一种桥梁人致冲击荷载光学测量方法及其快速测试系统技术方案

本发明专利技术公开了一种桥梁人致冲击荷载光学测量方法及其快速测试系统，包括如下步骤：图像采集、行人跳跃时竖向速度信息计算、行人竖向跳跃时的加速度信息计算、人致动态冲击荷载估算和结构参数识别及性能评估。本发明专利技术基于高速相机非接触式测量的人致冲击荷载的测试方法，不同于传统的基于人工激励装置的冲击振动测试，本发明专利技术的测试方法直接将步行天桥的行人荷载作为激励源，可以更加方便快捷的实现城市步行桥梁的冲击振动测试，同时基于测量的人致动态冲击荷载，可以实现结构深层次参数识别，能够切实有效的实现结构性能评估。

【技术实现步骤摘要】
一种桥梁人致冲击荷载光学测量方法及其快速测试系统
本专利技术属于结构健康监测
，具体涉及一种桥梁人致冲击荷载光学测量方法及其快速测试系统，可实现桥梁输入冲击荷载的快速测量和安全状态评估。
技术介绍
世界各国基础设施体量庞大，在国民经济生活中起到了很重要的作用。另一方面，基础设施在漫长服役周期内，由于环境侵蚀、日常服役荷载甚至超载的作用导致结构的性能逐渐发生退化并且随时可能遭遇地震、台风等极端自然灾害的侵袭因此，如何实现公路网上为数众多桥梁的性能评估，以保障结构安全并最优化维护管理费用是国内外迫切需要解决的共同课题。冲击振动测试是结构健康监测的一种重要方法，它有潜力实现桥梁快速测试与可靠诊断。首先，与传统的环境振动测试相比，冲击振动测试同时采集结构输入冲击力时程和输出响应，不仅能够得出结构频响函数形状，而且能够得出频响函数的幅值。因此，它能够识别出更为完备的结构信息，比如结构振型缩放系数和位移柔度等深层次参数。其次，冲击振动测试装置可集成于移动车辆实现桥梁快速测试。冲击振动很早就有研究，但是由于激励方式等方面的限制在实际工程中应用不广泛。在冲击振动的研究初期，使用大力锤对桥梁进行冲击激振，它产生的冲击力具有较好的宽频域特性，但幅值低(小于20kN)，无法充分激励桥梁结构的动力特征。此后，国内外学者开发了可车载的落锤式激励装置，它可以产生大幅值(100kN)和宽频域(0～200Hz)的冲击力，能够有效激振桥梁，但是该装置在现场测试过程中需要“停下激振”，即需将该冲击装置移动到一个测量点停稳后进行冲击测试，完成之后再移动到下一个测点，从而降低了桥梁快速测试的效率。为避免上述“停下激振”的局限性，一个理想的方式是直接利用车辆本身作为激励方式“边移动边激振”，即在正常行驶过程中对桥梁结构进行激励，从而方便快捷的进行桥梁冲击振动测试。但其带来的挑战性问题是如何实时测量车桥界面的连续竖向车轮力即车桥耦合作用力。竖向车轮力测量的第一个手段就是基于车辆整体响应的方法，通过在车轴和车身安装加速度计和陀螺仪等传感器测量卡车运动尝试得出竖向车轮力，但其精度受到车辆模型精确建立的影响。另外一种手段是直接测量车辆轮胎响应。车轮六分力传感器通过安装特制轮毂并监测其应变实现各方向车轮力的精确反演，但其售价高昂。另外，有学者提出将应变片安装在轮毂边缘计算竖向车轮力，但是只有当应变片靠近地面时才能计算出车轮力。为了克服此问题，采取将加速度计或激光传感器安装入轮胎空腔内侧的思路进行路面不平整度的监测而不是以车轮力的计算为目的。上述快速测量方法或者设备都是针对公路桥梁，对于步行桥而言，使用激励装置或者移动车辆车不方便。行人激励荷载是步行桥设计的一个主要考虑因素，如果能够直接测量得到行人激励对结构施加的动态冲击荷载，可以实现步行桥的快速冲击振动测试。测量人体跳跃时作用于结构的冲击荷载一般的方法是根据作用与反作用原理，直接利用测力板或者测力鞋垫技术测量得到人体跳跃作用于地面的激振力。然而，测力板技术并不适合日常现场使用，因为其沉重而繁琐，需要一定长度的专用电缆和适配自身功率和信号调节的连接。为了克服此问题，国外学者提出使用无线惯性测量单元(IMU)固定于人体的各个部位，通过利用体重和垂直加速度数据得到跳跃力，并在跳跃位置测得桥面加速度，可以生成频响函数并估算模态质量，该方法在现场试验中得到了验证。但是，该方法需要在人体各个部位安装加速度传感器，在一定程度上影响了桥梁快速测试的要求。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种测试方便快速且精度高的人致冲击荷载快速测量方法和桥梁快速测试系统。技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供一种桥梁人致冲击荷载光学测量快速测试系统，包括图像拍摄装置、数据采集系统和数据分析系统，所述图像拍摄装置用来获取行人在不同跳跃形式下的运动图像序列；所述数据采集系统采集行人跳跃时的运动图像并同时采集被测结构在行人激励下的动态响应，并存储采集的图像序列和结构响应时间序列文件；所述数据分析系统包含人致冲击荷载估算模块和结构静动力参数识别模块两部分，所述人致冲击荷载估算模块用于得到行人跳跃时作用于结构的动态冲击荷载，所述结构静动力参数识别模块基于测量的人致动态冲击荷载，实现结构深层次参数识别，可以实现结构缩放频响函数以及位移柔度矩阵识别，可以用来预测结构在任意静力荷载下的挠度、损伤识别以及结构长期性能研究，用于结构当前安全状态以及长期性能评估，切实有效地对桥梁结构的健康状态进行评估。所述的一种桥梁人致冲击荷载光学测量快速测试系统的测量方法，包括如下步骤：1)图像采集：通过图像拍摄装置获取到行人在不同跳跃形式下的运动图像序列，数据采集系统采集行人跳跃时的运动图像并同时采集被测结构在行人激励下的动态响应，并存储采集的图像序列和结构响应时间序列文件。2)行人跳跃时竖向速度信息计算：采用粒子图像测速技术获取人体上下跳跃时各个子区的速度时程，假设拍摄得到ti和ti+1时刻的运动图像，分别对ti和ti+1拍摄的图像的进行子区划分，取ti时刻的任意一个子区为Gi，其子区中心为(x0，y0),ti+1时刻与之对应的图像子区为Gi+1，对Gi和Gi+1区域的灰度分布信息进行比较，即：便可以得到ti+1时刻相对于ti时刻的位移变化量ΔD(m，n)，结合两张图像之间的时间间隔Δt＝ti+1-ti，从而可以得到ti时刻的运动速度，即v(m，n，ti)＝ΔD(m，n)/Δt，对所有子区进行计算，可以得到人体跳跃时的各个子区的速度时间序列。3)行人竖向跳跃时的加速度信息计算：在得到各个子区的速度时间序列之后，利用四点一次差分算法可以得到各个子区的加速度时间序列，即：a(m，n，ti)＝[v(m，n，ti-2)-8v(m，n，ti-1)+8v(m，n，ti+1)-v(m，n，ti+2)]/12Δt其中，v(m，n，ti-2)为子区(m，n)在时刻ti-2的速度信息；v(m，n，ti-1)为子区(m，n)在时刻ti-1的速度信息，依次类推，a(m，n，ti)为子区(m，n)在时刻ti的加速度信息；Δt为相机拍摄两相邻图像之间的时间间隔；然后，将速度变化比较明显的子区加速度时间序列挑选出来便于后续冲击荷载的估算，子区加速度时间序列的挑选采用的方法是选择速度RMS值比较大的子区，即：a(p，k)＝a(m，n)ifRMS(m，n)＞Threshola其中，tn为总的采样时间；Threshola为定义的阀值，不同的荷载工况有不同的值，挑选范围一般为所有子区RMS最大值的0.6～0.8之间。4)人致动态冲击荷载估算：将步骤3中符合条件的加速度时间序列与人体各个部位的质量相乘，便可以得到人体作用于结构的动态冲击荷载；5)结构参数识别及性能评估：包括实现结构频响函数缩放和位移柔度深层次参数的识别，可以进一步用于结构的挠度预测、损伤识别以及结构的长期性能评估。本专利技术基于高速相机非接触式测量的人致冲击荷载的测试方法，不同于传统的基于人工激励装置的冲击振动测试，本专利技术的测试方法直接将步行天桥的行人荷载作为激励源，可以更加方便快捷的实现城市步行桥梁的冲击振动测试，同时基于测量的人致动态冲击荷载，可以实现结构深层次参数识别，能够切实有效的实现结构性能评估本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种桥梁人致冲击荷载光学测量快速测试系统，其特征在于：包括图像拍摄装置、数据采集系统和数据分析系统，所述图像拍摄装置用来获取行人在不同跳跃形式下的运动图像序列；所述数据采集系统采集行人跳跃时的运动图像并同时采集被测结构在行人激励下的动态响应，并存储采集的图像序列和结构响应时间序列文件；所述数据分析系统包含人致冲击荷载估算模块和结构静动力参数识别模块两部分，所述人致冲击荷载估算模块用于得到行人跳跃时作用于结构的动态冲击荷载，所述结构静动力参数识别模块基于测量的人致动态冲击荷载，实现结构深层次参数识别，用于结构当前安全状态以及长期性能评估，对桥梁结构的健康状态进行评估。

【技术特征摘要】
1.一种桥梁人致冲击荷载光学测量快速测试系统，其特征在于：包括图像拍摄装置、数据采集系统和数据分析系统，所述图像拍摄装置用来获取行人在不同跳跃形式下的运动图像序列；所述数据采集系统采集行人跳跃时的运动图像并同时采集被测结构在行人激励下的动态响应，并存储采集的图像序列和结构响应时间序列文件；所述数据分析系统包含人致冲击荷载估算模块和结构静动力参数识别模块两部分，所述人致冲击荷载估算模块用于得到行人跳跃时作用于结构的动态冲击荷载，所述结构静动力参数识别模块基于测量的人致动态冲击荷载，实现结构深层次参数识别，用于结构当前安全状态以及长期性能评估，对桥梁结构的健康状态进行评估。2.根据权利要求1所述的一种桥梁人致冲击荷载光学测量快速测试系统，其特征在于：所述图像拍摄装置为高速相机。3.根据权利要求1所述的一种桥梁人致冲击荷载光学测量快速测试系统的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：1)图像采集：通过图像拍摄装置获取到行人在不同跳跃形式下的运动图像序列，数据采集系统采集行人跳跃时的运动图像并同时采集被测结构在行人激励下的动态响应，并存储采集的图像序列和结构响应时间序列文件；2)行人跳跃时竖向速度信息计算：采用粒子图像测速技术获取人体上下跳跃时各个子区的速度时程；3)行人竖向跳跃时的加速度信息计算：在得到各个子区的速度时间序列之后，利用差分算法可以得到各个子区的加速度时间序列，将速度变化比较明显的子区加速度时间序列挑选出来便于后续冲击荷载估算；4)人致动态冲击荷载估算：将步骤3中符合条件的加速度时间序列与人体各个部位的质量相乘，便可以得到人体作用于结构的动态冲击荷载；5)结构参数识别及性能评估：基于人致冲击荷载和结构振动响应可以实现结构深层次参数识别，从而进一步实现结构挠度预测、损伤识别以及状态评估。4.根据权利要求3所述的一种桥梁人致冲击荷载光学测量快速测试系统的测量方法，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建，田永丁，于姗姗，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32