一种移动与非移动车辆共同作用下的桥梁频率提取方法技术

本发明专利技术公开一种移动与非移动车辆共同作用下的桥梁频率提取方法，通过构建单自由度移动车辆

【技术实现步骤摘要】
一种移动与非移动车辆共同作用下的桥梁频率提取方法


[0001]本专利技术涉及桥梁健康检测
，具体涉及一种移动与非移动车辆共同作用下的桥梁频率提取方法。

技术介绍

[0002]桥梁作为交通网络的一个重要组成部分，在日常运营中承受各种环境和运营荷载，桥梁质量会随着建造年限逐步恶化；随着老化桥梁占比上升。桥梁健康检测(BHM)已然成为土木工程界的一个至关重要的挑战。使用基于振动的方法来检测桥梁的健康状况，多年来一直是研究人员关注的焦点。其中，频率、振型和阻尼比等模态参数是大部分研究关注的关键特性。通过识别桥梁模态参数的变化，可以进一步诊断桥梁的健康状况。传统的BHM技术需要在桥梁上直接安装大量的传感器来监测动态响应，此类方法被称为直接法。然而，随着全球新建桥梁数量的不断增长和已建桥梁质量的不断恶化，许多地方政府无法为每座桥梁提供充足的检测和维护预算，桥梁检测直接法存在着对于中小跨径桥梁而言不经济的成本弊端和传感器的安装时存在的人员风险，对各种类型的桥梁进行快速且经济的健康测量已经变得越来越重要和迫切。
[0003]为了克服直接法的缺点，杨等人在2004年提出了从过往车辆的动力响应中检索桥梁频率的间接法，后被重新命名为桥梁的车辆扫描方法(VSM)。这种方法是基于移动的车辆和振动的桥梁之间的耦合效应(VBI)，利用安装在过桥车辆上的传感器采集到的振动信号来提取桥梁的特性。这种方法的优势在于，最少的传感器设备数量要求为决策者提供了一个更具成本效益的方法。同时，测量车经过桥梁全长每个部位的测量过程能够收集桥梁每个部位的振动信息，有可能提供更高的检测分辨率。在过去的十八年中，研究人员利用VSM法实现了提取桥梁的三个关键模态参数，即模态频率、模态振型、阻尼比。甚至逐渐发展到路面粗糙度估计、悬索桥索力松弛、预应力桥预应力松弛、移动力的识别、损伤检测等领域。
[0004]尽管VSM在测量中具有移动性、效率和经济性等明显优势，但在实际应用中仍有一些技术障碍需要解决。其中一个影响因素就是测试车辆的速度。以往一些研究表明当测试测量的速度较高时，采集到的振动数据无法有效地用于模态分析或桥梁损伤检测。例如，利用车辆传感器采集的响应提取桥梁频率的实际应用中，需要保持车速在较低范围内才能呈现有效效果。一些用于提取桥梁振型的方法亦需要在车辆行驶速度低于4m/s时才能达到理想的分辨率。围绕小波变换所建立的用于VSM的方法只能在4m/s的速度下能有效识别到桥梁损伤。为消除路面粗糙度的影响，车辆依然被建议在2m/s左右的低速下进行。总体而言，在以往的大量相关研究中，往往在车速突破10m/s左右时便无法呈现出良好效果。
[0005]另一个关键干扰因素是路面粗糙度，因为它给传感的车辆响应增加了随机和不可控的高频激励。为了减轻道路粗糙度的影响，Yang等首先从理论层面推导了桥面不平整度的车体响应解析解，解释了桥面不平整度对桥频识别的影响机理，并提出了采用两车连接的方式来减少路面粗糙度的模糊效应,该方法从频域角度提取并在识别前两阶桥频时具有明显改善效果。随后，Kong等搭建了由1台牵引车和2台跟随拖车组成的测量车系统，利用快
速傅立叶变换(FFT)和短时傅立叶变换(STFT)对两辆拖车的剩余响应从时域角度进行处理，有效地消除了伴随车流和路面粗糙度的影响，提取到了桥梁频率及桥梁阵型的平方。Malekjafarian和Obrien、Wang等人在他们的研究中也采用了类似的
‘
减法思想
’
来减少路面粗糙度的影响。另外，研究者们还提出了一些数据处理技术用于较小粗糙度的影响，如带通滤波器的奇异频谱分析(SSA
‑
BPF)和随机子空间识别(SSI)。
[0006]上述文献回顾显示，车辆速度和路面粗糙度仍然是全球VSM研究的核心解决点。为规避以上关键影响因素，近年来还有学者利用在测量车辆停靠在桥上不同位置而引起的桥梁频率变化来提取模态振型。He和Ren提出利用桥梁上停靠车辆的响应来提取桥梁频率，并进一步用于损伤检测，该方法在比例模型试验中得到了证实。Li等人基于有限元模型和模型实验，利用一辆移动车辆和一辆停靠在桥梁上的车辆采集到的数据用于桥梁的频率和模态形状的提取。Yang等人在实时交通车流的激励下的实桥上，研究了测试车辆在移动和非移动状态下采集到的信号用于桥梁模态参数识别的效果。
[0007]综合以上文献可见，为克服VSM方法领域的车辆速度和路面粗糙度两大难题，采用非移动与移动车辆结合的方式对桥梁模态进行参数识别或损伤识别的思路具有很大研究价值和应用潜力。因为非移动车辆能直接规避车速和路面粗糙度对振动数据采集的影响，同时移动车辆又能充当激励激发桥梁的模态响应。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于，提供一种移动与非移动车辆共同作用下的桥梁频率提取方法，构建单自由度移动车辆
‑
桥梁
‑
非移动车辆耦合系统，推导了单自由度非移动车辆
‑
移动车辆
‑
桥梁振动系统的理论解析式，明确移动车辆
‑
桥梁
‑
非移动车辆检测方式。
[0009]为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术是通过以下技术方案实现：
[0010]一种移动与非移动车辆共同作用下的桥梁频率提取方法，通过构建单自由度移动车辆
‑
桥梁
‑
非移动车辆耦合系统，将测量车假设为单自由度弹簧质量模型，加入非移动车辆可以显著提高桥梁频率在车辆响应中的可提取性；并通过布置在车辆上的少量传感器进行桥梁频率提取；桥梁与移动车辆之间的动力相互作用可以被新纳入的非移动车辆放大，通过引入非运动车辆增强VSM对桥梁频率提取的抗噪性能，几乎不受路面不平度的影响；推导单自由度非移动
‑
移动
‑
桥梁振动系统的理论解析式，实现桥梁频率提取。
[0011]进一步的，所述将单轴测量车假设为单自由度弹簧质量模型，并对模型做出假设：
[0012](1)桥梁为均质等截面Eular
‑
Bernoulli梁；
[0013](2)桥梁在车辆未进入前处于完全静止状态；
[0014](3)车辆的质量远小于桥梁的质量；
[0015](4)暂不考虑车辆和桥梁的阻尼；
[0016]桥梁和车辆的运动方程可写为：
[0017]桥梁方程：
[0018][0019]移动车辆的方程：
[0020][0021]静止车辆：
[0022][0023]其中，m
v0
和m
v1
分别为0号和1号质量块质量，k
v0
和k
v1
分别为0号和1号弹簧刚度，y
v0
和y
v1
分别为0号和1号质量的位移，x0为移动车辆的位置，x1为1号桥梁停靠位置离桥梁入口侧断点的距离，v0为移动车辆的速度，L为简支梁的长度，m
b...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种移动与非移动车辆共同作用下的桥梁频率提取方法，其特征在于：通过构建单自由度移动车辆
‑
桥梁
‑
非移动车辆耦合系统，将测量车假设为单自由度弹簧质量模型，加入非移动车辆可以显著提高桥梁频率在车辆响应中的可提取性；并通过布置在车辆上的少量传感器进行桥梁频率提取；桥梁与移动车辆之间的动力相互作用可以被新纳入的非移动车辆放大，通过引入非运动车辆增强VSM对桥梁频率提取的抗噪性能，几乎不受路面不平度的影响；推导单自由度非移动
‑
移动
‑
桥梁振动系统的理论解析式实现桥梁频率提取。2.如权利要求1所述的移动与非移动车辆共同作用下的桥梁频率提取方法，其特征在于：所述将单轴测量车假设为单自由度弹簧质量模型，并对模型做出假设：(1)桥梁为均质等截面Eular
‑
Bernoulli梁；(2)桥梁在车辆未进入前处于完全静止状态；(3)车辆的质量远小于桥梁的质量；(4)暂不考虑车辆和桥梁的阻尼；桥梁和车辆的运动方程可写为：桥梁方程：移动车辆的方程：静止车辆：其中，m
v0
和m
v1
分别为0号和1号质量块质量，k
v0
和k
v1
分别为0号和1号弹簧刚度，y
v0
和y
v1
分别为0号和1号质量的位移，x1为1号桥梁停靠位置离桥梁入口侧断点的距离，v0为移动车辆的速度，L为简支梁的长度，m
b
为简支梁截面单位长度质量，E为弹性模量，I为截面抗弯刚度，u(x,t)为桥梁位移，u
c
(x,t)为桥梁与车辆接触点的位移，δ为单位脉冲函数；点和撇(a dot and a prime)分别表示相对于时间t和梁的坐标x的微分。3.如权利要求2所述的移动与非移动车辆共同作用下的桥梁频率提取方法，其特征在于：弹簧质量体和简支梁之间存在的接触力f
c
(t)可以表示为：f
c0
(x,t)＝k
v0
(q
v0
‑
u
c
(x,t))+m
v0
g (4)f
c1
(x1,t)＝k
v1
(q
v1
‑
u
c
(x1,t))+m
v1
g (5)其中g是重力加速度；需要特别说明的是车辆的位移是从车辆的静态平衡位置开始测量的；因此车辆的方程中没有出现重力项；相反，梁的运动可能受到车辆质量的重力负荷的影...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱金，张廷鹏，熊籽跞，郑凯锋，李永乐，刘占辉，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：