基于微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置及方法，包括：一是桥梁的快速测试方法，移动车辆冲击桥梁并在桥下用微波雷达设备监测桥梁的位移时程，进而通过数据分析识别结构柔度识别和性能评估；二是消除基点振动影响的方法，通过相减消除基点对所测试的位移时程影响；三是考虑基点相对运动与连续力作用下的柔度识别方法，包括连续力的离散化、阵型还原、缩放系数计算与柔度识别，完成桥梁性能评估。通过本方法的实施，可实现低成本高效率的桥梁结构输入力已知的振动测试，以推广应用于桥梁结构的检测与安全普查。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于桥梁测试领域，具体涉及一种基于微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置及方法。
技术介绍
中国目前正处于新型城镇化和工业化快速发展时期，大批重大基础设施已完成或正在建设。另一方面，我国目前危桥超过9万座。仅“十一五”期间，每年需要检测维修的桥梁数量，约占公路路网桥梁总数的15％。国家桥梁维护诊断市场巨大，但传统方法以人工检测为主费工费时的现状。桥梁监测技术已经被证明是对结构进行评估、了解结构状态的先进技术。但是现有的桥梁监测系统安装运营费用昂贵，难以大范围的推广应用。因此针对桥梁迫切需要简便快捷的桥梁快速评估方法。对于传统桥梁健康监测系统而言，结构的振动响应(输出)由安置在结构各部位的传感器记录得到，考虑到传感器需提前布置，进行保护防护等，会给桥梁结构监测带来诸多不便。随着科学技术的发展，非接触式传感器脱颖而出。基于微波雷达侧位移设备可非接触式、多点同时监测桥梁振动位移，有望成为一种新的监测技术。但常见的实桥测试缺乏固定基点(桥下一般是河流或者道路)，导致不得不考虑固定基点的振动问题。现有的消除基点振动的方法分为，一：在固定点处放置加速度计，通过所测加速度积分得到基点的振动时程，从而进行结构的挠度补偿，但加速度积分法会有累计误差；二：找一个绝对不动的参考点，参考点的振动就是雷达基点的振动，从而进行结构的挠度补偿。但是固定参考点法中的参考点也不会是绝对的静止，现有方法都不能够绝对的消除基点的振动对所测试结果的影响。对桥梁的激振分为环境激励和受迫激励，环境激励是在结构运行状态下将输入看作随机噪声仅根据所测试的输出来进行结构的识别和评估的技术，但是在知道结构输入时可以进一步识别出结构的模态柔度，完成对结构的安全评估。现阶段有一些专用的激振设备和相应输入——输出测试装置，但现场实验条件、结构的复杂性和实测数据质量等因素往往限制了这类专用激振设备的使用。车桥耦合是健康监测的研究热点，车桥耦合研究重型车通过桥梁时车与桥之间复杂的相互作用，是将车和桥当作一个复杂的系统。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置及方法，包括基于移动式冲击与微波雷达的桥梁测试方法和考虑基点相对运动与连续力下的柔度识别方法，其中，移动式冲击桥梁以及微波雷达测量桥梁位移的快速测试系统完成桥梁动力测试中输入输出数据的快速监测，考虑基点相对运动与连续力下的柔度识别方法识别桥梁的模态参数与模态柔度，完成桥梁性能评估，本专利技术能够实现低成本、高效率的桥梁结构振动测试与结构的检测和安全普查。技术方案：本专利技术所述的一种微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置，包括移动加载车和微波雷达设备，所述移动加载车行驶于桥梁，移动加载车中安装有信号发送与采集系统、数据分析系统、无线传感器、车轮旋转编码器和激光测距仪；所述信号发送与采集系统分别与无线传感器、微波雷达设备通信相连，用于发送和采集信号，发送的信号使得移动加载车上无线传感器和桥梁下方的微波雷达设备同时开始采集数据，采集的信号包括无线传感器的数据与桥梁测量点位移时程数据；所述数据分析系统与信号发送与采集系统连接，利用内嵌的考虑基点运动方向的结构动力特征识别方法及相关的安全与承载能力评定准则，对所采集的数据进行自动化分析，快速输出测试与评估结果；所述车轮旋转编码器与激光测距仪分别用于确定移动加载车在桥面的纵向与横向的位置。本专利技术还公开了一种基于微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置的测试方法，包括以下步骤：(1)基于移动式冲击与微波雷达的桥梁测试方法，完成桥梁动力测试中输入输出数据的快速监测：移动加载车对桥梁进行移动式冲击激励进而获得移动式冲击力的连续时程ucontact(t)，同时微波雷达设备在桥梁下自动划分测量节点并测量车辆通过过程中桥梁节点的振动响应位移时程yk(t)；移动加载车与桥梁之间的相互作用力时程通过分配函数离散到测量节点处uk(t)；通过测试，快速高效的完成桥梁振动时输入输出数据的监测，识别结构柔度从而能够进行结构性能评估；(2)利用子空间识别方法识别桥梁的模态参数与模态柔度，完成桥梁性能评估：将移动式冲击力离散化到各测量节点上，通过相减消除基点运动对结构识别的影响，子空间技术识别模态参数，利用振型正交性还原出真实的振型，利用还原的振型识别结构的柔度。进一步的，所述步骤(2)中，利用消除基点运动影响后的位移向量作为观测向量，而不是直接观测值yk，进行结构的子空间模态参数识别；消除基点运动影响的公式为：基点有竖向振动时：基点有水平振动时：基点有竖向、水平耦合振动时：其中：yk∈Rl×1代表观测向量，即为雷达测量的位移向量；分别为第m，n个测量点的测量值；k代表离散的时间间隔；α1，α2，α3，…，αl分别为目标点与水平方向的夹角；K1＝[11…1]T∈Rl×1，K2＝diag(cotα1,cotα2,…,cotαl)；diag代表对角矩阵，对角线上的元素为括号中的值；利用相对位移识别出的频率和阻尼均与真实值一致，识别出的模态振型和位移柔度需要进行特殊处理。进一步的，所述识别出的振型与真实振型相比丢失作为参考点处的振型值；下面利用识别出的振型和真实振型之间的数学关系、真实振型互相之间的振型正交性，还原出真实的结构动力特性，采用的公式为：基点有竖向振动：求解还原出丢失了作为参考点处的振型的值则结构的振型为：基点有水平振动：求解还原出丢失了作为参考点处的振型的值则结构的振型为：基点有竖向、水平耦合振动时：求解还原出丢失了作为参考点处的振型的值则结构的振型为：其中，为通过子空间识别技术识别的第i阶振型；φi为相对应的真实的第i阶振型；为φi的第m行，为φi的第n行。进一步的，所述识别的位移柔度是在移动式冲击连续力作用下进行的柔度识别：冲击连续力离散分配到测量节点处，利用还原的模态参数与所识别的结构的频响函数结合，计算出结构的模态缩放系数，从而识别出结构的柔度，具体过程为：移动式冲击连续力的分配：u(t)＝Nucontact(t)模态缩放系数采用的公式为：式中，qi是模态缩放系数；φi利用阵型的正交性求得；是Bm的第ith行，而Bm＝Ψ-1B，A＝ΨΛΨ-1，A和B是通过子空间技术直接识别系统矩阵；λi是对角矩阵Λ对角线上第i个元素，λci＝lnλi/Δt；j是虚数符号，Δt是采样时间间隔；求出模态缩放系数后，结构的柔度f为：式中，■*代表矩阵的转置。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术提供了一种输入输出皆可快速测量的桥梁动力特征快速识别的系统与方法，在桥梁动力特性识别中能切实实现桥梁结构动力特性的快速、非接触、全天候测量。测试前无需布置传感器，无需安放采集系统，实现了高效、快速、精确的桥梁动力特性评估。2、本专利技术中的微波雷达测桥梁微位移系统，较传统的加速度计、GPS、图像法等监测方法大大减少了所需传感器数目，提高了监测的稳定性，并且在测试中不需要封闭交通，测试效率更高。所述的移动加载车，通过车上安装的采集系统测量车通过桥时对桥梁的激励力，不需要在桥上布置传感器，测试过程方便快捷。3、本专利技术中消除基点振动对结构模态参数识别的影响方法，在实际运营通车的桥梁的挠度较小时，能确实消除基点的振动对模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置，其特征在于：包括移动加载车和微波雷达设备，所述移动加载车行驶于待测量桥梁，移动加载车中安装有信号发送与采集系统、数据分析系统、无线传感器、车轮旋转编码器和激光测距仪；所述信号发送与采集系统分别与无线传感器、微波雷达设备通信相连，用于发送和采集信号，发送的信号使得移动加载车上无线传感器和桥梁下方的微波雷达设备同时开始采集数据，采集的信号包括无线传感器的数据与桥梁测量点位移时程数据；所述数据分析系统与信号发送与采集系统连接，利用内嵌的考虑基点运动的结构动力特征识别方法及安全与承载能力评定准则，对所采集的数据进行自动化分析，快速输出测试与评估结果；所述车轮旋转编码器与激光测距仪分别用于确定移动加载车在桥面的纵向与横向的位置。

【技术特征摘要】
1.一种基于微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置，其特征在于：包括移动加载车和微波雷达设备，所述移动加载车行驶于待测量桥梁，移动加载车中安装有信号发送与采集系统、数据分析系统、无线传感器、车轮旋转编码器和激光测距仪；所述信号发送与采集系统分别与无线传感器、微波雷达设备通信相连，用于发送和采集信号，发送的信号使得移动加载车上无线传感器和桥梁下方的微波雷达设备同时开始采集数据，采集的信号包括无线传感器的数据与桥梁测量点位移时程数据；所述数据分析系统与信号发送与采集系统连接，利用内嵌的考虑基点运动的结构动力特征识别方法及安全与承载能力评定准则，对所采集的数据进行自动化分析，快速输出测试与评估结果；所述车轮旋转编码器与激光测距仪分别用于确定移动加载车在桥面的纵向与横向的位置。2.一种基于权利要求1所述的微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)完成桥梁动力测试中输入输出数据的快速监测：移动加载车对桥梁进行移动式冲击激励进而获得移动式冲击力的连续时程ucontact(t)，同时微波雷达设备在桥梁下自动划分测量节点并测量车辆通过过程中桥梁节点的振动响应位移时程yk(t)；移动加载车与桥梁之间的相互作用力时程通过分配函数离散到测量节点处uk(t)。(2)利用子空间识别方法识别桥梁的模态参数与模态柔度，完成桥梁性能评估：将移动式冲击力离散化到各测量节点上，通过相减消除基点运动对结构识别的影响，子空间技术识别结构模态参数，利用振型正交性还原出真实的振型，利用还原的振型识别结构的柔度。3.根据权利要求2所述的基于微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置的测试方法，其特征在于：所述步骤(2)中，利用消除基点运动影响后的位移向量作为观测向量，而不是直接观测值yk，进行结构的子空间模态参数识别；消除基点运动影响的公式为：基点有竖向振动时：基点有水平振动时：基点有竖向、水平耦合振动时：y‾k=K3(yk-ykn)-1tanαm-tanαnK1(ykm-ykn);]]>其中：yk∈Rl×1代表观测向量，即为雷达测量的位移向量；分别为第m，n个测量点的测量值；k代表离散的时间间隔；α1，α2，α3，…，αl分别为目标点与水平方向的夹角；K1＝[11…1]T∈Rl×1，K2＝diag(cotα1,cotα2,…,cotα1)；K3=diag(1tanα1-tanαn,1tanα2-tanαn,...,1tanαn-1-tanαn,0,1tanαn+1-tanαn,...,1tanαl-tanαn);]]>diag代表对角矩阵，对角线上的元素为括号中的值；利用相对位移识别出的频率和阻尼均与真实值一致，但识别出的模态振型和位移柔度需要进行特殊处理。4.根据权利要求3所述的基于微波雷达和移动加载车的桥梁快速测试装置的测试方法，其特征在于：所述识别出的振型与真实振型相比丢失作为参考点处的振...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建，李攀杰，周立明，赵文举，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32