本发明专利技术公开了一种基于车桥耦合振动分析的桥梁检测方法及桥梁检测系统，其中桥梁检测方法的步骤为：通过在设置在桥梁长度方向上的一组传感器得到有无车辆经过时的时变模态参数和时不变模态参数；计算桥梁结构在时刻的质量归一化振型系数；对所有时刻求得的缩放系数求平均值；得到结构的质量归一化振型；重构结构的频响函数矩阵；位移柔度识别。本发明专利技术克服了现有挠度测量设备现场测试不方便和精度差的缺陷，突破环境振动无法识别结构深层次参数以及冲击振动现场测试难度高的难题，不仅可以得到结构的静力变形，而且可以得到结构的刚度信息，从而对桥梁结构的安全状态进行更加有效的评估。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于桥梁在有无车辆经过时的振动响应计算结构的质量归一化振型和识别结构的位移柔度的方法，可实现桥梁的挠度预测和安全状态评估。
技术介绍
随着预应力技术及钢桥技术的日臻成熟，大批大跨桥梁结构、高层建筑结构、大跨空间结构等重大基础设施已完成或正在建设，比如：日本修建了跨径达到1990m的Akashi-akyo悬索桥，美国修建了著名的Chesapeake海湾桥，我国于2008建成通车的苏通长江大桥，这一座桥梁就创造了当时的最大主跨、最深基础、最高桥塔、最长拉索的四项世界之最。但与此同时，国内外桥梁坍塌事故频发。据统计，从2000年至今我国已有30余座桥梁发生了安全事故，造成重大经济损失和人员伤亡。在欧美发达国家，结构灾害事件也时见报端。例如，2007年美国明尼苏达州密西西比河I35桥和加利福尼亚州奥罗维尔高速路桥相继发生坍塌事故。因此，如何评估已建桥梁结构的当前状态保障结构安全，是国内外迫切需要解决的共同课题。桥梁结构的竖向挠度是结构性能评估的一个关键参数。国内外各国规范中对桥梁进行性能评估的主要方法是都是采用先部件后整体的评分方法，具体来讲，先将结构划分为若干个构件组，分别对各个构件的状况等级进行评价，然后，将各个部件的评分与权重系数带入综合评定计算式中，对桥梁整体状况进行评定。例如：美国的桥梁技术状况评估方法主要依据FHWA颁布的《国家桥梁结构调查与评价的一记录与编码指南》，规范中规定首先对桥梁各个构件的状况等级进行评价，然后，对组合构件进行综合评定。除此之外，中国规范《公路桥梁技术状况评定标准》采用分层综合评定与单项指标控制相结合的方法，规范给出了14项单项指标，用于控制桥梁结构重要部位的严重损伤，其中挠度是一重要指标，如果结构出现明显的永久变形，桥梁挠度实际值超过规范值，即不需进行其它构件的技术状况评定，直接判断为5类桥梁，需要对桥梁进行承载能力评估，其中，混凝土梁桥跨中最大挠度限值为L/600，钢架拱桥和钢混凝土组合拱桥跨中最大挠度为L/800，对于悬索桥和斜拉桥，针对主梁所采用的材料和断面形式分为三种类型：(1)预应力混凝土主梁跨中挠度限值为L/500；(2)钢桁架主梁跨中挠度限值为L/800；(3)钢箱梁主梁跨中挠度限值为L/400。目前桥梁挠度的测量方法可以分为直接测量和间接测量两种，直接测量中主要有拉线式位移计、线性可变差动位移传感器(LVDT)、GPS、全站仪、连通管、激光测距和视频测距等。现有直接位移测量手段在实际应用中受到测试环境的影响，导致测试结果精度不够，比如，拉线或拉杆式位移计在现场测试时缺乏固定基点难以应用；GPS测量挠度精度高，其精度可以达到亚毫米到毫米的水平，但是其精度受到很多因素的影响，比如：采样频率、卫星覆盖范围、气候条件、多次反射效应和GPS数据处理方法；连通管或压力变送器易受车流激振影响导致其变形信号容易被严重削峰；激光测距和视频测距方法具有非接触式测量的优点，但激光测距受激光穿透距离近的限制，而视频测距技术中图像质量受环境能见度影响较大。除直接测量位移外，国内外学者利用其余类型传感器(加速度传感器、位移传感器和应变传感器等)间接反演结构挠度，比如：利用测量的加速度信号，通过两次积分的方法反演结构的动位移时程曲线。基于FBG应变传感器利用曲率方法反演结构在荷载作用下的竖向位移分布。但是，这些方法也都存在问题，加速度信号进行二次积分会导致误差累积，精度较低；基于FBG应变传感器的曲率反演方法在实桥测试中会受到应力集中和轴向应力的影响。环境振动测试是现有健康监测的主要手段，它直接利用风荷载和车流等自然条件激励桥梁，相对于人工激振测试具有操作方便的优点，但是，它只能够输出结构的基本模态参数如：频率、阻尼和振型等。冲击振动测试测得结构的输入冲击力时程和输出结构响应，能够得到更加详尽的结构参数，但是，由于测试期间需要关闭交通，需要具有冲击力幅值足够大和具有宽频特性的激励装置的缺点限制了其在工程实际中的广泛应用。针对此问题本专利技术提出了一种利用无车辆经过和有车辆经过时两种状态下的桥梁响应反演结构的竖向挠度，该方法不仅能够像传统的环境振动测试一样识别结构的基本模态参数，而且可以像冲击振动测试一样识别得到结构的深层次参数(位移柔度矩阵)，预测结构在任意静力荷载下的变形。本专利技术方法克服了传统的桥梁挠度测量设备在实际应用时高度困难和精度差的缺点，利用环境振动测试方便的优点，具有成本低，精度高，测试所需时间少和抗噪音能力强的特点，因此有广泛应用于实际桥梁性能评估的良好前景。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种测试方便且精度高的基于车桥耦合振动分析的桥梁检测方法及桥梁检测系统。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种基于车桥耦合振动分析的桥梁检测方法，其特征在于，步骤为：步骤一、通过在设置在桥梁长度方向上的一组传感器对桥梁进行无车辆经过时的时不变模态参数识别和有车辆经过时的时变模态参数识别，并得到有无车辆经过时的时变模态参数和时不变模态参数；步骤二、在得到结构在有无车辆经过时的时变模态参数和时不变模态参数之后，利用公式(1)计算桥梁结构在ti时刻的质量归一化振型系数： α t i r = ( ω o r 2 - ω c r 2 ) m 1 ω c r 2 { φ o r本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于车桥耦合振动分析的桥梁检测方法，其特征在于，步骤为：步骤一、通过在设置在桥梁长度方向上的一组传感器对桥梁进行无车辆经过时的时不变模态参数识别和有车辆经过时的时变模态参数识别，并得到有无车辆经过时的时变模态参数和时不变模态参数；步骤二、在得到结构在有无车辆经过时的时变模态参数和时不变模态参数之后，利用公式(1)计算桥梁结构在ti时刻的质量归一化振型系数：αtir=(ωor2-ωcr2)m1ωcr2{φor}T([Nv]T[Nv]){φcr}-m1v2{φor}T([Nv]T[Nvxx]){φcr}---(1)]]>式中：为在ti时刻第i阶质量归一化振型缩放系数；ωor为无车辆经过时桥梁结构第r阶固有频率；ωcr为有车辆经过时桥梁结构在ti时刻的第r阶固有频率；{φor}为无车辆经过时桥梁结构的第r阶竖向位移振型；{φcr}为有车辆经过时桥梁结构在ti时刻的第r阶竖向位移振型；m1为车辆的质量；[Nv]＝[0,0,0,...,N1,N2,...0,0,0]为整体坐标系下ti时刻的形函数矩阵，只包含竖向位移自由度；[Nvxx]为整体坐标系下ti时刻形函数矩阵对x的二阶导数；步骤三、对所有时刻求得的缩放系数求平均值，即：αaver=(αt1r+...+αtir+...+αtnr)/Ntime---(2)]]>式中：为第r阶平均之后的质量归一化振型缩放系数；tn为车辆通过桥梁的总时间；Ntime为车辆通过桥梁的时间步数；步骤四、在得到结构的质量归一化振型系数之后，与无车辆经过时的结构固有振型相乘，得到结构的质量归一化振型：{ψr}=αaver{φor}---(3)]]>式中：{ψr}为结构的第r阶质量归一化振型系数；步骤五、重构结构的频响函数矩阵：H(ω)=Σr=1m[βr{φor}{φor}(jω-λr)+β*r{φor}r*{φor}*(jω-λr*)]---(4)]]>式中：j为虚数单位；m为结构的模态阶数；λr为系统第r阶极点，与结构固有频率和阻尼比的关系为：符号*表示共轭复数；步骤六、位移柔度识别：在频响函数ω＝0时，得到结构的真实位移柔度矩阵：[F]=[H(ω=0)]=Σr=1m[βr{φor}{φor}-λr+β*r{φor}*{φor}*-λr*]---(5)]]>式中：[F]为结构的柔度矩阵；{φor}为无车辆经过时桥梁结构的第r阶未归一化振型。...
【技术特征摘要】
1.一种基于车桥耦合振动分析的桥梁检测方法，其特征在于，步骤为：步骤一、通过在设置在桥梁长度方向上的一组传感器对桥梁进行无车辆经过时的时不变模态参数识别和有车辆经过时的时变模态参数识别，并得到有无车辆经过时的时变模态参数和时不变模态参数；步骤二、在得到结构在有无车辆经过时的时变模态参数和时不变模态参数之后，利用公式(1)计算桥梁结构在ti时刻的质量归一化振型系数： α t i r = ( ω o r 2 - ...
【专利技术属性】
技术研发人员：张建，田永丁，程玉瑶，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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