[发明专利]一种基于车桥耦合系统时变动力特征改变的桥梁快速测试与评估方法

说明书

本发明公开了一种基于车桥耦合系统时变动力特征改变的桥梁快速测试与评估方法，本发明方法，通过布置在桥梁上的传感器采集结构在移动车辆下的振动响应，利用变分模态分解方法识别车桥耦合系统的时变动力特征参数，然后，将其代入振型缩放系数与车辆参数及时变动力特征之间的映射关系中，便可以计算得到结构的振型缩放系数和位移柔度矩阵深层次参数，从而预测结构在任意静力荷载下的变形和进行基于位移柔度矩阵的结构损伤识别。本发明方法具有从仅有输出的振动响应中识别结构深层次参数进而实现结构性能评估的优点，并且具有所需试验成本低、测试时间短和识别精度高的特点，有广泛应用于国家公路网上众多桥梁安全评估的广阔前景。

技术领域

本发明属于结构健康监测技术领域，尤其涉及一种基于车桥耦合系统时变动力特征改变的桥梁快速测试与评估方法。

背景技术

环境振动测试是结构健康监测的一个主要手段，但是只能得到结构的基本模态参数，不能够有效的支撑结构的安全性能评估。为了克服此问题，国外学者提出了一种基于质量改变的振型缩放系数识别方法，具体思想是采集结构在附加质量前后的振动响应，利用模态参数识别算法识别结构在两种状态下的基本动力参数，通过公式推导挖掘结构振型缩放系数与两种状态下结构基本模态参数的关系，从而从仅有输出的环境振动测试数据中识别得到结构的质量归一化振型。然而，该方法由于以下三方面原因未能广泛应用于工程实际中：(1)在环境振动测试过程中，需要关闭交通，影响交通的正常运行；(2)需要测试结构在有无附加质量情况下的地脉动响应，测试时间长，试验过程麻烦，导致试验成本增加；(3)在此方法中，需要谨慎选择附加质量的大小以及附加质量的位置，对于一般的工程人员来讲，操作复杂，不便于实际应用。

近年来，国内外学者已提出了多种基于车桥耦合振动的桥梁快速测试方法。一种广泛使用的方法便是通过在车辆上安装加速度计并采集车辆在桥面行驶时的加速度数据来识别桥梁频率等基本参数。有学者提出利用两辆相连的车去测量桥梁的固有频率，并指出此方法能够克服路面粗糙度对结构识别结果的影响，增强从车辆振动响应中识别结构振型的鲁棒性，并用数值算例进行了验证。另外，有学者提出利用短时傅里叶变换从移动车辆的振动响应中识别结构的位移振型，并用卡车拖车模型的车桥耦合振动模型进行了验证；也有学者提出利用希尔伯特黄变换从移动车辆的振动加速度中识别结构的位移振型，并与理论值进行了比较。上述方法方便快捷，但它们主要依靠桥梁反应的间接测量，仅能实现桥梁频率和振型等基本模态参数与初步的损伤识别。

发明内容

发明目的：针对以上现有技术存在的问题，本发明提出一种基于车桥耦合系统时变动力特征改变的桥梁快速测试与评估方法，该方法克服了现有环境振动测试方法不能识别得到结构深层次参数的缺点，突破冲击振动现场测试难度高的难题，不仅可以得到结构的静力变形，而且可以得到结构的刚度信息，从而对桥梁结构的安全状态进行更加有效的评估。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于车桥耦合系统时变动力特征改变的桥梁快速测试与评估方法，该方法包括以下步骤：

(1)通过布置在桥梁上的传感器采集桥梁结构在无车辆行驶下的振动响应，对响应数据进行处理并识别结构的基本模态参数；

(2)采集桥梁结构在有车辆行驶下的振动响应，并采用时频分析方法识别车桥耦合系统的时变模态参数；

(3)结合无车辆行驶时桥梁结构的基本模态参数和有车辆行驶时车桥耦合系统的时变动力特征计算无车辆行驶下桥梁结构的振型缩放系数；

(4)结合无车辆行驶下的结构基本模态参数和步骤(3)中计算的振型缩放系数计算桥梁结构的位移柔度矩阵，进而预测结构在任意静荷载下的变形对结构的性能状况进行评估。

在步骤(1)中，在采集得到桥梁结构在自然环境条件下的振动响应之后，利用模态参数识别算法对振动响应进行处理，便可以得到无车辆行驶下结构的基本模态参数，包括：固有频率、阻尼比和未缩放位移振型。