专利名称：测量桥梁下部结构自振频率的冲击振动法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量桥梁下部结构自振频率的方法。
背景技术：
自振频率是桥梁下部结构的固有特性，由桥墩系统的刚度和质量决定。当桥墩发生病害时，一般认为病害只改变系统的刚度，而不改变系统的质量，所以自振频率的变化能反映桥墩刚度的变化，即能反映病害。桥墩横向振动时，梁和轨道的约束作用很小，可以忽略不计，所以横向自振频率对病害非常敏感。基于以上原因，用自振频率指标评判桥墩的健全度一直是国内外研究的热点。这种方法的基本思路是给定桥墩的基准自振频率，若实测桥墩的自振频率高于基准值，则认为桥墩没有问题，满足要求；反之，则认为桥墩出现了病害，必须进行详细检查，如有必要还要进行维修加固。因此，应用这种方法的关键是要准确测量桥墩的自振频率。
2005年2月出版的《北京交通大学学报》29卷、第一期《既有桥梁墩台自振频率测试的冲击振动试验法》对冲击振动测量桥墩自振频率的基本原理和实施步骤进行了简单的介绍并给出了应用实例，但是该文献并未给出对时域信号截取及叠加消除信号噪声的具体措施，也未给出实现冲击响应信号相位谱的具体方。单纯依据该文献公开的内容，本行业的技术人员无法用该方法测量出桥墩的自振频率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题克服了现有技术存在的问题，提供一种测量桥梁下部结构自振频率的方法。
本发明的技术方案1.测量桥梁下部结构自振频率的冲击振动法，其实施步骤为(1)布置传感器、线路及信号采集设备当仅需要测量桥墩的自振频率时，在墩顶和相邻的两跨梁跨中分别布置一个传感器；当需要测量桥墩的振型时，除了在相邻的两跨梁跨中分别布置一个传感器外，在桥墩上布置三个传感器墩顶一个，墩中间一个，墩底部一个；布置好传感器后，用信号线将传感器及信号采集设备连接起来；
(2)布置重锤用绳子将重锤固定在桥梁护栏栏杆或者上人梯上；(3)操作重锤及信号采集操作人员在墩顶或陆地上操作重锤，启动信号采集系统，在2～5秒后，用重锤敲击桥墩，在观察到全部信号衰减完毕后，关闭信号采集系统，并对采集到的数据进行存盘，用同样的方法采集10次信号；(4)进行信号处理用编制的分析程序对采集到的墩顶和梁跨中的10次冲击响应信号进行截取、叠加处理，然后进行傅立叶分析得到响应的幅值谱和相位谱；(5)确定桥墩的自振频率对于速度传感器记录的速度响应信号，相位差为180度或360度的幅值谱峰值点对应的频率确定为桥墩的自振频率；对于加速度传感器记录的加速度响应信号，相位差为90度或270度的幅值谱峰值点对应的频率确定为桥墩的自振频率。
确定响应信号相位谱的具体方法对叠加后的2048个时域响应数据进行快速傅立叶变换得到复数列am+bm(m＝1，2，…，2048)。按照公式(1)计算反正切角θ‾m=tan-1|bmam|---(1)]]>根据下列原则确定各个数据点的相位角(a)若am＞0，bm＞0，数据点位于第一象限，θm＝θm；(b)若am＜0，bm＞0，数据点位于第二象限，θm＝180-θm；(c)若am＜0，bm＜0，数据点位于第三象限，θm＝180+θm；(d)若am＞0，bm＜0，数据点位于第四象限，θm＝360-θm；按照上述原则确定相位角后，将其按照下式进行计算θ′m＝θm(2)按照公式(3)计算幅值rm′=am2+bm2---(3)]]>以频率为横轴、公式(2)计算的相位角为纵轴绘制出来的相位角—频率关系曲线称为相位谱。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果
冲击振动法操作简单，利用列车通行间隔进行试验，不需要中断线路的正常运营，可以方便快捷地对大量桥墩进行测试。该方法利用幅值谱和相位谱双重因素可以排除外界噪声和体系中其它构件的影响，准确判断桥墩的自振频率。由于冲击振动法的有效性及快捷性，可以利用该方法对大量状态完好的桥墩进行自振频率测量，并利用回归分析得到桥墩自振频率的回归标准，然后通过将某一桥墩测量的自振频率与回归标准进行比较判定该桥墩的技术状态。
图1是墩身传感器布置图；图2是墩顶操作重锤方法图；图3是陆地上操作重锤方法图；图4是冲击振动响应信号截取及叠加示意图；图5是相位角确定原理图；图6是利用速度响应信号的傅立叶频谱确定自振频率的原理图；图7是利用加速度响应信号的傅立叶频谱确定自振频率的原理图；图8是某桥6P号墩顶部测点经过叠加处理后的速度响应时域图；图9是某桥6P号墩顶部测点响应信号的傅立叶频谱图；图10是桥6P号墩相邻梁跨中测点响应信号的傅立叶频谱图；图11是吉林市附近某桥4号墩顶部测点第1次冲击振动速度响应时域图；图12是吉林市附近某桥4号墩顶部测点第2次冲击振动速度响应时域图；图13是吉林市附近某桥4号墩顶部测点第3次冲击振动速度响应时域图；图14是吉林市附近某桥4号墩顶部测点第4次冲击振动速度响应时域图；图15是吉林市附近某桥4号墩顶部测点第5次冲击振动速度响应时域图；图16是吉林市附近某桥4号墩顶部测点第6次冲击振动速度响应时域图；图17是吉林市附近某桥4号墩顶部测点第7次冲击振动速度响应时域图；图18是吉林市附近某桥4号墩顶部测点第8次冲击振动速度响应时域图；图19是吉林市附近某桥4号墩顶部测点第9次冲击振动速度响应时域图；图20是吉林市附近某桥4号墩顶部测点第10次冲击振动速度响应时域图；图21是图13～22中所述桥墩响应信号经过叠加处理过的速度响应时域图；图22是图21中响应信号的傅立叶频谱图。
具体实施例方式
结合附图对本发明作进一步说明。
1.冲击振动法概述。
冲击振动法的基本原理是用重锤击打桥墩，通过测量桥墩的振动响应并对其进行分析求得其自振频率。用重锤击打桥墩顶部，测量桥梁的速度、加速度等响应。为了提高信号的信噪比，通常进行多次击打，通过记录波形的叠加消除噪音，获得准确响应波形。进行数据的处理分析读取响应波形，进行傅立叶解析，确定傅立叶频谱，然后结合幅值谱和相位谱确定桥梁的自振频率。
信号采集设备要求采用高灵敏度速度传感器或加速度传感器，与传感器配套的信号放大器要采用直通档，避免采用微分或者积分档。
2.冲击振动法的实施步骤2.1布置传感器、线路及信号采集设备。
测量时在桥墩上布置速度传感器或者加速度传感器当仅需要测量自振频率时，在墩顶和相邻的两跨梁跨中分别布置一个传感器；当需要同时测量振型和频率时，除了在相邻的两跨梁跨中分别布置一个传感器外，在桥墩上布置三个传感器墩顶一个，墩中间一个，墩底部一个。传感器的布置方向为垂直于线路方向。桥墩顶部的传感器可以直接固定在桥墩顶面混凝土上。安置沿墩身的传感器时，需要事先在安装传感器的位置粘贴木块，然后将传感器固定在木块上，如图1所示。实际应用中，一般用橡皮泥或石膏粉固定传感器的位置，一方面可以迅速凝固，另一方面也能保证传感器的可靠连接。布置好传感器后，用信号线将传感器及信号采集设备连接起来。
2.2布置重锤。
为了能有效激起桥墩的振动，并考虑到操作的方便，选用30kg的重锤。重锤由铸铁制成，直径20厘米。为了避免对墩身混凝土造成结构性损伤，在重锤表面外包硬质橡胶，橡胶的硬度和旧轮胎接近。为操作方便，重锤可以被拆分以便于试验之后搬运。
一般铁路桥梁都设有人行道及护栏，可以将重锤用绳子固定在护栏栏杆或者上人梯上，如图4所示。
2.3操作重锤及信号采集。
对陆地上的高桥墩或位于水中的桥墩实施冲击振动时，工作人员站在墩顶操作重锤，如图2所示。对陆地上的低桥墩实施冲击振动时，工作人员站在陆地上操作重锤，如图3所示。注意每次敲锤的力度要大概一致，并避免连击，即避免重锤敲击桥墩后再次碰撞桥墩，同时要尽量使敲击方向和桥梁线路方向垂直。
用随机采样的方式采集桥墩的冲击响应信号。启动信号采集系统，在2～5秒后，用重锤敲击桥墩，在观察到全部信号衰减完毕后，关闭信号采集系统，并对采集到的数据进行存盘。用同样的方法采集10次信号。为了避免频率混叠，对于中国一般常用跨度桥梁的桥墩，信号采样频率可设为500Hz。
2.4进行信号处理。
由于外界干扰是随机的，为消除响应信号中的噪声，减少响应信号幅值谱和相位谱的误差，采取多次信号叠加的方法。
2.4.1信号截取和叠加处理。
对采集到的桥墩的10次响应信号，从最大响应峰值点前的0.02秒处开始，截取2048个响应信号点，把截取的10个信号叠加，就得到了冲击响应的波形。信号截取和叠加方法如图4所示。
2.4.2傅立叶分析。
对叠加后的2048个时域响应数据进行快速傅立叶变换得到复数列am+bm(m＝1，2，…，2048)。按照公式(1)计算反正切角θ‾m=tan-1|bmam|---(1)]]>然后参照图5，根据下列原则确定各个数据点的相位角(a)若am＞0，bm＞0，数据点位于第一象限，θm＝θm；(b)若am＜0，bm＞0，数据点位于第二象限，θm＝180-θm；(c)若am＜0，bm＜0，数据点位于第三象限，θm＝180+θm；(d)若am＞0，bm＜0，数据点位于第四象限，θm＝360-θm；按照上述原则确定相位角后，将其按照下式进行计算θ′m＝θm(2)按照公式(3)计算幅值rm′=am2+bm2---(3)]]>以频率为横轴、公式(2)计算的相位角为纵轴绘制出来的相位角—频率关系曲线称为相位谱；以频率为横轴、公式(3)计算的幅值为纵轴绘制出来的幅值—频率关系曲线称为幅值谱。参见图6。
2.4.3确定桥墩自振频率。
桥墩的自振频率根据响应的幅值谱和相位谱确定对于速度传感器记录的速度响应信号，相位差为180度或360度的幅值谱峰值点对应的频率确定为桥墩的自振频率；对于加速度传感器记录的加速度响应信号，相位差为90度或270度的幅值谱峰值点对应的频率确定为桥墩的自振频率；例如，对速度响应信号进行傅立叶分析，得到图6所示的傅立叶频谱，利用冲击振动法的原理确定桥墩的自振频率为f1；对加速度响应信号进行频谱分析，得到图7所示的傅立叶频谱，利用冲击振动法的原理确定桥墩的自振频率也为f1。
2.4.4桥墩响应频谱中其它构件干扰的判别和消除。
冲击振动试验中，敲击桥墩的同时也激起相邻梁和桥墩等其它构件的振动，因此信号频谱可能会受到这些构件的干扰，需要加以判别和消除。方法主要有两种(1)根据响应的相位判别敲击桥墩顶部时，桥墩的基阶振型表现为其各测点的同向摇摆，所以各点相位相同。对于由桥墩和梁组成的结构体系中的其它构件，其相位角往往和桥墩不同。对相邻梁和桥墩的响应分别进行分析，可根据前述的相位角理论确定自振频率。若相邻梁或桥墩的自振频率比测量桥墩的自振频率低，也就是比测量桥墩柔度大时，可能会对测量桥墩的自振频率判定产生影响反映到测量桥墩的频谱中，在相邻梁或桥墩的自振频率处，幅值谱中可能会出现峰值点。但是由于该频率不是测量墩的自振频率，所以相位角往往不满足2.4.3中所述的判定条件，从而可据此对幅值谱中测量桥墩自振频率以外的峰值点进行鉴别，得到测量桥墩的自振频率。
(2)在相应构件上布置传感器判别为了有效地判别和消除相邻梁或桥墩等其它构件的干扰，可在在相应构件上布置传感器，以帮助确定这些构件的自振频率。
例如，在对某桥6P号桥墩的冲击振动试验中，在桥墩顶部和相邻梁跨中布置了传感器，记录了速度响应信号，并进行了频谱分析，见图8～10。
桥墩的自振频率用傅里叶幅值谱和相位谱进行确定。确定自振频率的条件是速度信号傅立叶频谱的卓越频率处相位角为180度或360度。
由图9可见，该桥墩傅立叶频谱的第一个卓越频率为3.4Hz，但3.4Hz处峰值点对应的相位差不是180度或者360度，所以可以判断这个频率不是桥墩的自振频率。通过对相邻梁响应信号进行分析，可确认3.4Hz为梁的自振频率，见图10。如果仅分析幅值谱，就有可能把3.4Hz误判为桥墩的自振频率。
图9中傅立叶频谱的第二个卓越频率为5.6Hz，相位角为180度，故本桥墩的自振频率确定为5.6Hz。
3.冲击振动法的工程应用实例。
为了检验冲击振动法的有效性，于2005年6月对吉林市附近的一座铁路桥的4号桥墩进行了试验。该桥为单线桥，基础为沉井基础，地基为砂砾层，上部结构为31.7米的简支混凝土T梁。
对桥墩进行了10次敲击，敲击信号如图11～20所示。按照2.4.1所述的方法对10个信号进行截取和叠加，得到了图21所示的速度冲击响应信号。对该信号进行傅立叶分析就得到了响应信号的幅值谱和相位谱，如图20所示。
试验使用的是速度传感器，从图22可以看出，在6.35Hz处，幅值谱中出现峰值点，相位谱中对应的相位角为180度。根据2.4.3中所述的确定自振频率的基本原理，可以明确断定该桥墩的自振频率为6.35Hz。
权利要求
1.测量桥梁下部结构自振频率的冲击振动法，该方法的实施步骤步骤1，布置传感器、线路及信号采集设备；步骤2，布置重锤；步骤3，操作重锤及信号采集；步骤4，进行信号处理；步骤5，确定桥墩的自振频率；其特征在于上述步骤1当仅需要测量桥墩的自振频率时，在墩顶和相邻的两跨梁跨中分别布置一个传感器；当需要测量桥墩的振型时，除了在相邻的两跨梁跨中分别布置一个传感器外，在桥墩上布置三个传感器墩顶一个，墩中间一个，墩底部一个；布置好传感器后，把信号放大器置直通档，用信号线将传感器及信号采集设备连接起来；上述步骤3操作人员在墩顶或陆地上操作重锤，启动信号采集系统，然后用重锤敲击桥墩，在观察到全部信号衰减完毕后，关闭信号采集系统，并对采集到的数据进行存盘，用同样的方法采集10次信号；上述步骤4对响应信号进行截取、叠加处理对采集到的桥墩的10次响应信号，从最大响应峰值点前的0.02秒处开始，截取2048个响应信号点，把截取的10个信号叠加，就得到了消除噪声后的冲击响应的波形；确定响应信号相位谱的具体方法对叠加后的2048个时域响应数据进行快速傅立叶变换得到复数列am+bm(m＝1，2，…，2048)。按照公式(1)计算反正切角θ‾m=tan-1|bmam|----(1)]]>根据下列原则确定各个数据点的相位角(a)若am＞0，bm＞0，数据点位于第一象限，θm＝θm；(b)若am＜0，bm＞0，数据点位于第二象限，θm＝180-θm；(c)若am＜0，bm＜0，数据点位于第三象限，θm＝180+θm；(d)若am＞0，bm＜0，数据点位于第四象限，θm＝360-θm；按照上述原则确定相位角后，将其按照下式进行计算θ′m＝θm(2)按照公式(3)计算幅值rm′=am2+bm2----(3)]]>以频率为横轴、公式(2)计算的相位角为纵轴绘制出来的相位角—频率关系曲线称为相位谱。
全文摘要
测量桥梁下部结构自振频率的冲击振动法，其基本原理是用重锤击打桥墩，通过测量桥墩的振动响应并对其进行分析求得其自振频率。用重锤击打桥墩顶部，测量桥梁的速度、加速度等响应。为了提高信号的信噪比，通常进行多次击打，通过对记录波形的叠加消除噪音，获得准确响应波形。读取响应波形，进行傅立叶解析，确定傅立叶频谱，结合幅值谱和相位谱确定桥梁的自振频率对于速度响应信号，相位差为180度或360度的幅值谱峰值点对应的频率确定为桥墩的自振频率；对于加速度响应信号，相位差为90度或270度的幅值谱峰值点对应的频率确定为桥墩的自振频率。该方法的优点是通过相位角条件排除外界干扰或桥梁体系中其它构件的频率，精确确定桥墩的自振频率。
文档编号G01M7/00GK1804563SQ20051008660
公开日2006年7月19日 申请日期2005年10月14日 优先权日2005年10月14日
发明者夏禾, 西村昭彦, 战家旺, 齐琳 申请人:北京交通大学