一种基于车辆制动冲击作用的桥梁基础冲刷识别方法技术

一种基于车辆制动冲击作用的桥梁基础冲刷识别方法，属于桥梁桩基冲刷损伤识别技术领域。本发明专利技术为了解决现有桥墩冲刷监测方法中传感器置于水下易受到水文条件的干扰而引起较大测量误差，且安装时易受到实际环境与气候限制的问题。本发明专利技术采用车辆制动力作为激励源，激起桥墩顺桥向加速度响应，并在各桥墩顶部布置加速度传感器，将各桥墩墩顶采集的加速度信号作为分析信号，通过小波包分解与重构获得各频带信号，获得完好桥梁结构和损伤桥梁结构的各桥墩的小波包能量方差，将两者的小波包能量方差变化率对比，确定损伤位置与程度。本发明专利技术的结构损伤识别激励方式增大了激励幅值，提高了处理精度，且具有实时性强，简便易操作等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于车辆制动冲击作用的桥梁基础冲刷识别方法
本专利技术涉及一种桥梁桩基特别是桩基埋深的健康状态定量分析和评价方法，属于桥梁桩基冲刷损伤识别

技术介绍
桥梁基础作为支撑上部结构的重要构件，其工作状态直接影响整个桥梁的安全运营。桩基础在桥梁建设中应用广泛，但由于长期的水流冲刷会带走桥梁下部结构(尤其是桩基础)周围的河床物质，导致桥梁桩基础承载力降低，严重影响了桥梁下部结构的稳定性，严重的甚至会引发桥梁水毁事故，产生重大损失和恶劣社会影响。因此，对桥梁基础冲刷状况进行定期的健康检查，准确诊断损伤，保证桥梁结构的安全运营具有十分重要的意义。由于基础冲刷发生在水面下，具有隐蔽性，损伤诊断有一定难度。针对此类损伤，目前已开发的有基于声纳技术、雷达技术、光纤光栅传感器、时域反射计以及定期组织潜水员进行水下探摸多种桥墩冲刷监测方法，但是监测设备(发射、接收装置)以及人力均非常昂贵，传感器容易受到水文条件的干扰而引起较大测量误差，且安装时受到实际环境与气候的限制，无法在桥梁检测中得到全面应用。因此，提供一种基于动力特性的结构损伤诊断方法诊断桥梁下部结构基础冲刷状态是十分必要的。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有的多种桥墩冲刷监测方法使用的传感器置于水下易受到水文条件的干扰而引起较大测量误差，且安装时受到实际环境与气候的限制的问题，提出了一种基于车辆制动冲击作用的桥梁基础冲刷识别方法。本专利技术的技术方案：一种基于车辆制动冲击作用的桥梁基础冲刷识别方法，包括以下步骤：步骤1，制定桥梁动力测试试验方案；根据桥梁设计信息，建立桥梁整体基准有限元模型，以车辆水平制动力作为桥梁动力测试试验方案的激励类型，制定桥梁动力测试试验方案；步骤2，进行完好桥梁结构动力测试试验；在新建桥梁的各桥墩墩顶处布置加速度传感器作为动力响应测点，并根据步骤1制定的桥梁动力测试试验方案实施基于车辆制动力的桥梁冲击振动试验，测量各测点的动力响应，并对其进行小波去噪处理，选取各桥墩墩顶测点的动力响应加速度信号的自由衰减段作为完好桥梁待分析信号；步骤3，进行损伤桥梁结构动力测试试验；桥梁实际运营一段时间T后，所述的T为0.5年至1年，根据步骤1制定的桥梁动力测试试验方案实施基于车辆制动力的桥梁冲击振动试验，测量各测点的动力响应，并对其进行小波去噪处理，选取各桥墩墩顶测点的动力响应加速度信号的自由衰减段作为损伤桥梁待分析信号；步骤4，确定桥梁损伤位置与程度；将步骤2和步骤3分别得到的完好桥梁待分析信号和损伤桥梁待分析信号进行小波包分解处理后进行分析，最后将完好桥梁结构和损伤桥梁结构的各桥墩的分析结果进行对比，确定损伤位置与程度。优选的：步骤2和步骤3中所述的动力响应为顺桥向墩顶水平加速度响应。优选的：所述的步骤1的具体内容如下：首先，建立基准模型；根据桥梁固有参数建立桥梁整体有限元模型，将该有限元模型作为基准模型；然后，模拟车辆制动效应；车辆水平制动力假定为一个梯形荷载，如下式所示：其中，W为车辆自重，为车辆附着系数，式中，tb为汽车的制动协调时间，t为驾驶员脚踩刹车时间；利用数值方法对不同的加载车重、车速、制动位置以及加载车道，产生的车辆水平制动力进行模拟得到不同的车辆制动效应；最后，确定桥梁动力测试试验方案；将模拟得到的不同车辆制动效应作为激励源作用在桥面体系上激发桥梁结构的水平振动，将桥墩墩顶加速度传感器的自由衰减加速度最大响应幅值作为目标函数，确定桥梁动力测试试验方案,桥梁动力测试试验方案中包括加载车重、车速、制动位置以及加载车道，目标函数如下所示：Max_a＝max(a(t))(2)式中：a(t)为不同制动效应下桥墩墩顶自由衰减加速度响应。优选的：所述的步骤4的具体内容为：首先，将步骤2和步骤3实测的各桥墩墩顶加速度信号自由衰减段作为待分析信号进行小波包分解，其中小波函数取为db15、分解层次为6；假设对结构动力响应信号f进行第i层小波包分解得到2i个子节点，j为第i层节点编号，fij为第i层分解节点(i，j)上的结构响应，每个节点频带内结构响应fij的能量Eij为：Ei,j＝∑|fi,j|2(j＝0,1,…,2i-1)(3)则结构动力响应在第i分阶层的小波包能量谱向量Ei可以表征结构的动力特性，如下式所示：Ei＝{Ei,j}(j＝0,1,…,2i-1)(4)则结构动力响应的信号能量方差σ2如下式所示：式中，为频带i的能量均值；然后，定义小波包能量方差变化率作为损伤指标对结构损伤位置进行判定，第i层下响应小波包能量方差变化率指标WPEVVR为：式中，为健康结构响应的信号能量方差；为包含损伤信息的信号能量方差；为频带i的能量均值；最后，将完好桥梁结构和损伤桥梁结构的各桥墩的分析结果进行对比，确定桥梁基础冲刷损伤位置与程度。优选的：所述的桥梁为中小跨度简支梁或连续桥梁。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术涉及一种基于车辆制动冲击作用的桥梁基础冲刷识别方法，本方法可直接将车辆水平制动力作为激励源，及其桥墩水平方向的动力响应，利用桥梁桩基对水平模态更加敏感的特性，提高损伤识别的精准性；并且本专利技术是一种桥梁结构整体损伤的检测方法，可以全面反映桥梁结构的动力特性；并且本专利技术还还可对桥梁支座虚空、桥墩或桥身开裂等损伤形式达到识别的目的。此外，本专利技术具有测试工作量小、成本低、简单易行，且可实现多点检测，能够为桥梁管理部门提供及时详尽的桥梁结构健康状态信息，保证桥梁结构的安全运营。附图说明图1是基于车辆制动冲击作用的桥梁基础冲刷识别方法的流程图；图2是车辆制动力随时间变化的示意图；图3是桥墩进行冲击振动试验的侧视示意图；图4是桥墩进行冲击振动试验的后视示意图；图5是完好桥梁墩顶采集去噪后自由衰减段加速度响应示意图；图6是桥梁各墩顶不同工况下单损伤小波包能量方差对比图；图7是桥梁各墩顶不同工况下多损伤小波包能量方差对比图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一个实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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的实施例，都属于本专利技术的保护范围。结合说明书附图1至图7说明本专利技术的具体实施方式，具体说明如下：基于车辆制动冲击作用的桥梁基础冲刷识别方法的流程图如图1所示，具体过程如下：(一)制定桥梁动力测试试验方案；首先，建立基准模型；根据桥梁固有参数建立桥梁整体有限元模型，将该有限元模型作为基准模型；然后，模拟车辆制动效应；车辆制动具有明显的脉冲特性，其完整过程分为两个阶段：第一阶段发生在制动调节时间内，制动力从零逐渐增大到最大；第二阶段为制动力完全发挥阶段，制动力基本保持不变。故可以如图2所示将车辆水平制动力假定为一个梯形荷载，公式如下：其中，W为车辆自重，为车辆附着系数，tb为汽车的制动协调时间，t为驾驶员脚踩刹车时间；汽车的制动协调时间也就是从踩制动踏板开始计时到车辆制动力达到最大时所需要的时间，对于液压制动的汽车tb≤0.35s，对于气压制动的汽车tb≤0.60s。利用数值方法对不同的加载车重、车速、制动位置以及加载车道，产生的车辆水平制动力进行模拟得到不同的车辆制动效应；最后，确定桥梁动力测试试验方案；将模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于车辆制动冲击作用的桥梁基础冲刷识别方法，其特征在于所述的方法包括以下步骤：步骤1，制定桥梁动力测试试验方案；根据桥梁固有参数，建立桥梁整体基准有限元模型，以车辆水平制动力作为桥梁动力测试试验方案的激励类型，制定桥梁动力测试试验方案；步骤2，进行完好桥梁结构动力测试试验；在新建桥梁的各桥墩墩顶处布置加速度传感器作为动力响应测点，并根据步骤1制定的桥梁动力测试试验方案实施基于车辆制动力的桥梁冲击振动试验，测量各测点的动力响应，并对其进行小波去噪处理，选取各桥墩墩顶测点的动力响应加速度信号的自由衰减段作为完好桥梁待分析信号；步骤3，进行损伤桥梁结构动力测试试验；桥梁实际运营一段时间T后，所述的T为0.5年至1年，根据步骤1制定的桥梁动力测试试验方案实施基于车辆制动力的桥梁冲击振动试验，测量各测点的动力响应，并对其进行小波去噪处理，选取各桥墩墩顶测点的动力响应加速度信号的自由衰减段作为损伤桥梁待分析信号；步骤4，确定桥梁损伤位置与程度；将步骤2和步骤3分别得到的完好桥梁待分析信号和损伤桥梁待分析信号进行小波包分解处理后进行分析，最后将完好桥梁结构和损伤桥梁结构的各桥墩的分析结果进行对比，确定损伤位置与程度。...

【技术特征摘要】
1.一种基于车辆制动冲击作用的桥梁基础冲刷识别方法，其特征在于所述的方法包括以下步骤：步骤1，制定桥梁动力测试试验方案；根据桥梁固有参数，建立桥梁整体基准有限元模型，以车辆水平制动力作为桥梁动力测试试验方案的激励类型，制定桥梁动力测试试验方案；步骤2，进行完好桥梁结构动力测试试验；在新建桥梁的各桥墩墩顶处布置加速度传感器作为动力响应测点，并根据步骤1制定的桥梁动力测试试验方案实施基于车辆制动力的桥梁冲击振动试验，测量各测点的动力响应，并对其进行小波去噪处理，选取各桥墩墩顶测点的动力响应加速度信号的自由衰减段作为完好桥梁待分析信号；步骤3，进行损伤桥梁结构动力测试试验；桥梁实际运营一段时间T后，所述的T为0.5年至1年，根据步骤1制定的桥梁动力测试试验方案实施基于车辆制动力的桥梁冲击振动试验，测量各测点的动力响应，并对其进行小波去噪处理，选取各桥墩墩顶测点的动力响应加速度信号的自由衰减段作为损伤桥梁待分析信号；步骤4，确定桥梁损伤位置与程度；将步骤2和步骤3分别得到的完好桥梁待分析信号和损伤桥梁待分析信号进行小波包分解处理后进行分析，最后将完好桥梁结构和损伤桥梁结构的各桥墩的分析结果进行对比，确定损伤位置与程度。2.根据权利要求1所述的一种基于车辆制动冲击作用的桥梁基础冲刷识别方法，其特征在于步骤2和步骤3中所述的动力响应为顺桥向墩顶水平加速度响应。3.根据权利要求1所述的一种基于车辆制动冲击作用的桥梁基础冲刷识别方法，其特征在于所述的步骤1的具体内容如下：首先，建立基准模型；根据桥梁固有参数建立桥梁整体有限元模型，将该有限元模型作为基准模型；然后，使用基准模型模拟车辆制动效应；车辆水平制动力假定为一个梯形荷载，如下式所示：其中，W为车辆自重，为车辆附着系数；tb为汽车的制动协调时间，t为驾驶员脚踩刹车时间；利用数值方法对不同的加...

【专利技术属性】
技术研发人员：李岩，杨婷婷，孙航，高庆飞，林雪琦，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23