一种消除路面粗糙度影响的桥梁模态振型驱车识别方法技术

本发明专利技术属于桥梁健康监测检测技术领域，提出了一种消除路面粗糙度影响的桥梁模态振型驱车识别方法，结合小波变换，基于圆盘车轮模型建立两辆测量车

【技术实现步骤摘要】
一种消除路面粗糙度影响的桥梁模态振型驱车识别方法


[0001]本专利技术属于桥梁健康监测检测
，具体涉及一种基于两辆圆盘模型测量车
‑
桥模型来消除桥梁路面粗糙度影响的桥梁模态振型驱车识别技术。

技术介绍

[0002]为推动国家经济高效发展，在过去二十年我国建造了大量的基础设施体系。其中，公路、桥梁等交通设施成为各地区促进区域融合、推动经济发展的命脉工程。为了保证通运输体系的正常运行，交通基础设施的定期检查和维护就变得至关重要。粗糙度作为评价路面质量的三大技术指标(厚度、压实度、粗糙度)之一，对于行车安全、舒适性等均会产生影响，同时会直接影响道路使用寿命。国际道路粗糙度试验将路面粗糙度规定为：道路表面对于理想平面的偏差，其具有影响车辆动力性、行驶质量和路面动力荷载的数值特征。
[0003]对桥面粗糙度展开研究有助于优化基于车辆响应的桥梁检测方法，尤其是其中的车辆扫描法。车辆扫描法(VSM)是Yang等于2004年提出的一种基于移动车辆响应的桥梁间接测量方法[1]。桥面粗糙度是桥梁表面相对于理想平面的竖向偏差，此偏差会对移动车辆与桥梁之间的相互作用产生重大影响。故而安装在车辆上的传感器所收集到的桥梁信息不仅包含桥梁振动响应信息，还包含桥面粗糙度信息，而后者的存在会严重干扰前者的识别甚至于完全覆盖前者，从而降低VSM的检测有效性。考虑车轮对路面粗糙度的过滤作用和实现粗糙度的准确识别，对提高桥梁模态识别效果具有重要潜在研究价值。
[0004]模态振型作为重要的特性参数，是评估桥梁健康状态的重要指标之一。
[0005]粗糙度使得行驶车辆产生竖向振动，桥面越粗糙，振动越强烈；随后，车辆振动响应对桥梁产生冲击，使得桥梁动力响应变大，并反作用于车辆。因此，车体响应中必定含有粗糙度信息，并与桥梁动态响应掺杂在一起，从而导致基于车辆响应的桥梁间接检测有效性降低。如何有效降低桥梁路面粗糙度影响，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。
[0006]为了消除粗糙度对桥梁模态参数识别影响，学者提出了各种方法。如Yang等提出利用两辆相连但互相独立的车辆测量桥梁频率[2]，通过分析两车频谱相减得到的残余频谱，以去除粗糙度的影响。Kong等设计了一种由一辆牵引车和两辆拖车组成的测量系统[3]，通过分析两辆拖车相减得到的残余响应实现对桥梁模态的提取。上述各种方法都是通过分析残余量或调整车辆构造等间接措施，以达到削弱粗糙度影响的目的。然而，现有技术中没有能直接对桥面粗糙度进行识别并消除粗糙度影响的方法。
[0007][1]Y.B.Yang,C.W.Lin,J.D.Yau.Extracting bridge frequencies from the dynamic response of apassing vehicle[J].Journal of Sound and Vibration,2004,272:471
‑
493.
[0008][2]Y.B.Yang,Y.C.Li,K.C.Chang.Effect of road surface roughness on the response of a moving vehicle for identification of bridge frequencies[J].Interaction and multiscale mechanics,2012,5(4):347
‑
368.
[0009][3]X.Kong,C.S.Cai,B.Kong.Numerically extracting bridge modal properties from dynamic responses of moving vehicles[J].Journal of Engineering Mechanics,2016,142(6):04016025

技术实现思路

[0010]针对上述现有技术中的不足，本专利技术提供一种直接识别粗糙度消除桥梁路面粗糙度干扰的桥梁模态振型驱车识别方法及其应用。
[0011]本专利技术方法策略：
[0012]考虑车轮几何尺寸影响，本专利技术基于圆盘车轮模型建立两辆单轴测量车参与的车
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桥力学模型，其中一辆为以一定速度匀速行驶的运动测量车，另一辆为静止的测量车。在两辆车体上分别安装用于采集竖向振动数据的传感器，依此计算出车体的竖向响应，基于结构动力学原理、车桥耦合作用，从车体响应中间接计算出车
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桥竖向位移接触响应。基于结构力学原理和两辆测量车
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桥接触点的竖向位移响应，本专利技术创造性地利用结构静力学位移影响线方法，构建出直接识别桥面粗糙度的理论模型公式，以直接识别桥面粗糙度并计算出桥面粗糙度值，来消除桥梁路面粗糙度影响；基于运动测量车
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桥竖向加速度接触响应，利用接触响应减去粗糙度值得到只含桥梁响应的“纯净”竖向加速度接触响应。基于上述运动测量车的“纯净”竖向接触响应，对处理后的接触点响应进行小波变换提取小波系数并归一化处理，从桥梁响应中提取出桥梁模态振型幅值。
[0013]本专利技术方法过程：
[0014]基于圆盘车轮模型建立两辆测量车参与的车
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桥交互模型，获得两组桥梁竖向振动响应数据。车辆扫描法使用的测量车的质量要远低于桥梁的质量，且车速较低，因此测量车对于桥梁的动力冲击将很小，故由测量车移动引起的桥梁竖向动力响应位移可近似等于车荷载引起的桥梁静态竖向位移，则可利用车与桥梁之间的竖向接触点位移影响线量值表示接触点P1、P2的竖向位移响应u1(x)和u2(a)：
[0015][0016][0017]再利用两者相除即可得到接触点P1、P2位置处的桥梁竖向位移响应的静态相关方程(公式(5))，将公式(5)代入公式(1)即可得到直接识别桥面粗糙度的表达公式(6)：
[0018][0019][0020]利用车
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桥竖向接触点响应减去粗糙度从而消除桥梁路面粗糙度影响，得到只含桥梁响应的“纯净”竖向接触点响应
[0021]位移响应图；
[0043]图5为实施例1中利用直接识别桥面粗糙度计算公式的简支梁路面粗糙度的识别效果图；
[0044]图6为实施例1中基于“纯净”竖向接触加速度响应频谱图；
[0045]图7为实施例1中基于小波变换所得到的单跨桥梁模态振型识别结果。
具体实施方式
[0046]下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。
[0047]如图1所示，一种消除路面粗糙度影响的桥梁模态振型驱车识别方法，包含如下步骤：
[0048]一、数据采集阶段：
[0049]S1布置运动、静止两辆测量车
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桥系统：将装有加速度传感器的两辆测量车分别布置在桥梁上。其中一辆测量车静止，其上接收器用于收集静止测量车“2”的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种消除路面粗糙度影响的桥梁模态振型驱车识别方法，其特征在于，包括如下步骤：一、数据采集阶段：S1布置运动、静止两辆测量车
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桥系统：将装有加速度传感器的两辆测量车分别布置在桥梁上；S2建立相应运动微分方程；二、识别桥面粗糙度值计算阶段：S3利用位移影响线建立两车竖向响应位移；S4建立桥面粗糙度直接识别方程；三、消除粗糙度影响阶段：S5利用桥面粗糙度表达公式和运动测量车
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桥竖向加速度接触响应推导出运动测量车
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桥“纯净”竖向加速度接触响应；四、构建桥梁模态振型阶段：S6利用小波变换处理竖向“纯净”加速度接触响应后得到桥梁模态振型。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，其中一辆测量车静止，其上接收器用于收集静止测量车“2”的竖向加速度响应一辆测量车由静止开始运动，其接收器用于收集运动测量车“1”竖向加速度响应3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，考虑车轮实际几何尺寸影响，采用圆盘车轮模型；根据圆盘车轮模型、两辆测量车
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桥耦合系统，建立运动、静止两测量车竖向振动响应运动方程，表示为：竖向振动响应运动方程，表示为：式中，m
v1
，m
v2
分别为运动、静止测量车的质量，k
v1
，k
v2
分别为运动、静止测量车的刚度，运动测量车“1”在桥梁上以匀速速度v行驶，x为运动测量车“1”所在桥上位置，x＝vt，a为静止测量车“2”在桥上位置；以车辆静止时的平衡位置为基准点，y1，y2分别表示运动测量车“1”、静止测量车“2”的竖向响应位移；分别表示运动测量车“1”、静止测量车“2”的竖向加速度响应；u1(x)表示桥梁在运动测量车“1”与桥接触点P1位置处的竖向位移响应，u2(a)表示桥梁在静止测量车与桥接触点P2位置处的竖向位移响应，r(x)表示桥梁在接触点P1位置处的桥面粗糙度值。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，由于使用的车辆系统的质量要远低于桥梁的质量，且控制车辆行驶速度较低，因此车辆对于桥梁的动力冲击也小；此时，由车辆移动引起的桥梁动力响应位移近似等于车辆荷载引起的桥梁静态位移，则利用结构静力学位移影响线方法表示接触点P1、P2的竖向响应位移u1(x)和u2(a)，即：(a)，即：式中，g表示重力加速度；δ
ij
(x)表示在接触点P
j
位置处的单位力引起的在接触点P
i
...

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