CN113960165A - 一种使用从移动车辆响应提取的振型进行板梁桥铰缝损伤检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于桥梁检测的技术领域，提供了一种使用从移动车辆响应提取的振型进行板梁桥铰缝损伤检测的方法，步骤如下：首先，通过正弦扫频测试获得桥梁的前几阶自振频率。其次，确定在检测过程中固定激励车的激励参数，包括激励的幅值和频率。然后，固定激励车放置在桥梁跨中的边部对桥梁进行激振，另一辆车沿着行驶路径匀速移动并采集车辆加速度。接着，使用希尔伯特变换从滤波后的车辆加速度中提取桥梁振型。最后，利用基于振型曲率的损伤指标确定铰缝损伤位置。利用固定激励车激发桥梁的振动，通过移动车辆的加速度响应得到的桥梁振型就可实现装配式板梁桥铰缝损伤的快速定位。

Description

一种使用从移动车辆响应提取的振型进行板梁桥铰缝损伤检 测的方法

技术领域

本发明属于桥梁检测的技术领域，涉及基于振动的装配式板梁桥铰缝损伤检测方法。

背景技术

装配式板梁桥由多个并排布置的预制混凝土空心板梁组成，是小跨径桥梁的主要形式。相邻空心板梁之间通过铰缝横向连接。铰缝的纵向开裂是装配式板梁桥的主要病害。铰缝损伤会削弱桥梁整体性，进一步降低桥梁承载力。目视检查是目前检查土木工程结构病害的常规方法，检查员根据外观对结构进行主观的评估。铰缝损伤属于桥梁隐蔽病害，即使铰缝的开裂高度达到截面高度的一半，目视检查也很难发现。通常铰缝局部产生贯穿裂缝，桥面的水沿着裂缝渗漏到桥底。在上述情况下目视检查可以发现铰缝损伤，但此时铰缝损伤已威胁到桥梁安全，且桥梁维修成本巨大。如果在铰缝开裂高度达到截面高度的一半时就可以检测到铰缝损伤，这对于保证装配式空心板桥的结构安全和及时维修具有重要意义。各种无损技术可以提供有关结构缺陷的详细信息，但大多数无损检测技术需要数据分析、解释等方面的专业知识。

除了上述视觉检测和无损检测技术外，基于振动的损伤检测方法也得到了广泛深入的研究，并提出了许多损伤检测算法和指标。基于振动的方法可以进一步分为直接测量和间接测量。直接测量方法是利用传感器测量结构的响应，获得固有频率、振型和阻尼比等模态参数，结构损伤会导致模态参数发生变化。基于移动车辆响应的间接方法只需要在试验车辆上安装一个或几个振动传感器即可获得桥梁的模态参数。与直接测量方法相比，间接方法具有经济和高效等优点。根据激励的特点，间接法又可分为非主动激励法和主动激励法。其中非主动激励法如下：杨永斌从一辆移动车辆的响应中提取桥梁的前三阶频率。之后，杨永斌通过希尔伯特变换获得车辆加速度的瞬时幅度用于估计桥梁振型。简旭东提出了一个由三辆试验车和一辆重型卡车组成的模型，并通过小波分析从相邻试验车的加速度的来识别桥梁振型。主动激励法如下：张尧提出从一辆安装有激振器的移动车辆的响应中提取结构的振型平方。目前间接方法的研究主要集中在模态振型的提取上，很少有利用提取的振型进行损伤检测的研究。这是因为当前方法提取的振型的准确性较低，难以进一步进行损伤检测。在非主动激励方法中，桥梁振动是由卡车和检测车辆的运动引起的。由于激励能量和带宽的限制，只能提取到前三阶振型，且路面不平顺对提取结果影响很大。在主动激励方法通过控制安装在车辆上的激振可提取更高阶振型，但由于激振器输入能量的限制，适用于中小跨径桥梁的检测。

装配式板梁桥属于小跨度桥梁，其跨度为8-20m，该类型桥梁的高阶振型对铰缝损伤较为敏感。因此，主动激励方法适用于该类型桥梁。张尧提出的主动激励法中，一辆移动车辆同时起到主动激励和加速度采集的作用。由于激励位置不断变化，桥梁一直处于非稳态受迫振动状态。提取的振型平方与理论计算存在较大误差，无法用于进一步的损伤检测。综上所述，如何从移动车辆的响应中提取精确振型对装配式板梁桥的铰缝损伤检测具有重要意义。

发明内容

本发明旨在提供一种新的装配式板梁桥铰缝损伤检测方法，解决桥梁检测过程中的铰缝损伤的快速定位问题。

本发明的技术方案：提出了装配式板梁桥铰缝损伤检测的程序。首先，通过正弦扫频测试获得桥梁的前几阶自振频率。其次，确定在检测过程中固定激励车的激励参数，包括激励的幅值和频率。然后，固定激励车放置在桥梁跨中的边部对桥梁进行激振，另一辆车沿着行驶路径匀速移动并采集车辆加速度。接着，使用希尔伯特变换从滤波后的车辆加速度中提取桥梁振型。最后，利用基于振型曲率的损伤指标确定铰缝损伤位置。

一种使用从移动车辆响应提取的振型进行板梁桥铰缝损伤检测的方法，步骤如下：

第一步，正弦扫频测试获得桥梁的前几阶自振频率

装有便携式激振器的激励车辆被放置在桥梁跨中的边缘，另一辆移动车辆紧靠激励车放置并保持静止。正弦扫频测试由安装在激励车辆上的激振器执行，同时安装在另一辆车上的传感器采集加速度。正弦扫频的频率范围为1Hz-50Hz，扫频周期为10s-20s，选择激振器所能提供的最大激振力作为激励幅值。桥梁的自振频率从车辆加速度的自功率谱获得；

第二步，确定在检测过程中固定激励车的激励参数

安装在固定激励车上的激振器产生正弦激励来激发桥梁振动。激励参数包括激励幅值和频率：选择激振器所能提供的最大激振力作为激励幅值。激励频率选择第一步中由自功率谱获得的对铰缝损伤敏感的第三阶和第四阶自振频率；

第三步，在固定激励车的激振下，另一辆车沿着行驶路径匀速移动并采集车辆加速度

首先，选择第三阶自振频率作为激励参数，固定激励车辆工作不小于4s使桥梁达到稳态受迫振动。然后，将桥梁跨中的横桥向作为行驶路径，移动车辆沿行驶路径匀速移动以完成加速度采集，车速为0.5m/s-1.5m/s。接着，选择第四阶自振频率作为激励参数，固定激励车辆工作不小于4s使桥梁再次达到稳态受迫振动。车辆沿着与之前行驶路径相反的方向匀速移动再次完成加速度采集；

第四步，使用希尔伯特变换从滤波后的车辆加速度中提取桥梁振型

首先，对采集的加速度进行窄带滤波以减小路面粗糙度对振型提取的不利影响。窄带滤波的中心频率是激励车的激励频率。窄带滤波的上限取中心频率加15％-20％，窄带滤波的下限取中心频率减15％-20％。然后，利用希尔伯特变换提取滤波后加速度的瞬时幅值，得到桥梁振型；

第五步，利用基于振型曲率的损伤指标确定铰缝损伤位置

首先，通过第四步提取到的振型的二阶中心差分得到损伤桥梁的振型曲率。然后，通过对损伤桥梁的振型曲率进行多项式拟合，得到健康结构的曲率振型。未损伤桥梁的第i阶模态的振型曲率可拟合为如下形式：

其中，C_k是多项式拟合计算出的系数；m为多项式拟合的阶数，m取为4。最后，损伤指标可以定义为振型曲率差的绝对值。

DI_ij＝|φ_ij,d-φ_ij,u|

其中，φ_ij,d和φ_ij,u为损伤桥梁和未损伤桥梁的第i阶模态在测点j处的振型曲率。

本发明的有益效果：利用固定激励车激发桥梁的振动，通过移动车辆的加速度响应得到的桥梁振型就可实现装配式板梁桥铰缝损伤的快速定位。固定激励车可激发桥梁特定阶次模态的振动，并使桥梁处于稳态受迫振动的状态；移动车辆的加速度响应获取容易，并从车辆的加速度中可获得精确的桥梁振型。

附图说明

图1是装配式板梁桥检测示意图；

图2是装配式板梁桥的横截面；

图3是正弦扫频测试时车辆上采集的典型加速度；

图4是车辆加速度的自功率谱；

图5是激励频率为19.03Hz采集的加速度；

图6(a)是铰缝不同开裂高度的第三阶振型；

图6(b)是铰缝不同开裂高度的第四阶振型；

图7(a)是铰缝不同开裂高度的第三阶振型曲率；

图7(b)是铰缝不同开裂高度的第四阶振型曲率；

图8(a)是铰缝不同开裂高度的第三阶损伤指标；

图8(b)是铰缝不同开裂高度的第四阶损伤指标。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图，进一步阐明本发明的实施方式。

一座装配式板梁桥检测的数值模拟被用来验证所提出方法的有效性。桥梁检测示意图如图1所示。桥梁桥梁的跨度为13m，宽度为16m，空心板梁的数量为16，横截面如图2所示。固定激励车和移动检测车简化为单自由度弹簧质量阻尼系统，车的质量为100kg，弹簧刚度为1e6kN/m，阻尼比为0.02。损伤工况设置为从桥梁底部向顶部的铰缝开裂。开裂高度分别为0.25h、0.50h和0.75h，其中h为桥梁横截面的高度。开裂铰缝的编号为10。方法具体实施方式如下：

(1)通过正弦扫频测试获得桥梁的前几阶自振频率。固定激励车执行正弦扫频测试的频率范围为1Hz-50Hz，扫频周期为10s，激励幅值1000N。另一辆车紧靠激励车保持静止，具体位置如图1所示。从车辆上采集的正弦扫频测试的加速度如图3所示。加速度的自功率谱如图4所示。从自功率谱的峰值获得桥梁前四阶的自振频率为7.28Hz、10.29Hz、19.03Hz和33.8Hz。

(2)确定在检测过程中固定激励车的激励参数。激励幅值1000N，激励频率为对铰缝损伤敏感的第三阶频率和第四阶频率，分别为19.03Hz和33.8Hz。

(3)首先选择19.03Hz作为激励参数，固定激励车辆工作4s使桥梁达到稳态受迫振动。然后，移动车辆沿如图1所示的行驶路径以1m/s的速度完成加速度采集，接着，选择33.80Hz作为激励参数，固定激励车辆工作4s使桥梁再次达到稳态受迫振动。车辆沿着与之前行驶路径相反的方向以1m/s的速度再次完成加速度采集。

(4)首先，对采集的加速度进行窄带滤波。激励频率为19.03Hz时，窄带滤波的上下限为17Hz和21Hz，滤波前后的加速度如图5所示。激励频率为33.8Hz时，窄带滤波的上下限为30.5Hz和37.2Hz。然后，利用希尔伯特变换提取滤波后加速度的瞬时幅值得到桥梁振型。铰缝不同开裂高度的第三阶振型如图6(a)所示，铰缝不同开裂高度的第四阶振型如图6(b)所示。

(5)通过上一步获得的振型的二阶中心差分得到损伤桥梁的振型曲率。铰缝不同开裂高度的第三阶振型曲率如图7(a)所示，铰缝不同开裂高度的第四阶振型曲率如图7(b)所示。基于第三阶振型曲率差绝对值的损伤指标如图8(a)所示，基于第四阶振型曲率差绝对值的损伤指标如图8(b)所示。

当铰缝开裂高度≥0.50h，损伤指标在铰缝开裂位置出现了明显峰值。由此可见，通过本发明的方法可实现在铰缝开裂高度达到截面高度一半时铰缝损伤的定位。

Claims (1)

1.一种使用从移动车辆响应提取的振型进行板梁桥铰缝损伤检测的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)通过正弦扫频测试获得桥梁的前几阶自振频率：装有便携式激振器的激励车辆被放置在桥梁跨中的边缘，另一辆移动车辆紧靠激励车辆放置并保持静止；正弦扫频测试由安装在激励车辆上的激振器执行，同时安装在另一辆移动车辆上的传感器采集加速度；正弦扫频的频率范围为1Hz-50Hz，扫频周期为10s-20s，选择激振器所能提供的最大激振力作为激励幅值；桥梁的自振频率从车辆加速度的自功率谱获得；

(2)确定在检测过程中固定激励车辆的激励参数：安装在固定激励车辆上的激振器产生正弦激励来激发桥梁振动；激励参数包括激励幅值和频率；选择激振器所能提供的最大激振力作为激励幅值；激励频率选择第一步中由自功率谱获得的对铰缝损伤敏感的第三阶和第四阶自振频率；

(3)在固定激励车的激振下，另一辆移动车辆沿着行驶路径匀速移动并采集车辆加速度：首先，选择第三阶自振频率作为激励参数，固定激励车辆工作不小于4s使桥梁达到稳态受迫振动；然后，将桥梁跨中的横桥向作为行驶路径，移动车辆沿行驶路径匀速移动以完成加速度采集，车速为0.5m/s-1.5m/s；接着，选择第四阶自振频率作为激励参数，固定激励车辆工作不小于4s使桥梁再次达到稳态受迫振动；移动车辆沿着与之前行驶路径相反的方向匀速移动再次完成车辆加速度采集；

(4)使用希尔伯特变换从滤波后的车辆加速度中提取桥梁振型：首先，对采集的加速度进行窄带滤波以减小路面粗糙度对振型提取的不利影响；窄带滤波的中心频率是激励车的激励频率；窄带滤波的上限取中心频率加15％-20％，窄带滤波的下限取中心频率减15％-20％；然后，利用希尔伯特变换提取滤波后加速度的瞬时幅值，得到桥梁振型；

(5)利用基于振型曲率的损伤指标确定铰缝损伤位置：首先，通过第四步提取到的振型的二阶中心差分得到损伤桥梁的振型曲率；然后，通过对损伤桥梁的振型曲率进行多项式拟合，得到健康结构的曲率振型；未损伤桥梁的第i阶模态的振型曲率可拟合为如下形式：

其中，C_k是多项式拟合计算出的系数；m为多项式拟合的阶数，m取为4；最后，损伤指标可以定义为振型曲率差的绝对值；

DI_ij＝|φ_ij,d-φ_ij,u|

其中，φ_ij,d和φ_ij,u为损伤桥梁和未损伤桥梁的第i阶模态在测点j处的振型曲率。

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