CN116678576A - 基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统 - Google Patents
基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116678576A CN116678576A CN202310675803.6A CN202310675803A CN116678576A CN 116678576 A CN116678576 A CN 116678576A CN 202310675803 A CN202310675803 A CN 202310675803A CN 116678576 A CN116678576 A CN 116678576A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- bridge
- vehicle
- data
- vertical acceleration
- vibration mode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000012937 correction Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims abstract description 53
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 53
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000013500 data storage Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 33
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 28
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 14
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 14
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 10
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 4
- 238000013459 approach Methods 0.000 claims description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 3
- 230000010076 replication Effects 0.000 claims description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000036541 health Effects 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000009430 construction management Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
- G01M5/0008—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings of bridges
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H17/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves, not provided for in the preceding groups
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
- G01M5/0066—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by exciting or detecting vibration or acceleration
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F18/00—Pattern recognition
- G06F18/10—Pre-processing; Data cleansing
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F18/00—Pattern recognition
- G06F18/20—Analysing
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/13—Architectural design, e.g. computer-aided architectural design [CAAD] related to design of buildings, bridges, landscapes, production plants or roads
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Evolutionary Biology (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Architecture (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统，包括现场测量系统、数据分析处理平台和数据输出及显示终端；现场测量系统包括测量车系统、数据采集模块、数据转换模块、数据通信模块和数据存储模块；测量车系统包括测量车和牵引车，测量车可绕一转轴相对于牵引车转动、并可沿一滑轴相对于牵引车移动；测量车车轴的中央位置或位于车轴中央上方的车厢上安装有一个传感器；数据采集模块采集传感器测量得到的竖向加速度响应，数据转换模块进行数据转换，数据通信模块将数据传输至数据存储模块进行存储；数据分析处理平台用于根据采集得到的竖向加速度响应数据进行桥梁振型识别；数据输出及显示终端用于实时输出和显示数据分析处理平台的计算结果。
Description
技术领域
本发明属于桥梁健康监测技术领域，具体的为一种基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统。
背景技术
在交通强国大力发展的背景下，越来越多的桥梁不断涌现。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。但是，面对量大面广的桥梁结构，如何实现快速、经济且准确的状态评估与损伤诊断是我国基础设施管理中亟待解决的关键问题。
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。
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。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统，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。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统，包括现场测量系统、数据分析处理平台和数据输出及显示终端；
所述现场测量系统包括测量车系统、数据采集模块、数据转换模块、数据通信模块和数据存储模块；所述测量车系统包括测量车和牵引车，所述牵引车用于引导所述测量车移动，且所述测量车可绕一转轴相对于所述牵引车转动、并可沿一滑轴相对于所述牵引车移动，所述转轴和滑轴相互垂直；所述测量车包括车厢，所述车厢上安装有一根车轴，所述车轴分别与所述转轴和滑轴垂直；所述车轴的中央位置或位于所述车轴中央正上方的车厢上安装有一个传感器；所述数据采集模块采集所述传感器测量得到的竖向加速度响应，所述数据转换模块将采集得到的竖向加速度响应数据进行数据转换，所述数据通信模块将转换后的竖向加速度响应数据传输至所述数据存储模块进行存储；
所述数据分析处理平台用于根据采集得到的竖向加速度响应数据进行桥梁振型识别；
所述数据输出及显示终端用于实时输出和显示所述数据分析处理平台的计算结果。
进一步，所述转轴与所述牵引车转动配合，所述转轴上设有滑套，所述滑轴与所述滑套滑动配合，且所述滑轴固定安装在所述车厢上。
进一步，所述现场测量系统采集竖向加速度响应数据的方法为：
11)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；
12)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
进一步，所述数据分析处理平台根据采集得到的竖向加速度响应数据进行桥梁振型识别的方法为：
21)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；
22)通过竖向加速度响应得到待测桥梁的固有频率范围；
23)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Rb；
24)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)：
25)利用提出的方法修正瞬时幅值A(t)，得到免疫桥梁阻尼影响的桥梁振型。
进一步，所述步骤21)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；fc(t)表示车桥之间的接触力；δ(·)为狄拉克函数；mv为测量车的质量；kv为测量车的刚度；u(x，t)和yv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；uc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；Δst，n＝-2mvgL3/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；ωb，n、ωd，n和ξbn分别为被测桥梁的固有频率、阻尼频率和阻尼比；A1，n～A9，n为与被测桥梁振动复制相关的系数；α，β表示相位角；ωv表示车辆的固有频率。
进一步，所述步骤22)中，被测桥梁的固有频率表示为：
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。
进一步，所述步骤23)中，零相位滤波方法过程为：
将序列x(n)输入到滤波器h(n)以生成滤波信号y1(n)：
y1(n)＝h(z)·x(n)
对滤波后的信号y1(n)进行翻转，得到信号y2(n)：
y2(n)＝y1(N-1-n)
对信号y2(n)进行逆滤波处理得到信号y3(n)：
y3(n)＝y2(n)·h(z)
对信号y3(n)进行翻转，得到输出信号y(n)：
y(n)＝y3(N-1-n)
将竖向加速度响应采用零相位滤波方法处理后，获得零相位的输出信号，即桥梁的各阶模态分量Rb：
其中，h(z)定义为时域中对应的z变换。
进一步，所述步骤24)中，瞬时幅值A(t)表示为：
其中，表示桥梁各阶模态分量Rb的变换对。
进一步，所述步骤25)中，瞬时幅值A(t)的修正方法包括如下步骤：
251)对瞬时幅值A(t)在y轴上执行反射变换，得到反射幅值RA(t1)：
252)对得到的反射幅值RA(t1)执行平移变换：即将反射幅值RA(t1)沿着x轴向右平移L/v个单位长度，得到平移幅值TA(t2)：
253)由于t和t2具有相同的取值范围，用t取代t2，将瞬时幅值A(t)与平移幅值TA(t2)相乘，得到修正的桥梁振型Amod，n(t)：
其中，Am表示修正振型的幅值。
本发明的有益效果在于：
本发明基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统，通过将测量车设置为可绕一转轴相对于牵引车转动，同时还可沿一滑轴相对于牵引车移动，同时使转轴和滑轴均与测量车的车轴垂直，如此，在牵引车引导测量车在被测桥梁上行走的过程中，通过设置在车轴中央位置或设置在车轴中央上方车厢上的传感器可以测量得到测量车在行驶过程中的位移、速度和加速度等参数，进而得到测量车在被测桥梁上行驶过程中的竖向加速度响应数据，而后利用数据分析处理平台根据采集得到的竖向加速度响应数据进行桥梁振型识别，并通过数据输出及显示终端进行实时显示；综上，本发明基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统，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。
具体的，在数据分析处理平台根据采集得到的竖向加速度响应数据进行桥梁振型识别的方法中，通过传感器测量得到竖向加速度响应后，通过车辆和桥梁的平衡方程，得到竖向加速度响应/>的解析式，而后，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Rb，以消除分离的桥梁模态响应存在的相位畸变，以获得“高保真”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
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统实施例的原理图；
图2为测量车系统的结构示意图；
图3为被测桥梁的数学模型；
图4为不同结构阻尼比条件下识别的桥梁振型；
图5为不同车速条件下识别的桥梁振型；
图6为桥梁高阶(第二，三阶)条件下识别的桥梁振型；
图7为三跨连续桥梁条件下识别的桥梁振型。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，本实施例基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统，包括现场测量系统、数据分析处理平台和数据输出及显示终端。
本实施例中，现场测量系统包括测量车系统、数据采集模块、数据转换模块、数据通信模块和数据存储模块。本实施例的测量车系统用于实时测量竖向加速度响应数据，数据采集模块采集传感器测量得到的竖向加速度响应数据，数据转换模块将采集得到的竖向加速度响应数据进行数据转换，数据通信模块将转换后的竖向加速度响应数据传输至数据存储模块进行存储。如图2所示，本实施例的测量车系统包括测量车10和牵引车11，牵引车11用于引导测量车10移动，且测量车10可绕一转轴12相对于牵引车11转动、并可沿一滑轴13相对于牵引车11移动，转轴12和滑轴13相互垂直。本实施例中，转轴12与牵引车11转动配合，转轴12上设有滑套，滑轴13与滑套滑动配合，滑轴13与测量车10固定连接。测量车10包括车厢16，车厢16上安装有一根车轴14，车轴14分别与转轴12和滑轴13垂直，滑轴13固定安装在车厢16上。本实施例的车轴14中央位置处布置有一颗用于采集测量车10在被测桥梁上行驶过程中的加速度数据的传感器15。当然，在其他实施方式中，也可以将传感器15布置在位于车轴14中央位置正上方的车厢16上。
具体的，本实施例中，现场测量系统采集竖向加速度响应数据的方法为：
11)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15中央正上方的车厢16上；
12)采用牵引车11引导测量车10匀速驶过待测桥梁，在测量车10在待测桥梁上行驶过程中，记录传感器15检测得到的竖向加速度响应
本实施例中，数据分析处理平台用于根据采集得到的竖向加速度响应数据进行桥梁振型识别。具体的，数据分析处理平台根据采集得到的竖向加速度响应数据进行桥梁振型识别的方法为：
21)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。
具体的，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；fc(t)表示车桥之间的接触力；δ(·)为狄拉克函数；mv为测量车的质量；kv为测量车的刚度；u(x，t)和yv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u(x，t)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；uc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；Δst，n＝-2mvgL3/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；ωb，n、ωd，n和ξbn分别为被测桥梁的固有频率、阻尼频率和阻尼比；A1，n～A9，n为与被测桥梁振动复制相关的系数；α，β表示相位角；ωv表示车辆的固有频率。
22)通过竖向加速度响应得到待测桥梁的固有频率范围。
具体的，被测桥梁的固有频率表示为：
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。
23)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Rb。
具体的，零相位滤波方法过程为：
将序列x(n)输入到滤波器h(n)以生成滤波信号y1(n)：
y1(n)＝h(z)·x(n)
对滤波后的信号y1(n)进行翻转，得到信号y2(n)：
y2(n)＝y1(N-1-n)
对信号y2(n)进行逆滤波处理得到信号y3(n)：
y3(n)＝y2(n)·h(z)
对信号y3(n)进行翻转，得到输出信号y(n)：
y(n)＝y3(N-1-n)
将竖向加速度响应采用零相位滤波方法处理后，获得零相位的输出信号，即桥梁的各阶模态分量Rb：
其中，h(z)定义为时域中对应的z变换。
24)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)。
具体的，瞬时幅值A(t)表示为：
其中，表示桥梁各阶模态分量Rb的变换对。
可以看出，获得的瞬时幅值A(t)包含的桥梁阻尼ξbn项会对桥梁振型造成收缩和偏移影响。
25)修正步骤瞬时幅值A(t)，得到消除桥梁阻尼的桥梁振型。
具体的，瞬时幅值A(t)的修正方法包括如下步骤：
251)对瞬时幅值A(t)在y轴上执行反射变换，得到反射幅值RA(t1)：
252)对得到的反射幅值RA(t1)执行平移变换：即将反射幅值RA(t1)沿着x轴向右平移L/v个单位长度，得到平移幅值TA(t2)：
253)由于t和t2具有相同的取值范围，用t取代t2，将瞬时幅值A(t)与平移幅值TA(t2)相乘，得到修正的桥梁振型Amod，n(t)：
其中，Am表示修正振型的幅值。
由桥梁振型Amod，n(t)的表达式可以看出，桥梁振型的修正过程不需要额外的桥梁信息，例如难以准确辨识的阻尼比；桥梁振型辨识仅仅需要单个传感器记录的车体响应，通过上述变换即可准确重构连续的(高分辨率)桥梁振型。
本实施例中，数据输出及显示终端用于实时输出和显示数据分析处理平台的计算结果。
下面结合具体实例对本发明基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统进行说明。
在数值验证中，采用图3所示被测桥梁的数学模型。图3中的被测桥梁的参数设置如下：桥梁长度L＝25m，截面尺寸为A＝3.2m2，桥梁密度为ρ＝4800kg/m3，弹性模量E＝2.75×1010N/m2。测量车的参数设置如下：车辆刚度kv＝200kN/m，车体质量mv＝14,000kg，移动速度v＝2m/s。通过给定的桥梁参数可以计算桥梁前2阶频率的理论值分别为：1.39Hz和5.56Hz。
为验证本实施例基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统的通用性，基于数值验证了不同桥梁阻尼比，不同大小的移动速度，不同模态阶次以及不同结构形式的桥梁均有效。具体的，本实施例对如下四种工况下的桥面粗糙度识别进行了模拟：
工况一：不同结构阻尼比条件下识别的桥梁振型，如图4所示；
工况二：不同车速条件下识别的桥梁振型，如图5所示；
工况三：桥梁不同阶次条件下识别的桥梁振型，如图6所示；
工况四：三跨连续桥梁条件下识别的桥梁振型，如图7所示。
从四种工况的数值验证结果可以看出，基于本实施例基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统得到的振型结果与理论值吻合度高，同时得到的振型具有极高的空间分辨率，能够作为桥梁损伤检测的可靠性指标，证明本实施例基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统具有广泛的适用性，其辨识过程高效，辨识流程简单，辨识结果准确，能够为量大面广的桥梁结构振型辨识提供新的技术支撑，服务桥梁健康监测，运营管理与维护。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (9)
1.一种基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统，其特征在于：包括现场测量系统、数据分析处理平台和数据输出及显示终端；
所述现场测量系统包括测量车系统、数据采集模块、数据转换模块、数据通信模块和数据存储模块；所述测量车系统包括测量车和牵引车，所述牵引车用于引导所述测量车移动，且所述测量车可绕一转轴相对于所述牵引车转动、并可沿一滑轴相对于所述牵引车移动，所述转轴和滑轴相互垂直；所述测量车包括车厢，所述车厢上安装有一根车轴，所述车轴分别与所述转轴和滑轴垂直；所述车轴的中央位置或位于所述车轴中央正上方的车厢上安装有一个传感器；所述数据采集模块采集所述传感器测量得到的竖向加速度响应，所述数据转换模块将采集得到的竖向加速度响应数据进行数据转换，所述数据通信模块将转换后的竖向加速度响应数据传输至所述数据存储模块进行存储；
所述数据分析处理平台用于根据采集得到的竖向加速度响应数据进行桥梁振型识别；
所述数据输出及显示终端用于实时输出和显示所述数据分析处理平台的计算结果。
2.根据权利要求1所述基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统，其特征在于：所述转轴与所述牵引车转动配合，所述转轴上设有滑套，所述滑轴与所述滑套滑动配合，且所述滑轴固定安装在所述车厢上。
3.根据权利要求1或2所述基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统，其特征在于：所述现场测量系统采集竖向加速度响应数据的方法为：
11)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；
12)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
4.根据权利要求1所述基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统，其特征在于：所述数据分析处理平台根据采集得到的竖向加速度响应数据进行桥梁振型识别的方法为：
21)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；
22)通过竖向加速度响应得到待测桥梁的固有频率范围；
23)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Rb；
24)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)：
25)利用提出的方法修正瞬时幅值A(t)，得到免疫桥梁阻尼影响的桥梁振型。
5.根据权利要求4所述基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统，其特征在于：所述步骤21)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；fc(t)表示车桥之间的接触力；δ(·)为狄拉克函数；mv为测量车的质量；kv为测量车的刚度；u(x,t)和yu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；uc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；Δst,n＝-2mvgL3/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；ωb,n、ωd,n和ξbn分别为被测桥梁的固有频率、阻尼频率和阻尼比；A1,n～A9,n为与被测桥梁振动复制相关的系数；α,β表示相位角；ωv表示车辆的固有频率。
6.根据权利要求5所述基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统，其特征在于：所述步骤22)中，被测桥梁的固有频率表示为：
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。
7.根据权利要求6所述基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统，其特征在于：所述步骤23)中，零相位滤波方法过程为：
将序列x(n)输入到滤波器h(n)以生成滤波信号y1(n)：
y1(n)＝h(z)·x(n)
对滤波后的信号y1(n)进行翻转，得到信号y2(n)：
y2(n)＝y1(N-1-n)
对信号y2(n)进行逆滤波处理得到信号y3(n)：
y3(n)＝y2(n)·h(z)
对信号y3(n)进行翻转，得到输出信号y(n)：
y(n)＝y3(N-1-n)
将竖向加速度响应采用零相位滤波方法处理后，获得零相位的输出信号，即桥梁的各阶模态分量Rb：
其中，h(z)定义为时域中对应的z变换。
8.根据权利要求7所述基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统，其特征在于：所述步骤24)中，瞬时幅值A(t)表示为：
其中，表示桥梁各阶模态分量Rb的变换对。
9.根据权利要求8所述基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统，其特征在于：所述步骤25)中，瞬时幅值A(t)的修正方法包括如下步骤：
251)对瞬时幅值A(t)在y轴上执行反射变换，得到反射幅值RA(t1)：
252)对得到的反射幅值RA(t1)执行平移变换：即将反射幅值RA(t1)沿着x轴向右平移L/v个单位长度，得到平移幅值TA(t2)：
253)由于t和t2具有相同的取值范围，用t取代t2，将瞬时幅值A(t)与平移幅值TA(t2)相乘，得到修正的桥梁振型Amod,n(t)：
其中，Am代表修正振型的幅值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310675803.6A CN116678576A (zh) | 2023-06-08 | 2023-06-08 | 基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310675803.6A CN116678576A (zh) | 2023-06-08 | 2023-06-08 | 基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116678576A true CN116678576A (zh) | 2023-09-01 |
Family
ID=87780680
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310675803.6A Pending CN116678576A (zh) | 2023-06-08 | 2023-06-08 | 基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116678576A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118013157A (zh) * | 2024-04-08 | 2024-05-10 | 贵州大学 | 基于粒子群优化算法的桥梁模态参数车辆扫描方法 |
-
2023
- 2023-06-08 CN CN202310675803.6A patent/CN116678576A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118013157A (zh) * | 2024-04-08 | 2024-05-10 | 贵州大学 | 基于粒子群优化算法的桥梁模态参数车辆扫描方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN116698316A (zh) | 基于车辆振动信号的桥梁振型识别方法 | |
| Imine et al. | Road profile input estimation in vehicle dynamics simulation | |
| CN108845028B (zh) | 一种高速铁路钢轨波磨动态检测方法和装置 | |
| US10753827B2 (en) | Method and system for measuring vertical wheel impact force in real-time based on tire pressure monitoring | |
| Zheng et al. | Bridge influence line identification from structural dynamic responses induced by a high‐speed vehicle | |
| CN102797202B (zh) | 基于观测器的轨道横向不平顺检测方法 | |
| CN104006978B (zh) | 一种铁道车辆轮轨之间作用力的间接测量方法 | |
| Yang et al. | Extraction of bridge frequencies inclusive of the higher modes by the ESMD using the contact-point response | |
| Li et al. | Indirect damage detection for bridges using sensing and temporarily parked vehicles | |
| CN112326787B (zh) | 一种基于专属测试车多点快速静态采集的梁式桥识别方法 | |
| CN116481747A (zh) | 一种考虑桥梁阻尼影响的桥梁模态振型驱车识别方法 | |
| CN116678576A (zh) | 基于车辆振动信号的桥梁振型修正系统 | |
| CN116296180A (zh) | 基于双轴车接触响应空间位置关系的桥梁阻尼比识别方法 | |
| CN113415308A (zh) | 钢轨波磨检测方法及装置 | |
| Gindy et al. | Bridge displacement estimates from measured acceleration records | |
| CN113432815B (zh) | 一种基于测量车振动响应的桥面响应重构方法 | |
| CN112833837B (zh) | 一种基于加速度传感器估计桥梁位移的方法 | |
| Quqa et al. | Damage index based on the strain‐to‐displacement relation for health monitoring of railway bridges | |
| CN114322911A (zh) | 一种联合卡尔曼滤波的桥梁路面平整度间接精准识别方法 | |
| Shi et al. | Theory for computing vehicle-rail contact responses from a multi-DOF test vehicle and detecting track modulus and rail damages | |
| Liu et al. | Vibration displacement measurement based on three axes accelerometer | |
| CN116972798A (zh) | 基于有限车辆响应的桥梁路面不平整度识别方法 | |
| CN113607443A (zh) | 一种基于数据驱动的高速列车悬挂系统早期故障检测方法 | |
| CN103852251A (zh) | 车架的耐久度检测方法及系统 | |
| CN116842775B (zh) | 一种消除路面粗糙度影响的桥梁模态振型驱车识别方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |