CN114295310B - 用于强化桥梁间接测量功效的“无频”检测车及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于桥梁健康监测领域，提出了一种用于强化桥梁间接测量功效的“无频”检测车及其设计方法。本发明通过理论推导，发现了车辆频率与桥梁频率的理论联系，基于此设计了无频检测车，以天然排除车辆响应中车辆自身的干扰因素，进而保证车体响应频谱中的桥梁频率不受车频的干扰。该无频检测车的自振频率不会对桥梁频率的辨识产生影响，对桥梁频率幅值具有放大作用。

Description

用于强化桥梁间接测量功效的“无频”检测车及设计方法
技术领域
本发明属于桥梁健康监测领域。
背景技术
桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，在国家的社会经济发展中起着重要的枢纽作用。随着桥梁服役时间增长、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，桥梁的结构会出现老化损伤，可能会导致安全事故的发生。因此。对桥梁健康状况的监测具有十分重要的意义。桥梁的固有频率是桥梁的基本特性之一，通常作为一种有效的指标来评估结构的动力特性，判断桥梁是否出现老化，损伤等问题。在实际中，但大多数桥梁的固有频率是未知的。因此，需要利用相关的技术或者设备去获取桥梁的固有频率，了解桥梁的动力特性，对桥梁的健康状态进行诊断评估。
目前，对于获取桥梁频率的主要手段主要依赖于安装在桥梁上的健康监测系统。健康监测系统主要由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。通过对桥梁运营状态的实时监测来获取结构的动力特性。但传统的健康监测方法须在桥梁上布置数量庞大且种类繁多的传感器及采集系统，监测数据海量、成本昂贵，因此仅适用于投资大且起命脉作用的大跨桥梁工程。现阶段，对于中小跨桥梁的检测仍以人工巡检为主，检测周期为6年-10年，难以及时准确监测桥梁服役状态。
最接近现有技术：
近年来，基于车辆响应的桥梁频率辨识技术应运而生，也称为“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/停驻在桥梁时，由于受到车辆/环境激励，车载传感器拾取信号中势必包含桥梁振动信息，通过信号处理可获取桥梁的固有频率。间接测量法由于具有机动性强、高效经济且无需封路和驻足作业等优点，使得其在桥梁健康监测领域得到了广泛地应用。自间接法问世以来，即受到国内外诸多学者的广泛关注，取得了系列创新性的研究成果，有望为中小跨径桥梁健康状态的快速测试与安全诊断提供一种全新的思路。
然而，目前直接利用传统车辆加速度响应来提取桥梁频率存在一个潜在的问题，即获取的车体响应频谱中主要包含两类频率：桥梁频率和车辆自身频率，前者是识别目标，后者则是干扰影响因素。尤其当车辆频率接近桥梁频率或者车辆频率占比较高的情况时，会直接影响桥梁频率的辨识度和精度，进而无法准确判断桥梁的健康状况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术中的不足，提供了一种用于桥梁间接检测的检测车，即“无车辆频率”的检测车。
技术方案：
为实现上述目的，本发明采用的设计方案，包含如下步骤：
一种用于强化桥梁间接测量功效的“无频”检测车的设计方法，包括如下步骤：
步骤1：无频检测车的结构设计和制作要点
检测车的重心位于车轴(1)中心；检测车车厢(2)由不锈钢板制造，采用高强钢板材料；车厢(2)固定在车轴(1)之上；车轮(3)采用聚氨酯车轮，加工精度应控制在0.1mm以内,其材料的硬度不低于90A,拉伸强度不低于39MPa，轮胎的聚氨酯覆盖层厚度不低于10mm，轮胎的整体刚度不低于3.5×107N/m；检测车为单轴车，汽车牵引，两车之间设置有连接部件(4)，确保牵引车仅提供检测车牵引力；车轴(1)上设置有加速度传感器(5)；
步骤2：通过建立车桥耦合模型，进行理论推导
建立车体加速度响应与桥梁接触点加速度响应之间的传递函数，从理论上揭示了车体频率与桥梁频率的内在联系；
Figure BDA0003424443140000021
Figure BDA0003424443140000022
式(1)和(2)分别代表桥梁和检测车的动力平衡方程；其中，x表示桥梁上的位置点，t为车体行驶时间，从车刚进入桥梁时刻算起；E表示桥梁的弹性模量，I表示截面惯性矩，
Figure BDA0003424443140000023
表示单位长度质量，u表示桥梁竖向位移，uc表示桥梁与车体接触点位移，fc(t)表示车/桥接触力，fa为环境干扰力；v表示车体速度，mv为车体质量，kv为车体刚度，yv表示车体竖向位移，/>
Figure BDA0003424443140000024
为加速度；δ为迪克拉函数；
求解上述方程，获取桥梁接触点加速度响应
Figure BDA0003424443140000025
和车体加速度响应/>
Figure BDA0003424443140000026
Figure BDA0003424443140000027
Figure BDA0003424443140000031
式中，ωbn为桥梁频率，ωv为车体频率，Asn,Adn,Abln和Abrn为与桥梁响应相关的幅值系数，Avn为与车体响应相关的幅值系数；
通过对比式(3)和(4)，推导如下的关系：
Figure BDA0003424443140000032
式(5)中，H(ωbn)为检测车与桥梁接触点之间的传递函数，表示为：
Figure BDA0003424443140000033
车辆频率与桥梁频率关系为：ωv＞＞ωbn||ωv＜＜ωb1；ωb1为第一阶频率，即桥梁最小频率；
无频检测车的设计需要满足如下条件：
Figure BDA0003424443140000034
无频检测车的设计需满足ωv＞＞ωbn。
采用上述“无频”检测车的设计方法制作的无频检测车对桥梁频率幅值具有放大作用，车体加速度频谱呈现出低幅值且无主峰值的特征。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过理论推导，发现了车辆频率与桥梁频率的理论联系，基于此设计的无频检测车，以天然排除车辆响应中车辆自身的干扰因素，进而保证车体响应频谱中的桥梁频率不受车频的干扰。同时，该无频检测车对桥梁频率幅值具有放大作用。通过现场试验对本发明的可行性进行了检验，试验结果显示，在利用本发明获取桥梁频率的过程中不会面临上述所阐述的问题，即车辆的自振频率不会对桥梁频率的辨识产生影响，也证明了本发 明的检测车对桥梁响应幅值具有一定的放大作用。
附图说明
图1为本发明无频检测车
图2为发明理论模型
图3为车桥频率比与车辆响应中桥梁频率幅值传递函数关系图
图4为本发明实施例1进行橡胶轮胎振动测试结果:(a)时程图，(b)加速度频谱图
图5为本发明实施例1进行聚氨酯轮胎振动测试结果:(a)时程图，(b)加速度频谱图
图6为实施例1中由两种车轴的实桥测试结果
附图标记：
车轴1，车厢2，车轮3，连接部件4,加速度传感器5
具体实施方式
以下结合附图对本发明技术方案做进一步说明。
实施例1
步骤1无频检测车的结构设计和制作要点
检测车的重心位于车轴(1)中心，保证整个检测车在垂直和横向均具有自平衡特性。检测车车厢(2)由不锈钢板制造，采用高强钢板材料，厚度为8毫米。车厢固定在车轴(1)之上，不得有相对运动或悬挂装置。车轮(3)采用聚氨酯车轮，加工精度应控制在0.1mm以内,其材料的硬度不低于90A,拉伸强度不低于39MPa。轮胎的聚氨酯覆盖层厚度不低于10mm。轮胎的整体刚度不低于3.5×107N/m。车轮与车轴通过机械轴承整合，保证车轮与车轴之间仅有转动，无其余相对运动。检测车为单轴车，自身无驱动力，汽车牵引，两车之间需设置连接部件(4)(如滚轴或球节点等柔性连接)，确保牵引车仅提供检测车牵引力，不传递其它力。车轴(1)上设置有加速度传感器(5)。无频检测车见图1所示。
步骤2以图2为力学模型，通过建立车桥耦合模型，进行理论推导。
建立了车体加速度响应与桥梁接触点加速度响应之间的传递函数，从理论上揭示了车体频率与桥梁频率的内在联系。
Figure BDA0003424443140000041
Figure BDA0003424443140000042
式(1)和(2)分别代表桥梁和检测车的动力平衡方程。x表示桥梁上的位置点，t为车体行驶时间，从车刚进入桥梁时刻算起；E表示桥梁的弹性模量，I表示截面惯性矩，
Figure BDA0003424443140000043
表示单位长度质量，u表示桥梁竖向位移，uc表示桥梁(与车体)接触点位移，fc(t)表示车/桥接触力，fa为环境干扰力；v表示车体速度，mv为车体质量，kv为车体刚度(轮胎刚度)，yv表示车体竖向位移，/>
Figure BDA0003424443140000051
为加速度；δ为迪克拉函数。
求解上述方程，即可获取桥梁接触点加速度响应
Figure BDA0003424443140000052
和车体加速度响应/>
Figure BDA0003424443140000053
Figure BDA0003424443140000054
Figure BDA0003424443140000055
式中，ωbn为桥梁频率，ωv为车体频率，Asn,Adn,Abln和Abrn为与桥梁响应相关的幅值系数，Avn为与车体响应相关的幅值系数。
通过对比式(3)和(4)，可以推导如下的关系：
Figure BDA0003424443140000056
式(5)中，H(ωbn)为检测车与桥梁接触点之间的传递函数，可以表示为：
Figure BDA0003424443140000057
图3绘制了|H(ωbn)|与ωbn/ωv的关系曲线。可以看出，当
Figure BDA0003424443140000058
时，|H(ωbn)|远大于1，表明车辆响应中桥梁频率的幅值大于桥梁接触点响应中的幅值。相反，当
Figure BDA0003424443140000059
时,|H(ωbn)|小于1，则车辆响应中桥梁频率的幅值相对接触点响应会降低，这对于桥梁频率辨识是不利的。对于ωbn/ωv＝1的特殊情形，|H(ωbn)|虽然趋于无穷大，但此时的目标频率带宽会被放大，难以精确频率峰值。此外，共振对桥梁和车辆均会产生不利影响，工程中需避免共振现象。
需要指出的是，以上条件
Figure BDA00034244431400000510
&/>
Figure BDA00034244431400000511
仅能保证车辆响应中桥梁频率的幅值大于桥梁接触点响应中的幅值，即桥梁频率幅值被放大，但此时车辆响应中仍存在车辆频率的干扰。为彻底排除车辆频率干扰，需使车辆频率不落在所关注的桥梁频率区间，即：使车辆频率远大于所关注的最大桥梁频率，或使车辆频率远远小于所关注的最小桥梁频率，即第一阶桥梁频率。此时的车辆频率与桥梁频率关系为：ωv＞＞ωbn||ωv＜＜ωb1。ωb1为第一阶频率，即桥梁最小频率。
综上可得，无频检测车的设计需要满足如下条件：
Figure BDA00034244431400000512
求解可得：无频检测车的设计需满足ωv＞＞ωbn。
通过上述设计要点制备的本发明检测车：该聚氨酯轮胎单轴车体振动测试结果如图5所示，可以发现车体加速度频谱呈现出低幅值且无主峰值的特征，即为无频检测车。
对比例
更进一步，通过实桥实验分别考察了普通检测车与本发明实施例1无频单轴检测车对桥梁频率的测量结果。对比例，如下：
对比例中的传统检测车的轮胎选用标准产品，型号为195/45R20，轮径为20英寸(508mm)，轮胎宽度为195mm，轮胎橡胶层厚度195×45％＝87.75mm。传统检测车轮胎的整体刚度为1.8×106N/m。
如图6所示，可以清楚地发现：
普通检测车对桥梁频率的测试结果如图6(a)所示。普通检测车加速度频谱中含有车体频率fv1，fv1介于桥梁第一阶频率fb1和第二阶频率fb2之间，极易造成桥梁频率的误判。同时可以发现：fv1接近桥梁第二阶频率fb2，出现了微弱的“共振”现象，此时fb2的峰值和带宽均被放大，fb2附近的干扰峰值也被放大，影响了桥梁频率的辨识度和精准度。
本发明实施例1无频单轴检测车对桥梁频率的测试结果如图6(b)所示，可以清楚发现：检测车加速度频谱中天然地排除了车辆频率，所有峰值均为桥梁频率，可以清晰且准确地辨识出桥梁的前三阶频率。同时对比发现：检测车中的桥梁频率峰值大于桥梁本身的频率峰值，即证明了无频检测车对桥梁频率识别具有放大效应。

Claims (5)

1.一种用于强化桥梁间接测量功效的“无频”检测车的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：无频检测车的结构设计和制作要点
检测车的重心位于车轴(1)中心；检测车车厢(2)由不锈钢板制造，采用高强钢板材料；车厢(2)固定在车轴(1)之上；车轮(3)采用聚氨酯车轮，加工精度应控制在0.1mm以内,其材料的硬度不低于90A,拉伸强度不低于39MPa，轮胎的聚氨酯覆盖层厚度不低于10mm，轮胎的整体刚度不低于3.5×107N/m；检测车为单轴车，汽车牵引，两车之间设置有连接部件(4)，确保牵引车仅提供检测车牵引力；车轴(1)上设置有加速度传感器(5)；
步骤2：通过建立车桥耦合模型，进行理论推导
建立车体加速度响应与桥梁接触点加速度响应之间的传递函数
Figure FDA0003424443130000011
Figure FDA0003424443130000012
式(1)和(2)分别代表桥梁和检测车的动力平衡方程；其中，x表示桥梁上的位置点，t为车体行驶时间，从车刚进入桥梁时刻算起；E表示桥梁的弹性模量，I表示截面惯性矩，
Figure FDA0003424443130000013
表示单位长度质量，u表示桥梁竖向位移，uc表示桥梁与车体接触点位移，fc(t)表示车/桥接触力，fa为环境干扰力；v表示车体速度，mv为车体质量，kv为车体刚度，yv表示车体竖向位移，
Figure FDA0003424443130000014
为加速度；δ为迪克拉函数；
求解上述方程，获取桥梁接触点加速度响应
Figure FDA0003424443130000015
和车体加速度响应/>
Figure FDA0003424443130000016
Figure FDA0003424443130000017
Figure FDA0003424443130000018
式中，ωbn为桥梁频率，ωv为车体频率，Asn,Adn,Abln和Abrn为与桥梁响应相关的幅值系数，Avn为与车体响应相关的幅值系数；
通过对比式(3)和(4)，推导如下的关系：
Figure FDA0003424443130000019
式(5)中，H(ωbn)为检测车与桥梁接触点之间的传递函数，表示为：
Figure FDA00034244431300000110
车辆频率与桥梁频率关系为：ωv＞＞ωbn||ωv＜＜ωb1；ωb1为第一阶频率，即桥梁最小频率；
无频检测车的设计需要满足如下条件：
Figure FDA0003424443130000021
2.如权利要求1所述的一种用于强化桥梁间接测量功效的“无频”检测车的设计方法，其特征在于，以无频检测车的设计满足ωv＞＞ωbn。
3.如权利要求1或者2设计方法制作的无频检测车。
4.如权利要求3所述的无频检测车，其特征在于，该无频检测车对桥梁频率幅值具有放大作用。
5.如权利要求3所述的无频检测车，其特征在于，车体加速度频谱呈现出低幅值且无主峰值的特征。
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