一种基于移动双轴车响应的桥梁模态振型识别方法技术

本发明专利技术提出一种基于移动双轴车响应的桥梁模态振型识别方法，其特征在于，基于移动双轴车响应反演其前后车轮振动响应并进一步反演桥梁接触点位置处的振动响应，从而消除车体竖向和俯仰运动、车轮竖向运动的干扰；基于接触点密集而接触时间短暂的特点，利用双轴车前后轮接触点空间位置关系，结合时频工具小波算法，实现桥梁模态振型高效构建。该发明专利技术提出的方法有效降低车体自身干扰影响，提高桥梁模态振型识别鲁棒性，对于桥梁健康检测有重要意义。义。义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于移动双轴车响应的桥梁模态振型识别方法


[0001]本专利技术属于桥梁健康监测检测
，具体涉及一种基于移动双轴车响应的桥梁模态振型识别方法。

技术介绍

[0002]桥梁是为了便利交流而架设的跨越天然及人工障碍的工程结构，其服役期间的安全性备受关注。我国历经高速发展，交通基础设施建设取得了长足进步。2021年末，我国公路桥梁达到96.11万座，其中服役时间超过20年的桥梁占到了30％。服役期间，桥梁受到环境侵蚀、材料老化及行车荷载等影响，而随着服役时间的增加，其结构性能会发生一定程度退化，这给社会经济正常运转以及人身安全带来隐患。如何科学维护我国近百万座桥梁，从而保障桥梁运营安全，已然成为了我国需要面对的重大挑战。
[0003]为了保障桥梁的安全，桥梁健康监测检测越来越得到重视。传统的健康监测方法将大量传感设备直接安装在桥梁上，可持续采集桥梁振动数据。该方法由于安装、维护费用较高，常被用于大跨、特大跨桥梁的健康监测。对于我国数量众多中小跨径桥梁而言，仅依赖于该方法将会产生高昂的检测成本且难以完全满足需求。因此，推行经济、快速、准确的桥梁健康监测检测技术势在必行。
[0004]接近现有技术：
[0005]近年来，利用配备有加速度传感器的移动车辆来获取桥梁振动数据的桥梁健康检测方法得到广泛关注。由于移动车辆和桥梁为一个耦合系统，当移动车辆通过桥梁时，桥梁将产生振动，并将其传递至移动车辆，移动车辆中的传感器便可采集由于车辆通过而产生的桥梁响应。该方法具有机动、经济、通用等特点，受到各国学者广泛的研究。
[0006]振型作为重要的模态参数，是评估桥梁健康状态的重要指标之一。然而，由于移动车辆和桥梁构成的车桥耦合系统为一个时变体系，需针对体系时空特点建立高效桥梁模态振型识别方法。另外，由于现有方法要求传感器安装于车辆上，所采集信号将包含移动车辆自身振动响应，对桥梁模态参数识别产生干扰。
[0007]接近现有技术：
[0008]Y.B.Yang,H.Xu*,Z.L.Wang,K.Shi.Using vehicle
–
bridge contact spectra and residue to scan bridge's modal properties with vehicle frequencies and road roughness eliminated.Structural Control&Health Monitoring,2022,29(8):e2968.
[0009]上述现有技术是针对两自由度特制车，即仅考虑车体运动而忽略车轮运动影响。所建立的移动车辆自身响应滤除算法(亦称：车桥接触响应算法)未能将车体悬架系统纳入考虑。因此，该技术仅与特制车相匹配，使其应用范围局限，提高了利用移动车辆检测桥梁健康状态的门槛。
[0010]如何有效降低车体自身干扰影响，提高桥梁模态振型识别鲁棒性，对于桥梁健康检测有重要意义。

技术实现思路

[0011]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种免于移动双轴车车体及车轮响应干扰的桥梁模态振型识别方法。
[0012]为实现上述目的，本专利技术采用的方法技术方案如下：
[0013]一种基于移动双轴车响应的桥梁模态振型识别方法，其特征在于，基于移动双轴车响应反演其前后车轮振动响应并进一步反演桥梁接触点位置处的振动响应，从而消除车体竖向和俯仰运动、车轮竖向运动的干扰；基于接触点密集而接触时间短暂的特点，利用双轴车前后轮接触点空间位置关系，结合时频工具小波算法，实现桥梁模态振型高效构建。
[0014]所述基于移动双轴车响应的桥梁模态振型识别方法，技术方案理论基础构建过程：
[0015]基于双轴车竖向和俯仰振动响应、前后车轮振动响应及桥梁振动响应的运动微分方程，建立车体响应与桥梁响应间振动传递关系，利用双轴车竖向、俯仰加速度响应反演车桥前后轮接触点响应双轴车竖向和俯仰振动响应公式(20)和(21)、前后车轮振动响应公式(22)表示为：
[0016][0017][0018][0019]式中，M
v
和J
v
分别为双轴车质量和转动惯量，y
v
和θ
v
分别为双轴车重心竖向和俯仰位移，u
cj
(j＝f,r，f表示车前轮，r表示车后轮)表示车轮与桥梁接触点位移，c
sj
表示车体悬架阻尼，k
sj
表示车体悬架弹性刚度，m
wj
为车轮质量，c
wj
表示车轮阻尼，k
wj
表示车轮弹性刚度，d
j
表示车轮中心到双轴车重心的距离。
[0020]所述基于移动双轴车响应的桥梁模态振型识别方法，包括数据采集、反演车轮响应、基于前后车轮响应进一步计算车桥接触点响应，构造桥梁模态振型；具体步骤为：
[0021]步骤1，安装双轴车系统加速度传感器：将加速度传感器S
f
、S
r
分别安装于双轴车前后车轴以获取两端竖向加速度响应
[0022]步骤2，双轴车匀速v行驶过待测桥梁时，信号采集系统分别采集、计算双轴车系统的竖向加速度响应和俯仰加速度响应
[0023]步骤3，利用双轴车车体响应反演车轮响应；
[0024]步骤4，基于前后车轮响应进一步计算车桥接触点响应；
[0025]步骤5，利用小波分析接触响应得到所采集信号空间位置与频率的相关信息；
[0026]步骤6，利用前后接触点空间位置关系，构建模态振型。
[0027]所述步骤3，双轴车过桥的运动微分方程见公式(20)和(21)，对公式(20)和(21)进行时间t的二次求导以将振动信号均转化为与加速度响应相关的量，并求解车轮响应，整理为：
[0028][0029]式中：
[0030][0031][0032]进一步地，对于离散数据，公式(25)又写为：
[0033][0034]所述步骤4，前后车轮的运动微分方程见公式(22)，对公式(22)进行时间t的二次求导以将振动信号均转化为与加速度响应相关的量，并求解车桥接触点响应，整理为：
[0035][0036]式中：
[0037][0038]进一步地，对于离散数据，公式(29)可参照公式(28)计算。
[0039]所述步骤5，为了识别振型，从计算得到的前后接触响应中分离桥梁响应相关分量，并进行三角函数化简，为：
[0040][0041]式中：
[0042][0043][0044][0045][0046][0047]对公式(31)进行小波变换，得到
[0048][0049]对于一个固定小波中心频率a
n
＝ω0/ω
b,n
，|W
cj
(a,b)|达到区域最大值，即
[0050][005本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于移动双轴车响应的桥梁模态振型识别方法，其特征在于，基于移动双轴车响应反演其前后车轮振动响应并进一步反演桥梁接触点位置处的振动响应，从而消除车体竖向和俯仰运动、车轮竖向运动的干扰；基于接触点密集而接触时间短暂的特点，利用双轴车前后轮接触点空间位置关系，结合时频工具小波算法，实现桥梁模态振型高效构建。2.如权利要求1所述的基于移动双轴车响应的桥梁模态振型识别方法，其特征在于，技术方案理论基础构建过程为：基于双轴车竖向和俯仰振动响应、前后车轮振动响应及桥梁振动响应的运动微分方程，建立车体响应与桥梁响应间振动传递关系，利用双轴车竖向、俯仰加速度响应反演车桥前后轮接触点响应双轴车竖向和俯仰振动响应公式和、前后车轮振动响应公式表示为：公式表示为：公式表示为：式中，M
v
和J
v
分别为双轴车质量和转动惯量，y
v
和θ
v
分别为双轴车重心竖向和俯仰位移，u
cj
(j＝f,r，f表示车前轮，r表示车后轮)表示车轮与桥梁接触点位移，c
sj
表示车体悬架阻尼，k
sj
表示车体悬架弹性刚度，m
wj
为车轮质量，c
wj
表示车轮阻尼，k
wj
表示车轮弹性刚度，d
j
表示车轮中心到双轴车重心的距离。3.如权利要求1所述的基于移动双轴车响应的桥梁模态振型识别方法，其特征在于，包括数据采集、反演车轮响应、基于前后车轮响应进一步计算车桥接触点响应，构造桥梁模态振型；具体步骤为：步骤1，安装双轴车系统加速度传感器：将加速度传感器S
f
、S
r
分别安装于双轴车...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐昊，杨永斌，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：