本发明涉及桥梁工程动态性能测试领域，尤其涉及一种用于桥梁动载试验的测点布置方法。
背景技术：
桥梁是重要的交通设施之一。随着交通事业的发展和科学技术的进步，桥梁检测受到了日益广泛的重视，其中，动载试验是桥梁检测的一个重要组成部分。目标桥梁在外界激励下会进行振动，通过拾取振动信号可以识别桥梁自身模态参数，进而对桥梁的工作性能做出评估。桥梁动力学是现代桥梁发展的一个重要课题，一方面它能更真实地揭示出桥梁结构在汽车车辆荷载作用下的动态受力与变形本质，另一方面又能描述出桥梁结构在地震作用下的系统影响。
但是纯粹通过理论建模获得动力特性无法满足这一要求，还需要通过实测来校正理论模型，从而完善力学模型。通过振动试验和分析来识别桥梁自振特性是目前为止最可靠的方法。振动试验是获取结构振动的原始数据，通常是加速度的时间历程。而信号分析则是通过分析测量得到的原始数据，来识别模态。这两方面既具有一定的独立性，又是紧密联系在一起的。自振特性测量方法就包括这两方面的内容。引起桥梁结构产生振动的外部荷载，主要是经常行驶于桥上的各种车辆荷载，此外，还有风动荷载和地震荷载等。
桥梁振动信号对于评价桥梁运营状况具有十分重要的意义。《城市桥梁检测技术标准》(dbj/t15-87-2011)7.5.1规定：脉动试验应“根据现场情况，在结构的敏感点布置拾振器”。但是，“敏感点”的选取具有很强的人为性，并且对于常见的跑车、跳车试验等的布置位置未做说明。
《公路桥梁荷载试验规程》(jtg/tj21-01-2015)表6.2.3-1～表6.2.3-3分别给出了简支梁桥、两等跨连续梁桥、三等跨连续梁桥的推荐拾振器布置方案。推荐方案均沿桥梁纵向一条直线布置，然而，这种布置方式不能顾及桥梁的具体情况，且只适用于这些特定结构，比如对于宽跨比较大的简支板桥，直接套用规范明显不合理；对于三跨不等跨的连续梁直接套用规范同样不合理，因为规范给出的是三等跨连续梁的测点布置方案。
因此，传统振动信号拾取测点的布置多是凭操作人员的经验确定的，具有很强的盲目性；或者简单套用规范，未考虑桥梁具体情况；且大多沿桥梁纵向一条直线布置，只针对桥梁纵向振动模态，很少顾及桥梁横向振动模态。以上做法直接导致了以下不足：
⑴所拾取信号的代表性不足，质量不高，甚至因为布置在阵型反弯点(振动信号为零或很微弱)而拾取不到信号。
⑵由于振动信号拾取测点沿纵桥向直线布置，而非沿桥梁平面布置，某些目标模态(特别是横桥向振动模态)无法辨识而导致遗漏。比如对于一座宽跨比较大的简支现浇板桥，将因为没有针对性的布置测点，从而造成拾取信号质量不佳以及桥梁横线偏转模态的无法辨识。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种简便高效，结果稳定可靠的用于桥梁动载试验的测点布置方法，克服传统方法所存在的难以识别横向偏转模态，盲目性、人为性强等的缺点，提高桥梁动载试验测试的可靠性、稳定性，提高试验效率。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种用于桥梁动载试验的测点布置方法，其特征在于包括以下步骤：
⑴在有限元平台上建立目标结构的有限元模型；
⑵根据有限元模型提取目标模态振型矩阵u，目标模态振型矩阵u由节点振型数据组成，目标模态振型矩阵u为：
式中：m为目标模态数，n为模型自由度数，即为节点数，uij为i节点第j阶振型数据，其中1≤i≤n，1≤j≤m；
⑶去除目标模态振型矩阵中位置不适合布置测点以及振动信号小于第一设定阀值的节点。对于目标模态振型矩阵u而言即去除所去除的节点所对应的行。剩余的节点形成初选自由度；
①位置不适合布置测点的节点：在实际工程中，比如人行道、防撞墙等位置不适合布置测点；有时考虑仪器设备等因素，也会对测点布置的位置提出要求。
②振动信号小于第一设定阀值的节点：第一设定阀值人为设定，可以取为所有节点的振动信号最小至最大之间的任意值，取值越大，去除的节点越多，同时后期需要的传感器数量也会越多；取值越小，去除的节点越少，同时后期需要的传感器数量也会越少。一般地，为了综合考虑去除节点的数量和传感器数量，第一设定阀值取为节点的振动信号值从小到大排列的第0.5n的节点的振动信号值，此处n为节点总数。比如全部节点数为1000个，最小的振动信号值为0，最大振动信号值为1，将这1000个节点按照振动信号值由小到大排列，第500个节点的振动信号值设定为第一设定阀值。振型反弯点及小反应节点的振动信号为零或很微弱。
⑷在初选自由度中逐一对任意组合的两节点计算mac矩阵，第i阶模态的振型数据和第j阶模态的振型数据形成的mac矩阵因子为：
式中：aij为矩阵a＝ut×u的ij元，其中，ut为u的转置矩阵。
mac矩阵(modalassurancecriterion模态置信矩)，是评价模态向量空间交角的一个工具，为现有技术。
⑸选出最大非对角元值最小的n组节点，n≥1；
⑹从n组节点中选取最优的两个节点进入量测自由度：
①当n为1时，该组节点作为最优的两个测点进入量测自由度，转入步骤⑺；
②当n大于或等于2时，将n组节点中每一组的两个节点的振型数据相乘，乘积值最大的那组节点作为最优的两个测点进入量测自由度，或者在乘积值最大且相同的两组以上节点中任意选取一组节点作为最优的两个测点进入量测自由度，转入步骤⑺；
⑺逐一从初选自由度剩余的节点中选取一节点进入量测自由度，并计算该量测自由度的mac矩阵，得到最大非对角元值，若最大非对角元值小于或等于第二设定阀值，选取该新增的节点进入量测自由度，转入步骤⑻；
否则，选取最大非对角元值最小的那个节点进入量测自由度，再计算该量测自由度的mac矩阵，得到最大非对角元值，若最大非对角元值小于或等于第二设定阀值，选取该新增的节点进入量测自由度，转入步骤⑻；否则，重复本步骤，直至最大非对角元值小于或等于第二设定阀值，选取该新增的节点进入量测自由度，转入步骤⑻；
第二设定阀值人为设定，第二设定阀值越大，量测自由度中节点数就会越少，需要的传感器就越少，测试的精确度就相对较低；而第二设定阀值越小，需要的传感器数量就会越多，测试的精确度也会提高，可根据实际工程需要的精度来进行设定。第二设定阀值为大于0且小于1，一般地对于常见工程而言，第二设定阀值为0.25，满足工程需要。
⑻获得计算结果。量测自由度中节点的位置即为传感器布置位置。
本发明结合越来越普遍适用的有限元分析技术，基于先进的结构动测测点选择理论，可针对目标桥梁的目标模态快速准确的做出分析，进而计算出沿桥梁纵向或平面分布的测点布置位置，能够有效克服传统方法所存在的缺陷。本发明简便高效，所拾取信号更具代表性，大幅提高对桥梁横向目标模态的辨识能力。
本发明完成步骤⑺后，若选取了所有初选自由度剩余的节点仍然不能满足最大非对角元值小于或等于第二设定阀值，那么说明第一设定阀值过大，或第二设定阀值过小，则可以采取以下两种方法的任意一种：
①减小第一设定阀值，转入步骤⑶；
②增大第二设定阀值，转入步骤⑺。
作为本发明的实施方式，所述步骤⑴和⑵结合有限元分析技术，通过在计算机上建立目标结构的有限元分析模型，得到目标结构的目标模态振型矩阵。
作为本发明的一种实施方式，在所述步骤⑴中，当考察目标结构的横向偏转模态(包括纵向振动和横向振动)时，所述有限元模型为平面模型。
作为本发明的一种实施方式，在所述步骤⑴中，当不考察目标结构的横向偏转模态时，所述有限元模型是平面模型或线性模型，此时不能识别横向振动，仅能识别纵向振动。
将有限元模型简化为平面模型可以考察横向偏转模态，但是增加了计算量；将有限元模型简化为线性模型不可以考察横向偏转模态，但是减少了计算量。
本发明具有以下的实施方式：所述目标结构为桥梁、建筑梁、柱或大型机械梁等。在实际应用中，只要是可以拾取振动信号的结构都可以作为目标结构，但是，鉴于目前拾振器的技术水平，桥梁、建筑梁、柱、大型机械梁(比如挂车轴梁、吊车伸臂梁等)拾取信号较为准确。
作为本发明的一种实施方式，所述第一设定阀值为节点最小振动信号值至最大振动信号值间的任意值。一般取为节点的振动信号值从小到大排列的第0.5n个节点的振动信号值，n为节点总数，即满足工程需要。
作为本发明的一种实施方式，所述第二设定阀值为大于0且小于1，优选为0.25，可满足工程需要。第二设定阀值越小，实际工程中需要的拾振器数量越多，即实施条件越苛刻，但测量精度越高；反之所需要的拾振器数量越少，但测量精度越低；建议做法为首先设定为0.25，视计算结果再结合工程实际做调整。
与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：
⑴本发明与越来越普遍适用的有限元分析技术相结合，基于先进的结构动测测点选择理论，，可针对目标桥梁的目标模态快速准确的做出分析，进而计算出沿桥梁纵向或平面分布的测点布置位置，能够有效克服传统方法所存在的缺陷。本发明简便高效，所拾取信号更具代表性，大幅提高对桥梁横向目标模态的辨识能力。
⑵本发明利用“mac矩阵最大非对角元最小原理”处理振型矩阵前，提出了首先去除非理想节点数据，“非理想节点数据”指不适合布置测点的节点数据和振型反弯节点及小反应节点数据。本发明适合工程实际应用，大大减小了后续计算工作量，同时保证了计算结果的可靠性。
⑶本发明易于实现平面布点，大幅提高识别横向偏转目标模态的能力。
⑷本发明不仅仅适用于各种形式的桥梁，也适用于桥梁的组成部分，还适用于建筑梁或柱等，适用对象广泛，且可保证布置结果的准确可靠性。
具体实施方式
本发明一种用于桥梁动载试验的测点布置方法，具体包括以下步骤：
⑴在有限元平台上建立目标结构的有限元模型：
在本实施例中，目标结构是一座简支预制小箱桥梁，计算跨径为29.14m，宽为18.75m。由于本桥宽长比较大，目标模态为前三阶，需要考察桥梁的横向偏转模态，有限元模型为平面模型，具体使用midas/civil建立该桥梁平面模型。
⑵根据有限元模型提取目标模态振型矩阵u。
步骤⑴和⑵结合有限元分析技术，通过在计算机上建立目标结构的有限元分析模型，得到目标结构的目标模态振型矩阵；
目标模态振型矩阵u由节点振型数据组成，计算机建模计算得到目标模态振型矩阵u，目标模态振型矩阵u为：
式中：m为目标模态数，n为模型自由度数，即为节点数，uij为i节点第j阶振型数据，其中1≤i≤n，1≤j≤m。计算机程序自动计算进行动态性能分析，提取前三阶振型矩阵。
⑶去除目标模态振型矩阵中位置不适合布置测点以及振动信号小于第一设定阀值的节点，对于目标模态振型矩阵u而言即去除所去除的节点所对应的行，剩余的节点形成初选自由度；
位置不适合布置测点包括以下情况：由于人行道及防撞墙位置不适宜布置测点，因此从振型矩阵中去除人行道及防撞墙处的节点数据；有时考虑仪器设备等因素，也会对测点布置的位置提出要求。然后通过第一设定阀值，去除那些振动信号小于第一设定阀值的节点数据，即去除振型反弯点数据及小反应节点数据。在本实施例中，第一设定阀值为节点的振动信号值从小到大排列的第0.5n个节点的振动信号值，n为节点总数。
⑷在初选自由度中逐一对任意组合的两节点计算mac矩阵，第i阶模态的振型数据和第j阶模态的振型数据形成的mac矩阵因子为：
式中：aij为矩阵a＝ut×u的ij元，其中，ut为u的转置矩阵。
⑸选出最大非对角元值最小的n组节点，n≥1：在本实施例中，节点共有1569个，去除目标模态振型矩阵中位置不适合布置测点以及振动信号小于第一设定阀值的节点后，剩余706个节点，在706个节点范围内计算任意两节点的mac矩阵，并比较最大非对角元值，得到最大非对角元值最小的节点共计3组，这3组节点的最大非对角元值均为0.6。这3组节点的每组节点包括两个节点，分别为：205#节点和1165#节点；453#节点和1367#节点；489#节点和1068#节点；
⑹从3组节点中选取最优的两个节点进入量测自由度：每个节点的振型数据分别是：205#节点的振型数据为0.61；1165#节点的振型数据为0.62；453#节点的振型数据为0.52；1367#节点的振型数据为0.77；489#节点的振型数据为0.49；1068#节点的振型数据为0.37；将每组两个节点的振型数据相乘，得到：0.61×0.62＝0.3782；0.52×0.77＝0.4004；0.49×0.37＝0.1813。可见，乘积值最大的为第二组节点，因此，选取第二组的两个节点作为最优两个测点进入量测自由度。
⑺使用逐步累积的方法，逐一从初选自由度剩余的节点中选取一节点进入量测自由度，并计算该量测自由度的mac矩阵，得到最大非对角元值，若最大非对角元值小于或等于第二设定阀值，选取该新增的节点进入量测自由度，转入步骤⑻；
否则，选取最大非对角元值最小的那个节点进入量测自由度，再计算该量测自由度的mac矩阵，得到最大非对角元值，若最大非对角元值小于或等于第二设定阀值，选取该新增的节点进入量测自由度，转入步骤⑻；否则，重复本步骤，直至最大非对角元值小于或等于第二设定阀值，选取该新增的节点进入量测自由度，转入步骤⑻；
在本实施例中，第二设定阀值为0.25，依次从那706个节点中选取156#、157#、158#……节点进入已经包含了453#、1367#的量测自由度，并计算该量测自由度的mac矩阵，以及考察最大非对角元值，发现全部节点计算完毕没有一组的最大非对角元值小于第二设定阀值，此时，留下最大非对角元值最小的那个节点，即759#节点进入量测自由度，继续从未选取的节点中逐一选取进入量测自由度并计算mac矩阵以及考察最大非对角元值，发现，当计算到947#节点时，该节点的最大非对角元值小于第二设定阀值。
⑻获得计算结果，量测自由度即定为453#、1367#、759#、947#节点。也就是说传感器布置在这四个节点位置，即获得了满足要求的测点组。
在其它实施例中，完成步骤⑺后，若选取了所有初选自由度剩余的节点仍然不能满足最大非对角元值小于或等于第二设定阀值，那么说明第一设定阀值过大，或第二设定阀值过小，则可以采取以下两种方法的任意一种：
①减小第一设定阀值，转入步骤⑶；
②增大第二设定阀值，转入步骤⑺。
在其它实施例中，当不需要考察目标结构的横向偏转模态时，有限元模型是平面模型或线性模型，此时不能识别横向振动，仅能识别纵向振动。
在其它实施例中，目标结构还可以为建筑梁、柱或大型机械梁等，在实际应用中，只要是可以拾取振动信号的结构都可以作为目标结构，但是，鉴于目前拾振器的技术水平，桥梁、建筑梁、柱、大型机械梁(比如挂车轴梁、吊车伸臂梁等)拾取信号较为准确。
第二设定阀值为大于0且小于1，第二设定阀值越大，量测自由度中节点数就会越少，需要的传感器就越少，测试的精确度就相对较低；而第二设定阀值越小，需要的传感器数量就会越多，测试的精确度也会提高，可根据实际工程需要精度来进行设定。
本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。