分析频率处第一侧梁体的幅值，以及第一侧梁体的振型，得到第一集中质量；处理分析频率处第二侧梁体的幅值，以及第二侧梁体的振型，得到第二集中质量的步骤，包括：
若第二侧梁体的振型为一阶振型，则基于以下模型得到第二集中质量：
Figure BDA0003103631230000031
若第二侧梁体的振型为二阶振型，则基于以下模型得到第二集中质量：
Figure BDA0003103631230000032
若第一侧梁体的振型为一阶振型，则基于以下模型得到第一集中质量：
Figure BDA0003103631230000033
若第一侧梁体的振型为二阶振型，则基于以下模型得到第一的集中质量：
Figure BDA0003103631230000034
其中，
Figure BDA0003103631230000041
为梁体均布质量，l为梁跨度；δ1A为第四幅值，δ1B为第五幅值，δ1C为第六幅值；δ2A为第一幅值，δ2B为第二幅值，δ2C为第三幅值。
在其中一个实施例中，基于第一集中质量和第二集中质量，得到待测桥墩的墩顶等效集中质量的步骤中，基于以下公式得到墩顶等效集中质量：
M0＝Ml+Mr
其中，Ml为第一集中质量；Mr为第二集中质量。
在其中一个实施例中，频谱数据包括待测桥墩的墩顶的频谱数据；
基于频谱数据确认待测桥墩的分析频率的步骤，包括：
基于墩顶的频谱数据，确定墩顶的低阶频谱峰值点；
将低阶频谱峰值点对应的频率确认为待测桥墩的分析频率。
在其中一个实施例中，频谱数据还包括待测桥墩的墩中的频谱数据，以及待测桥墩的墩底的频谱数据；
基于简化分析模型，通过模型修正输出待测桥墩的健康状态评估指标的步骤，包括：
基于简化分析模型，得到简化分析模型的理论频率和简化分析模型的振型；
根据墩顶的频谱数据，得到分析频率处墩顶的第七幅值；基于墩中的频谱数据，得到分析频率处墩中的第八幅值；基于墩底的频谱数据，得到分析频率处墩底的第九幅值；基于第七幅值、第八幅值以及第九幅值，确认待测桥墩的振型；
将待测桥墩的振型和分析频率作为目标值，利用残差公式处理简化分析模型的理论频率、简化分析模型的振型、分析频率以及待测桥墩的振型，得到理论模态参数和实测模态参数的残差；
采用约束优化算法对简化分析模型进行修正，得到待识别参数；待识别参数用于使理论模态参数和实测模态参数的残差满足预设收敛准则；
基于待识别参数，得到并输出待测桥墩的健康状态评估指标。
在其中一个实施例中，待测桥墩的状态评估指标包括局部状态评估指标和整体状态评估指标。
在其中一个实施例中，采用墩顶等效集中质量获取简化分析模型的步骤，包括：
采用墩顶等效集中质量，结合待测桥墩的墩身简化模型、待测桥墩的刚度系数以及待测桥墩的基础底部约束，获取简化分析模型；待测桥墩的刚度系数包括弹性模量和墩身截面惯性矩。
一种铁路桥墩健康状态评估设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的方法的步骤。
一种铁路桥墩健康状态评估系统，包括若干传感器和上述的铁路桥墩健康状态评估设备；若干传感器分别设于待测桥墩测试点、待测桥墩的第一侧梁体的测试点，以及待测桥墩的第二侧梁体的测试点；待测桥墩测试点包括待测桥墩的墩顶位置、待测桥墩的墩中位置以及待测桥墩的墩底位置；第一侧梁体的测试点包括第一侧梁体靠近待测桥墩的位置、第一侧梁体跨中的位置以及第一侧梁体远离待测桥墩的位置；第二侧梁体的测试点包括第二侧梁体靠近待测桥墩的位置、第二侧梁体跨中的位置以及第二侧梁体远离待测桥墩的位置；
若干传感器均与铁路桥墩健康状态评估设备相连接。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：
本申请通过对待测桥墩测试点、待测桥墩的第一侧梁体的测试点以及待测桥墩的第二侧梁体的测试点的动力时程响应数据进行频谱分析，得到频谱数据，并基于频谱数据得到的待测桥墩的分析频率，得到待测桥墩的第一侧梁体等效到靠近待测桥墩的第一集中质量，以及待测桥墩的第二侧梁体等效到靠近待测桥墩的第二集中质量，从而基于第一集中质量和第二集中质量得到待测桥墩的墩顶等效集中质量，再采用墩顶等效集中质量获取的简化分析模型，通过模型修正输出待测桥墩的健康状态评估指标。本申请的铁路桥墩健康状态评估方法考虑了墩梁耦合振动的情况，通过将待测桥墩两侧的梁体质量等效到待测桥墩的墩顶，并采用墩顶等效集中质量获取简化分析模型，再利用简化分析模型得到待测桥墩健康状态评估指标，从而解决了存在墩梁耦合效应的多跨简支梁桥墩的健康状态评估问题，并且可以更准确地评估铁路多跨简支梁桥墩的运营性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一个实施例中铁路桥墩健康状态评估方法的流程示意图；
图2为一个实施例中确认待测桥墩的分析频率的步骤的流程示意图；
图3为一个实施例中得到第一侧梁体等效到靠近待测桥墩的第一集中质量，以及第二侧梁体等效到靠近待测桥墩的第二集中质量的步骤的流程示意图；
图4为一个实施例中输出待测桥墩的健康状态评估指标的步骤的流程示意图；
图5为一个具体的实施例中利用铁路桥墩健康状态评估系统对待测桥墩进行健康状态评估的整体流程示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种铁路桥墩健康状态评估方法，可以包括：
步骤202，获取若干传感器采集的动力时程响应数据；若干传感器分别设于待测桥墩测试点、待测桥墩的第一侧梁体的测试点，以及待测桥墩的第二侧梁体的测试点；
其中，待测桥墩测试点可以包括待测桥墩的墩顶位置、待测桥墩的墩中位置以及待测桥墩的墩底位置；第一侧梁体的测试点可以包括第一侧梁体靠近待测桥墩的位置、第一侧梁体跨中的位置以及第一侧梁体远离待测桥墩的位置；第二侧梁体的测试点可以包括第二侧梁体靠近待测桥墩的位置、第二侧梁体跨中的位置以及第二侧梁体远离待测桥墩的位置。动力时程响应数据为以重物为激励横桥向锤击桥墩的情况下各测试点的传感器采集到的；重物可以为特制铁球；传感器可以为横向速度传感器或加速度传感器。
具体地，由于对于运营中的铁路桥梁而言，环境振动、冲击荷载以及列车荷载的作用是普遍的，而在环境振动、冲击荷载或列车荷载作用下，多跨简支梁体系产生的振动以线弹性范围内的局部构件振动为主，这种局部振动与地震作用下的整体振动存在很大的差异，将直接导致参与桥墩横向振动的梁体质量发生很大的变化。因此在对桥墩健康状态进行评估时，需要考虑墩梁的耦合振动；本申请通过获取在以特质铁球为激励横桥向锤击桥墩的情况下，各测试点上的传感器采集到的动力时程响应数据，从而对该动力时程响应数据进行相应的处理。
步骤204，对动力时程响应数据进行频谱分析，得到频谱数据，并基于频谱数据确认待测桥墩的分析频率；
具体地，通过对动力时程响应数据进行频谱分析，可以得到关于频率和幅值的频谱数据，便于对桥墩特性进行分析；基于该频率和幅值的频谱数据，可以确认待测桥墩的分析频率。
在其中一个实施例中，频谱数据可以包括待测桥墩的墩顶的频谱数据；
基于频谱数据确认待测桥墩的分析频率的步骤204，如图2所示，可以包括：
步骤302，基于墩顶的频谱数据，确定墩顶的低阶频谱峰值点；
步骤304，将低阶频谱峰值点对应的频率确认为待测桥墩的分析频率。
在一个示例中，待测桥墩的分析频率为f1和f2。
具体而言，由于待测桥墩测试点上均设有传感器，因此频谱数据中可以包括待测桥墩的墩顶的频谱数据；通过获取到的待测桥墩的墩顶的频谱数据，墩顶的频谱数据为待测桥墩的墩顶关于频率和幅值关系的数据，从而可以通过墩顶的频谱数据确定墩顶的低阶频谱峰值点，并将低阶频谱峰值点对应的频率确认为待测桥墩的分析频谱。
其中，在墩顶的频谱数据中，具体会出现几个频谱峰值点，与待测桥墩的体系的约束和墩梁刚度有关系，如在冲击墩刚度比相邻墩大很多的时候，频谱可能只有一个频率f1；当冲击墩刚度与一侧墩相差不大(甚至更小)，而比另一侧墩刚度大很多时，就可能只有两个频率f1、f2。因此，根据频谱中出现的峰值频率点进行分析，出现两个峰值频率就用两个峰值频率f1、f2，出现三个就用f1、f2、f3。理论上是可以前三阶，前十阶，前一百阶乃至前无穷阶的，并且考虑的阶数越多，简化分析模型就越接近实际结构，然而会大大增加处理量和处理难度，精度收益远小于处理难度和处理量的增加；因为不同阶频率的振动对结构总振动的贡献是不一样的，频率较低的前几阶振动对总振动贡献很大，而后面的高阶频率贡献量随阶数的增加而迅速递减。不同阶数振动对总振动的贡献量，常常用振型参与系数来描述：低阶振型的振型参与系数较高，而高阶振型的振型参与系数则会随着阶数的提高而迅速降低。
因此，对于本申请针对的铁路多跨简支梁体系而言，由于梁体、桥墩的刚度均较高，墩梁耦合体系振动将低阶频谱峰值点对应的频率确认为待测桥墩的分析频率，就已经可以足够精确的描述体系的振动。
步骤206，根据分析频率和频谱数据，得到第一侧梁体等效到靠近待测桥墩的第一集中质量，以及第二侧梁体等效到靠近待测桥墩的第二集中质量，并基于第一集中质量和第二集中质量，得到待测桥墩的墩顶等效集中质量；
具体地，基于弹性支撑梁理论和能量守恒原理，考虑墩梁耦合振动下的待测桥墩的墩顶的集中质量，从而根据频谱数据以及由频谱数据确认的分析频率，得到待测桥墩第一侧梁体等效到靠近待测桥墩的第一集中质量，以及待测桥墩第二侧梁体等效到靠近待测桥墩的第二集中质量，基于第一集中质量和第二集中质量，可以得到待测桥墩的墩顶集中质量。
在其中一个实施例中，频谱数据可以包括第一侧梁体的频谱数据以及第二侧梁体的频谱数据；
根据分析频率和频谱数据，得到第一侧梁体等效到靠近待测桥墩的第一集中质量，以及第二侧梁体等效到靠近待测桥墩的第二集中质量的步骤206，如图3所示，可以包括：
步骤402，基于第一侧梁体的频谱数据，得到分析频率处第一侧梁体的幅值；基于第二侧梁体的频谱数据，得到分析频率处第二侧梁体的幅值；
步骤404，根据分析频率处第一侧梁体的幅值，确认第一侧梁体的振型；根据分析频率处第二侧梁体的幅值，确认第二侧梁体的振型；
步骤406，处理分析频率处第一侧梁体的幅值，以及第一侧梁体的振型，得到第一集中质量；处理分析频率处第二侧梁体的幅值，以及第二侧梁体的振型，得到第二集中质量。
具体地，由于待测桥墩的第一侧梁体的测试点以及待测桥墩的第二侧梁体的测试点上均设有传感器，因此频谱数据中可以包括第一侧梁体的频谱数据以及第二侧梁体的频谱数据；基于第一侧梁体的频谱数据，可以得到分析频率处第一侧梁体的幅值，再根据分析频率处第一侧梁体的幅值，确认第一侧梁体的振型，通过处理分析频率处第一侧梁体的幅值和第一侧梁体的振型，可以得到第一集中质量；同理，可以根据第二侧梁体的频谱数据，得到第二集中质量。
在其中一个实施例中，振型可以包括一阶振型和二阶振型；分析频率处第一侧梁体的幅值可以包括分析频率处第一侧梁体远离待测桥墩的第一幅值、分析频率处第一侧梁体靠近待测桥墩的第二幅值以及分析频率处第一侧梁体跨中的第三幅值；分析频率处第二侧梁体的幅值可以包括分析频率处第二侧梁体靠近待测桥墩的第四幅值、分析频率处第二侧梁体远离待测桥墩的第五幅值以及分析频率处第二侧梁体跨中的第六幅值；其中，第一侧梁体跨中的第三幅值为由于第一侧梁体弯曲而产生的幅值，第二侧梁体跨中的第六幅值为由于第二侧梁体弯曲而产生的幅值。
处理分析频率处第一侧梁体的幅值，以及第一侧梁体的振型，得到第一集中质量；处理分析频率处第二侧梁体的幅值，以及第二侧梁体的振型，得到第二集中质量的步骤，可以包括：
若第二侧梁体的振型为一阶振型，则基于以下模型得到第二集中质量：
Figure BDA0003103631230000111
若第二侧梁体的振型为二阶振型，则基于以下模型得到第二集中质量：
Figure BDA0003103631230000112
若第一侧梁体的振型为一阶振型，则基于以下模型得到第一集中质量：
Figure BDA0003103631230000121
若第一侧梁体的振型为二阶振型，则基于以下模型得到第一的集中质量：
Figure BDA0003103631230000122
其中，
Figure BDA0003103631230000123
为梁体均布质量，l为梁跨度；δ1A为第四幅值，δ1B为第五幅值，δ1C为第六幅值；δ2A为第一幅值，δ2B为第二幅值，δ2C为第三幅值。
具体地，由于一阶振型为较有明显弯曲变形的特性，因此需要获取梁体跨中的振型幅值，而二阶振型虽然也存在弯曲变形，但二阶振型的弯曲变形远远小于一阶振型，因此可以忽略二阶振型的弯曲变形，即不需要将梁体跨中的振型幅值考虑进去。
第一幅值、第二幅值和第三幅值分别对应分析频率处第一侧梁体远离待测桥墩位置、靠近待测桥墩位置以及跨中位置的幅值，而基于第一幅值、第二幅值即可确认梁体振型，例如通过对比分析频率处第一侧梁体远离待测桥墩的位移幅值的符号，以及分析频率处第一侧梁体靠近待测桥墩的位移幅值的符号，确定第一侧梁体的振型，即根据第一幅值和第二幅值，对比其位移幅值的符号，就可得到第一侧梁体的振型，例如若分析频率处第一侧梁体远离待测桥墩的位移幅值的符号为负，分析频率处第一侧梁体靠近待测桥墩的位移幅值的符号为正，则第一侧梁体为二阶振型；若分析频率处第一侧梁体远离待测桥墩的位移幅值的符号和分析频率处第一侧梁体靠近待测桥墩的位移幅值的符号均为正，则第一侧梁体为一阶振型。若第一侧梁体的振型为一阶振型，则可以通过一阶振型相应的模型得到第一侧梁体等效到靠近待测桥墩的第一集中质量；若第一侧梁体的振型为二阶振型，则可以通过二阶振型相应的模型得到第一侧梁体等效到靠近待测桥墩的第一集中质量；同理，可以得到第二侧梁体等效到靠近待测桥墩的第二集中质量。
在其中一个实施例中，基于第一集中质量和第二集中质量，得到待测桥墩的墩顶等效集中质量的步骤中，基于以下公式得到墩顶等效集中质量：
M0＝Ml+Mr
其中，Ml为第一集中质量；Mr为第二集中质量。
具体地，在获取第一集中质量和第二集中质量后，将两者相加，即可得到待测桥墩的墩顶等效集中质量。
步骤208，采用墩顶等效集中质量获取简化分析模型，并基于简化分析模型，通过模型修正输出待测桥墩的健康状态评估指标。
具体地，在得到墩顶等效集中质量的情况下，采用墩顶等效集中质量获取简化分析模型，再通过对简化分析模型进行模型修正，从而得到并输出待测桥墩的健康状态评估指标，用于准确评估待测桥墩的健康状态。
在其中一个实施例中，采用墩顶等效集中质量获取简化分析模型的步骤，可以包括：
采用墩顶等效集中质量，结合待测桥墩的墩身简化模型、待测桥墩的刚度系数以及待测桥墩的基础底部约束，获取简化分析模型；待测桥墩的刚度系数可以包括弹性模量和墩身截面惯性矩。
具体地，将墩顶等效集中质量附加到待测桥墩的墩顶，待测桥墩的墩身简化为等截面直杆，刚度系数为弹性模量E，墩身截面惯性矩为I(横桥向Ix，顺桥向Iy)的乘积；待测桥墩的基础底部约束用横桥向水平弹簧刚度Khy或顺桥向水平弹簧刚度Khx、垂直弹簧刚度Kv以及横桥向扭转弹簧刚度Krx或顺桥向扭转弹簧刚度Kry来模拟；则将待测桥墩简化成带有不同集中质量的简化分析模型。
在其中一个实施例中，频谱数据还可以包括待测桥墩的墩中的频谱数据，以及待测桥墩的墩底的频谱数据；
基于简化分析模型，通过模型修正输出待测桥墩的健康状态评估指标的步骤208，如图4所示，可以包括：
步骤502，基于简化分析模型，得到简化分析模型的理论频率和简化分析模型的振型；
步骤504，根据墩顶的频谱数据，得到分析频率处墩顶的第七幅值；基于墩中的频谱数据，得到分析频率处墩中的第八幅值；基于墩底的频谱数据，得到分析频率处墩底的第九幅值；基于第七幅值、第八幅值以及第九幅值，确认待测桥墩的振型；
步骤506，将待测桥墩的振型和分析频率作为目标值，利用残差公式处理简化分析模型的理论频率、简化分析模型的振型、分析频率以及待测桥墩的振型，得到理论模态参数和实测模态参数的残差；
步骤508，采用约束优化算法对简化分析模型进行修正，得到待识别参数；待识别参数用于使理论模态参数和实测模态参数的残差满足预设收敛准则；
步骤510，基于待识别参数，得到并输出待测桥墩的健康状态评估指标。
具体地，获得简化分析模型后，便可在ANSYS等通用有限元软件上建立该简化模型，进而得到简化分析模型的理论频率和简化分析模型的振型[φxj]。而根据第七幅值、第八幅值以及第九幅值，分别得到分析频率下墩顶、墩中以及墩底的位移幅值(含正负号)，将这三个位移幅值组成一个列向量，即可得到待测桥墩的振型[φej]，即利用实际测量数据下的待测桥墩的振型，将待测桥墩的振型和分析频率作为目标值，利用残差公式处理简化分析模型的理论频率、简化分析模型的振型、分析频率以及待测桥墩的振型，即得到理论模态参数和实测模态参数的残差；其中，残差公式为：
Figure BDA0003103631230000151
式中，F为理论模态参数和实测模态参数的残差；ωfi为频率的权重系数；ωφj为振型的权重系数；m1和m2分别为采用的模态频率阶数和模态振型阶数，
Figure BDA0003103631230000152
[φxj]为简化分析模型的振型；[φej]为待测桥墩的振型。
采用约束优化算法对简化分析模型进行修正，使上述理论模态参数和实测模态参数的残差满足预设收敛准则，经过优化后可以得到待识别参数，即待测桥墩的实际的物理参数E、Khy、Krx及墩顶等效集中质量M0，预设收敛准则可以为：
Fn(EI,Khy,Krx,M0)≤ξ
Figure BDA0003103631230000153
其中，ξ为容许残差，ε为容许误差，n为迭代次数，N为限定最大迭代次数；E为弹性模量；I为墩身截面惯性矩；Khy为横桥向水平弹簧刚度；Krx为横桥向扭转弹簧刚度；M0为墩顶等效集中质量。Krx、Khy以及垂直弹簧刚度Kv之间存在很强的关联性，假定发生损伤时待测桥墩的基础底部约束是沿着各个方向按照相同的比例下降的，因此，只需识别Krx，即可根据约束的比例系数分别得到Khy、Kv。再基于待识别参数，可以得到并输出待测桥墩的健康状态评估指标。
在其中一个实施例中，待测桥墩的状态评估指标可以包括局部状态评估指标和整体状态评估指标。
具体地，以前述所得到的待识别参数为基础，得到待测桥墩健康评估指标的评估准则；其中：
局部状态评估指标：
Figure BDA0003103631230000161
Figure BDA0003103631230000162
整体状态评估指标：
Figure BDA0003103631230000163
Figure BDA0003103631230000164
其中，E、K表示识别得到的弹性模量和基底刚度(K可以取Khx、Khy、Krx等实测基底刚度值，对应的K0为Khx0、Khy0、Krx0，具体取用哪一个刚度值，取决于想要评估哪个方向的基底刚度)；E0、K0表示弹性模量设计值和基底刚度设计值；f、Khx、Kry分别表示简化模型的分析频率、识别到的顺桥向水平弹簧刚度、识别到的顺桥向扭转弹簧刚度；f0、Khx0、Kry0分别表示将设计(或健康桥梁)参数输入简化分析模型得到的桥墩横向分析频率、顺桥向水平弹簧刚度设计值、顺桥向扭转弹簧刚度设计值；I、H分别表示待测桥墩的设计惯性矩和墩高。
即待测桥墩的设计惯性矩为桥墩在初始设计时的截面惯性矩；待测桥墩基底刚度标准值指健康桥墩的基底刚度；简化分析模型的理论频率指待测桥墩的简化分析模型中将墩顶等效集中质量统一为一跨梁的质量，将各桥墩的实测物理参数输入到单墩简化分析模型中所得到的桥墩横向参考频率；频率标准值指将墩顶等效集中质量统一为一跨梁的质量，下部结构物理参数通过健康桥墩选取，所得到的桥墩横向频率；纵向线刚度是由待测桥墩的墩身刚度系数和待测桥墩的基础底部约束刚度等参数决定，纵向线刚度设计值指桥墩初始设计时的纵向线刚度值。
利用输出的LSSI1、LSSI2、OSSI1、OSSI2等指标评估待测桥墩的健康状态，具体评估准则为：
LSSIi≥1(i＝1,2)，表明待测桥墩存在问题较少，服役状态良好；
LSSIi<1(i＝1,2)，表明待测桥墩存在缺陷，并可确定病害等级；
OSSIi≤0.5(i＝1,2)，表明待测桥墩刚度满足设计要求，服役状态良好；
OSSIi>0.5(i＝1,2)，表明待测桥墩存在病害，并可确定病害等级。
以上，本申请通过利用待测桥墩两侧的梁体质量等效到待测桥墩的墩顶所获得的简化分析模型，输出用于评价桥墩健康状态的待测桥墩的状态评估指标，解决了存在墩梁耦合效应的多跨简支梁桥墩的健康状态评估问题，本申请的铁路桥墩健康状态评估方法可以在铁路列车通行间隔进行，不需要中断线路的正常运营，并且本申请可以有效提高对铁路多跨简支梁桥墩的运营性能评估的准确性。
应该理解的是，虽然图1-图4的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1-图4中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，提供了一种铁路桥墩健康状态评估装置，可以包括：
数据获取模块，用于获取若干传感器采集的动力时程响应数据；若干传感器分别设于待测桥墩测试点、待测桥墩的第一侧梁体的测试点，以及待测桥墩的第二侧梁体的测试点；
频谱分析模块，用于对动力时程响应数据进行频谱分析，得到频谱数据，并基于频谱数据确认待测桥墩的分析频率；
等效集中质量获取模块，根据分析频率和频谱数据，得到第一侧梁体等效到靠近待测桥墩的第一集中质量，以及第二侧梁体等效到靠近待测桥墩的第二集中质量，并基于第一集中质量和第二集中质量，得到待测桥墩的墩顶等效集中质量；
输出模块，用于采用墩顶等效集中质量获取简化分析模型，并基于简化分析模型，通过模型修正输出待测桥墩的健康状态评估指标。
关于铁路桥墩健康状态评估装置的具体限定可以参见上文中对于铁路桥墩健康状态评估方法的限定，在此不再赘述。上述铁路桥墩健康状态评估装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。需要说明的是，本申请实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
一种铁路桥墩健康状态评估设备，可以包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的方法的步骤。
一种铁路桥墩健康状态评估系统，可以包括若干传感器和上述的铁路桥墩健康状态评估设备；若干传感器分别设于待测桥墩测试点、待测桥墩的第一侧梁体的测试点，以及待测桥墩的第二侧梁体的测试点；待测桥墩测试点包括待测桥墩的墩顶位置、待测桥墩的墩中位置以及待测桥墩的墩底位置；第一侧梁体的测试点包括第一侧梁体靠近待测桥墩的位置、第一侧梁体跨中的位置以及第一侧梁体远离待测桥墩的位置；第二侧梁体的测试点包括第二侧梁体靠近待测桥墩的位置、第二侧梁体跨中的位置以及第二侧梁体远离待测桥墩的位置；
若干传感器均与铁路桥墩健康状态评估设备相连接。
具体地，传感器可以为横向速度传感器或加速度传感器；如图5所述，以3#墩为例将其作为待测桥墩，初次试验在其第一侧3#梁顶布置三个传感器：左端传感器1(第一侧梁体靠近待测桥墩的位置)，跨中传感器2(第一侧梁体跨中的位置)，右端传感器3(第一侧梁体远离待测桥墩的位置)；在第二侧4#梁顶布置三个传感器：左端传感器4(第二侧梁体靠近待测桥墩的位置)，跨中传感器5(第二侧梁体跨中的位置)，右端传感器6(第二侧梁体远离待测桥墩的位置)；在3#墩身布置三个传感器：墩顶传感器7(待测桥墩的墩顶位置)，墩中传感器8(待测桥墩的墩中位置)，墩底传感器9(待测桥墩的墩底位置)；传感器的布置方向均垂直于线路方向。
安置墩身传感器时，桥墩顶部的传感器可以直接固定在桥墩顶面混凝土上。安置沿墩身的传感器时，需要事先在安装传感器的位置粘贴木块或者角钢，然后将传感器固定在木块或角钢上。梁顶的传感器，找到梁体对应位置的梁体部分，直接将传感器固定。将各传感器连接到采集仪，然后将特制铁球固定在3#桥墩处，沿横桥向撞击桥墩，施加横桥向激励，拾取各测点的速度或加速度时程响应，即动力时程响应数据；采集仪将动力时程响应数据传输至主机进行处理，主机经过处理后输出待测桥墩的健康状态评估指标，从而用于评估待测桥墩的健康状态。
后续对下一个桥墩的健康状态进行评估的方式可以为：将4#墩作为待测桥墩，将3#梁体测点1、测点2、测点3拆除并分别平移至5#梁顶左端测点10、跨中测点11、右端测点12；将墩身测点7、测点8、测点9拆除并平移至4#墩墩顶测点13、墩中测点14、墩底测点15；4#梁体测点保留不变。对4#墩施加横向激励，从而获取4#墩的动力时程响应数据，从而主机通过铁路桥墩健康状态评估方法输出4#墩的健康状态评估指标，后续对桥墩简况状态的评估可以此方式沿线路方向推进完成。
铁路桥墩健康状态评估设备在接收到动力时程响应数据后，对动力时程响应数据进行频谱分析，得到频谱数据，如图5中步骤2所示，并基于频谱数据确认待测桥墩3#的分析频率，分析频率分别为f1和f2；再根据相应的分析频率处第一侧梁体的幅值可以判断第一侧梁体的振型为一阶振型还是二阶振型，同样地，可以判断第二侧梁体的振型为一阶振型还是二阶振型，这样就可以形成四种桥梁振型，如图5所示，例如第一种桥梁振型和第二种桥梁振型分别为待测桥墩两侧均为同一种一阶振型、同一种二阶振型；根据分析频率f1处第一侧梁体的幅值，以及第一侧梁体的振型，可以得到第一集中质量
Figure BDA0003103631230000201
根据分析频率f1处第二侧梁体的幅值，以及第二侧梁体的振型，可以得到第二集中质量
Figure BDA0003103631230000202
则分析频率f1处墩顶等效集中质量为
Figure BDA0003103631230000203
同理，可以得到分析频率f2处墩顶等效集中质量为
Figure BDA0003103631230000204
再采用得到的墩顶等效集中质量获取简化分析模型，并基于简化分析模型，通过模型修正输出待测桥墩的健康状态评估指标，具体过程如上述步骤，此处不再赘述。
以上，本申请的铁路桥墩健康状态评估系统可以在列车通行间隔进行对桥墩进行健康评估，不需要中断线路的正常运营，按既定的测点布置与平移方案对大量桥墩进行定量评估，极大地提高了对桥墩健康状态的评估效率且准确性非常高。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种铁路桥墩健康状态评估方法，其特征在于，包括：
获取若干传感器采集的动力时程响应数据；若干所述传感器分别设于待测桥墩测试点、所述待测桥墩的第一侧梁体的测试点，以及所述待测桥墩的第二侧梁体的测试点；
对所述动力时程响应数据进行频谱分析，得到频谱数据，并基于所述频谱数据确认所述待测桥墩的分析频率；
根据所述分析频率和所述频谱数据，得到所述第一侧梁体等效到靠近所述待测桥墩的第一集中质量，以及所述第二侧梁体等效到靠近所述待测桥墩的第二集中质量，并基于所述第一集中质量和所述第二集中质量，得到所述待测桥墩的墩顶等效集中质量；
采用所述墩顶等效集中质量获取简化分析模型，并基于所述简化分析模型，通过模型修正输出所述待测桥墩的健康状态评估指标。
2.根据权利要求1所述的铁路桥墩健康状态评估方法，其特征在于，所述频谱数据包括所述第一侧梁体的频谱数据以及所述第二侧梁体的频谱数据；
所述根据所述分析频率和所述频谱数据，得到所述第一侧梁体等效到靠近所述待测桥墩的第一集中质量，以及所述第二侧梁体等效到靠近所述待测桥墩的第二集中质量的步骤，包括：
基于所述第一侧梁体的频谱数据，得到所述分析频率处所述第一侧梁体的幅值；基于所述第二侧梁体的频谱数据，得到所述分析频率处所述第二侧梁体的幅值；
根据所述分析频率处所述第一侧梁体的幅值，确认所述第一侧梁体的振型；根据所述分析频率处所述第二侧梁体的幅值，确认所述第二侧梁体的振型；
处理所述分析频率处所述第一侧梁体的幅值，以及所述第一侧梁体的振型，得到所述第一集中质量；处理所述分析频率处所述第二侧梁体的幅值，以及所述第二侧梁体的振型，得到所述第二集中质量。
3.根据权利要求2所述的铁路桥墩健康状态评估方法，其特征在于，
所述振型包括一阶振型和二阶振型；所述分析频率处所述第一侧梁体的幅值包括所述分析频率处所述第一侧梁体远离所述待测桥墩的第一幅值、所述分析频率处所述第一侧梁体靠近所述待测桥墩的第二幅值以及所述分析频率处所述第一侧梁体跨中的第三幅值；所述分析频率处所述第二侧梁体的幅值包括所述分析频率处所述第二侧梁体靠近所述待测桥墩的第四幅值、所述分析频率处所述第二侧梁体远离所述待测桥墩的第五幅值以及所述分析频率处所述第二侧梁体跨中的第六幅值；
所述处理所述分析频率处所述第一侧梁体的幅值，以及所述第一侧梁体的振型，得到所述第一集中质量；处理所述分析频率处所述第二侧梁体的幅值，以及所述第二侧梁体的振型，得到所述第二集中质量的步骤，包括：
若所述第二侧梁体的振型为所述一阶振型，则基于以下模型得到所述第二集中质量：
Figure FDA0003103631220000021
若所述第二侧梁体的振型为所述二阶振型，则基于以下模型得到所述第二集中质量：
Figure FDA0003103631220000022
若所述第一侧梁体的振型为所述一阶振型，则基于以下模型得到所述第一集中质量：
Figure FDA0003103631220000031
若所述第一侧梁体的振型为所述二阶振型，则基于以下模型得到所述第一的集中质量：
Figure FDA0003103631220000032
其中，
Figure FDA0003103631220000033
为梁体均布质量，l为梁跨度；δ1A为所述第四幅值，δ1B为所述第五幅值，δ1C为所述第六幅值；δ2A为所述第一幅值，δ2B为所述第二幅值，δ2C为所述第三幅值。
4.根据权利要求1至3任一项所述的铁路桥墩健康状态评估方法，其特征在于，所述基于所述第一集中质量和所述第二集中质量，得到所述待测桥墩的墩顶等效集中质量的步骤中，基于以下公式得到所述墩顶等效集中质量：
M0＝Ml+Mr
其中，Ml为所述第一集中质量；Mr为所述第二集中质量。
5.根据权利要求1至3任一项所述的铁路桥墩健康状态评估方法，其特征在于，所述频谱数据包括所述待测桥墩的墩顶的频谱数据；
所述基于所述频谱数据确认所述待测桥墩的分析频率的步骤，包括：
基于所述墩顶的频谱数据，确定所述墩顶的低阶频谱峰值点；
将所述低阶频谱峰值点对应的频率确认为所述待测桥墩的分析频率。
6.根据权利要求5所述的铁路桥墩健康状态评估方法，其特征在于，所述频谱数据还包括所述待测桥墩的墩中的频谱数据，以及所述待测桥墩的墩底的频谱数据；
所述基于所述简化分析模型，通过模型修正输出所述待测桥墩的健康状态评估指标的步骤，包括：
基于所述简化分析模型，得到所述简化分析模型的理论频率和所述简化分析模型的振型；
根据所述墩顶的频谱数据，得到所述分析频率处所述墩顶的第七幅值；基于所述墩中的频谱数据，得到所述分析频率处所述墩中的第八幅值；基于所述墩底的频谱数据，得到所述分析频率处所述墩底的第九幅值；基于所述第七幅值、所述第八幅值以及所述第九幅值，确认所述待测桥墩的振型；
将所述待测桥墩的振型和所述分析频率作为目标值，利用残差公式处理所述简化分析模型的理论频率、所述简化分析模型的振型、所述分析频率以及所述待测桥墩的振型，得到理论模态参数和实测模态参数的残差；
采用约束优化算法对所述简化分析模型进行修正，得到待识别参数；所述待识别参数用于使所述理论模态参数和实测模态参数的残差满足预设收敛准则；
基于所述待识别参数，得到并输出所述待测桥墩的健康状态评估指标。
7.根据权利要求6所述的铁路桥墩健康状态评估方法，其特征在于，所述待测桥墩的状态评估指标包括局部状态评估指标和整体状态评估指标。
8.根据权利要求1至3任一项所述的铁路桥墩健康状态评估方法，其特征在于，所述采用所述墩顶等效集中质量获取简化分析模型的步骤，包括：
采用所述墩顶等效集中质量，结合所述待测桥墩的墩身简化模型、所述待测桥墩的刚度系数以及所述待测桥墩的基础底部约束，获取所述简化分析模型；所述待测桥墩的刚度系数包括弹性模量和墩身截面惯性矩。
9.一种铁路桥墩健康状态评估设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。
10.一种铁路桥墩健康状态评估系统，其特征在于，包括若干传感器和权利要求9所述的铁路桥墩健康状态评估设备；若干所述传感器分别设于待测桥墩测试点、所述待测桥墩的第一侧梁体的测试点，以及所述待测桥墩的第二侧梁体的测试点；所述待测桥墩测试点包括所述待测桥墩的墩顶位置、所述待测桥墩的墩中位置以及所述待测桥墩的墩底位置；所述第一侧梁体的测试点包括所述第一侧梁体靠近所述待测桥墩的位置、所述第一侧梁体跨中的位置以及所述第一侧梁体远离所述待测桥墩的位置；所述第二侧梁体的测试点包括所述第二侧梁体靠近所述待测桥墩的位置、所述第二侧梁体跨中的位置以及所述第二侧梁体远离所述待测桥墩的位置；
所述若干传感器均与所述铁路桥墩健康状态评估设备相连接。
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