基于车辆振动信号的桥梁振型识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于车辆振动信号的桥梁振型识别方法，包括如下步骤：步骤一：将传感器布置在测量车车轴的中央位置或布置在位于测量车车轴中央正上方的车厢上；步骤二：采用牵引车引导测量车匀速驶过待测桥梁，在测量车在待测桥梁上行驶过程中，记录传感器检测得到的竖向加速度响应；步骤三：构建车辆和桥梁的平衡方程，求解得到测量车的竖向加速度响应的解析式；步骤四：通过竖向加速度响应得到待测桥梁的固有频率范围；步骤五：基于桥梁固有频率范围，利用零相位滤波方法从测量车的竖向加速度响应中分离得到的桥梁模态分量；步骤六：利用希尔伯特变换提取桥梁各阶模态分量的瞬时幅值：步骤七：修正瞬时幅值，得到免疫桥梁阻尼影响的桥梁振型。尼影响的桥梁振型。尼影响的桥梁振型。

【技术实现步骤摘要】
基于车辆振动信号的桥梁振型识别方法


[0001]本专利技术属于桥梁健康监测
，具体的为一种基于车辆振动信号的桥梁振型识别方法。

技术介绍

[0002]伴随着桥梁结构大面积的服役，其结构安全及运营维护问题也不断出现。若不及时发现处理，严重时会对桥梁的安全服役造成极大隐患。因此有必要对工程结构进行健康监测发现其损伤程度，为结构的加固与修复提供依据，从而保证结构的正常运营，保护人们的生命财产安全。
[0003]模态参数(包括固有频率、阻尼比和模态振型)作为结构的固有属性，通常用来描述结构的基本动力特性，并广泛应用于结构的损伤识别、有限元模型更新以及结构健康监测等领域。相比固有频率，模态振型的改变量对结构的损伤更为敏感，能够用于结构局部/轻微损伤的辨识，尤其是结构的高阶模态振型。传统获取结构模态振型的方法主要是沿桥面不同位置布置一系列的传感器，利用相关的信号分析技术从传感器记录多组响应中重构桥梁的模态振型。由于传感器数量的限制，所得到的桥梁振型空间分辨率较低，即振型曲线不连续，这往往不利于桥梁结构的损伤检测。
[0004]近年来，基于车辆响应的桥梁状态评估技术得到较快发展，该技术主要考虑将传感器安装在移动的试验车上，记录其过桥时的车体振动信号，通过数据分析可识别出桥梁的模态参数(固有频率，阻尼比和模态振型)。该方法由于具有快速、经济、易于操作、机动性强等特点而受到世界各地学者的青睐，其有效性与高效性得到了充分验证。但该方法只适用于结构阻尼比较小的桥梁，无法准确用于识别阻尼比较大的桥梁。其主要原因是，由于阻尼比的存在，从车辆响应中分离的桥梁各阶模态响应幅值的包络线会发生收缩和偏移，导致重构的振型曲线完全偏离理论的模态振型。此外，传统技术采用的信号滤波技术存在相位延迟，无法准确得到的桥梁各阶模态响应，进而导致提取的模态响应幅值存在边界效应，干扰工程师对桥梁损伤的定位。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于车辆振动信号的桥梁振型识别方法，能够消除因结构阻尼比存在导致的收缩和偏移效应，实现对阻尼桥梁模态振型的精准辨识。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种基于车辆振动信号的桥梁振型识别方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一：将传感器布置在测量车车轴的中央位置或布置在位于测量车车轴中央正上方的车厢上；
[0009]步骤二：采用牵引车引导测量车匀速驶过待测桥梁，在测量车在待测桥梁上行驶过程中，记录传感器检测得到的竖向加速度响应
[0010]步骤三：构建车辆和桥梁的平衡方程，求解得到测量车的竖向加速度响应的解析式；
[0011]步骤四：通过竖向加速度响应得到待测桥梁的固有频率范围；
[0012]步骤五：基于桥梁固有频率范围，利用零相位滤波方法从测量车的竖向加速度响应中分离得到的桥梁模态分量R
b
；
[0013]步骤六：利用希尔伯特变换提取桥梁各阶模态分量的瞬时幅值A(t)：
[0014]步骤七：修正瞬时幅值A(t)，得到免疫桥梁阻尼影响的桥梁振型。
[0015]进一步，所述步骤三中，车辆和桥梁的平衡方程为：
[0016][0017][0018]其中，m为桥梁的单位长度质量；c为桥梁的阻尼系数；EI为桥梁的抗弯刚度；f
c
(t)表示车桥之间的接触力；δ(
·
)为狄拉克函数；m
v
为测量车的质量；k
v
为测量车的刚度；u(x，t)和y
v
分别为待测桥梁和测量车的竖向位移；表示u(x，t)对t的一阶求导；表示u(x，t)对t的二阶求导；u
″″
(x，t)表示对x的四次微分；表示测量车的竖向加速度响应；x表示车辆距离入桥点的距离；t表示时间；v表示测量车在待测桥梁上行驶的速度；u
c
为桥梁和车辆之间的接触位移；
[0019]求解得到的竖向加速度响应的解析式为：
[0020][0021]其中，表示速度参数；Δ
st，n
＝
‑
2m
v
gL3/EIn4π4，表示车致桥梁振动产生的静位移；L表示桥梁的长度；g表示重力加速度；n表示桥梁的模态阶数；ω
b，n
、ω
d，n
和ξ
bn
分别为被测桥梁的固有频率、阻尼频率和阻尼比；A
1，n
～A
9，n
为与被测桥梁振动复制相关的系数；α，β表示相位角；ω
v
表示车辆的固有频率。
[0022]进一步，所述步骤四中，被测桥梁的固有频率表示为：
[0023][0024]其中，X(k)表示被测桥梁的固有频率；k表示频率；x(n)表示桥梁的竖向加速度响应；n是从0到N
‑
1的离散采样点；N为待分析信号的总长度；j表示虚数单位。
[0025]进一步，所述步骤五中，零相位滤波方法过程为：
[0026]将序列x(n)输入到滤波器h(n)以生成滤波信号y1(n)：
的桥梁分量响应；在利用希尔伯特变换提取桥梁各阶模态分量的瞬时幅值A(t)后，对瞬时幅值A(t)进行修正，消除因结构阻尼比存在导致的收缩和偏移效应，实现对阻尼桥梁模态振型的精准辨识，以便于将桥梁模态振型进一步用于桥梁的损伤辨识。
附图说明
[0050]为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：
[0051]图1为本专利技术基于车辆振动信号的桥梁振型识别方法的流程图；
[0052]图2为桥梁振型修正系统实施例的原理图；
[0053]图3为测量车系统的结构示意图；
[0054]图4为被测桥梁的数学模型；
[0055]图5为不同结构阻尼比条件下识别的桥梁振型；
[0056]图6为不同车速条件下识别的桥梁振型；
[0057]图7为不同桥梁高阶(第二，三阶)条件下识别的桥梁振型；
[0058]图8为三跨连续桥梁条件下识别的桥梁振型。
具体实施方式
[0059]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。
[0060]如图1所示，本实施例基于车辆振动信号的桥梁振型识别方法，包括如下步骤：
[0061]步骤一：将传感器15布置在测量车10车轴14的中央位置或布置在位于测量车10车轴中央正上方的车厢16上。本实施例的传感器15采用加速度传感器，传感器15布置在测量车10车轴14的中央位置。
[0062]步骤二：采用牵引车11引导测量车10匀速驶过待测桥梁，在测量车在待测桥梁上行驶过程中，记录传感器检测得到的竖向加速度响应
[0063]步骤三：构建车辆和桥梁的平衡方程，求解得到测量车的竖向加速度响应的解析式。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于车辆振动信号的桥梁振型识别方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：将传感器布置在测量车车轴的中央位置或布置在位于测量车车轴中央正上方的车厢上；步骤二：采用牵引车引导测量车匀速驶过待测桥梁，在测量车在待测桥梁上行驶过程中，记录传感器检测得到的竖向加速度响应步骤三：构建车辆和桥梁的平衡方程，求解得到测量车的竖向加速度响应的解析式；步骤四：通过竖向加速度响应得到待测桥梁的固有频率范围；步骤五：基于桥梁固有频率范围，利用零相位滤波方法从测量车的竖向加速度响应中分离得到的桥梁模态分量R
b
；步骤六：利用希尔伯特变换提取桥梁各阶模态分量的瞬时幅值A(t)：步骤七：修正瞬时幅值A(t)，得到免疫桥梁阻尼影响的桥梁振型。2.根据权利要求1所述基于车辆振动信号的桥梁振型识别方法，其特征在于：所述步骤三中，车辆和桥梁的平衡方程为：三中，车辆和桥梁的平衡方程为：其中，m为桥梁的单位长度质量；c为桥梁的阻尼系数；EI为桥梁的抗弯刚度；f
c
(t)表示车桥之间的接触力；δ(
·
)为狄拉克函数；m
v
为测量车的质量；k
v
为测量车的刚度；u(x,t)和y
v
分别为待测桥梁和测量车的竖向位移；表示v(x,t)对t的一阶求导；表示u(x,t)对t的二阶求导；u
″″
(x,t)表示u(x,t)对x的四阶微分；表示测量车的竖向加速度响应；x表示车辆距离入桥点的距离；t表示时间；v表示测量车在待测桥梁上行驶的速度；u
c
为桥梁和车辆之间的接触位移；求解得到的竖向加速度响应的解析式为：其中，表示速度参数；Δ
st,n
＝
‑
2m
v
gL3/EIn4π4，表示车致桥梁振动产生的静位移；L表示桥梁的长度；g表示重力加速度；n表示桥梁的模态阶数；ω
b,n
、ω
d,n
和ξ
bn
分别为被测桥梁的固有频率、阻尼频率和阻尼比；A
1,n
...

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