一种消除路面粗糙度影响的桥梁模态振型驱车识别方法

本发明属于桥梁健康监测检测，具体涉及一种基于两辆圆盘模型测量车-桥模型来消除桥梁路面粗糙度影响的桥梁模态振型驱车识别技术。

背景技术：

1、为推动国家经济高效发展，在过去二十年我国建造了大量的基础设施体系。其中，公路、桥梁等交通设施成为各地区促进区域融合、推动经济发展的命脉工程。为了保证通运输体系的正常运行，交通基础设施的定期检查和维护就变得至关重要。粗糙度作为评价路面质量的三大技术指标(厚度、压实度、粗糙度)之一，对于行车安全、舒适性等均会产生影响，同时会直接影响道路使用寿命。国际道路粗糙度试验将路面粗糙度规定为：道路表面对于理想平面的偏差，其具有影响车辆动力性、行驶质量和路面动力荷载的数值特征。

2、对桥面粗糙度展开研究有助于优化基于车辆响应的桥梁检测方法，尤其是其中的车辆扫描法。车辆扫描法(vsm)是yang等于2004年提出的一种基于移动车辆响应的桥梁间接测量方法[1]。桥面粗糙度是桥梁表面相对于理想平面的竖向偏差，此偏差会对移动车辆与桥梁之间的相互作用产生重大影响。故而安装在车辆上的传感器所收集到的桥梁信息不仅包含桥梁振动响应信息，还包含桥面粗糙度信息，而后者的存在会严重干扰前者的识别甚至于完全覆盖前者，从而降低vsm的检测有效性。考虑车轮对路面粗糙度的过滤作用和实现粗糙度的准确识别，对提高桥梁模态识别效果具有重要潜在研究价值。

3、模态振型作为重要的特性参数，是评估桥梁健康状态的重要指标之一。

4、粗糙度使得行驶车辆产生竖向振动，桥面越粗糙，振动越强烈；随后，车辆振动响应对桥梁产生冲击，使得桥梁动力响应变大，并反作用于车辆。因此，车体响应中必定含有粗糙度信息，并与桥梁动态响应掺杂在一起，从而导致基于车辆响应的桥梁间接检测有效性降低。如何有效降低桥梁路面粗糙度影响，提高桥梁模态振型识别鲁棒性，对于桥梁健康检测有重要意义。

5、为了消除粗糙度对桥梁模态参数识别影响，学者提出了各种方法。如yang等提出利用两辆相连但互相独立的车辆测量桥梁频率[2]，通过分析两车频谱相减得到的残余频谱，以去除粗糙度的影响。kong等设计了一种由一辆牵引车和两辆拖车组成的测量系统[3]，通过分析两辆拖车相减得到的残余响应实现对桥梁模态的提取。上述各种方法都是通过分析残余量或调整车辆构造等间接措施，以达到削弱粗糙度影响的目的。然而，现有技术中没有能直接对桥面粗糙度进行识别并消除粗糙度影响的方法。

6、[1]y.b.yang,c.w.lin,j.d.yau.extracting bridge frequencies from thedynamic response of apassing vehicle[j].journal of sound and vibration,2004,272:471-493.

7、[2]y.b.yang,y.c.li,k.c.chang.effect of road surface roughness on theresponse of a moving vehicle for identification of bridge frequencies[j].interaction and multiscale mechanics,2012,5(4):347-368.

8、[3]x.kong,c.s.cai,b.kong.numerically extracting bridge modalproperties from dynamic responses of moving vehicles[j].journal ofengineering mechanics,2016,142(6):04016025

技术实现思路

1、针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种直接识别粗糙度消除桥梁路面粗糙度干扰的桥梁模态振型驱车识别方法及其应用。

2、本发明方法策略：

3、考虑车轮几何尺寸影响，本发明基于圆盘车轮模型建立两辆单轴测量车参与的车-桥力学模型，其中一辆为以一定速度匀速行驶的运动测量车，另一辆为静止的测量车。在两辆车体上分别安装用于采集竖向振动数据的传感器，依此计算出车体的竖向响应，基于结构动力学原理、车桥耦合作用，从车体响应中间接计算出车-桥竖向位移接触响应。基于结构力学原理和两辆测量车-桥接触点的竖向位移响应，本发明创造性地利用结构静力学位移影响线方法，构建出直接识别桥面粗糙度的理论模型公式，以直接识别桥面粗糙度并计算出桥面粗糙度值，来消除桥梁路面粗糙度影响；基于运动测量车-桥竖向加速度接触响应，利用接触响应减去粗糙度值得到只含桥梁响应的“纯净”竖向加速度接触响应。基于上述运动测量车的“纯净”竖向接触响应，对处理后的接触点响应进行小波变换提取小波系数并归一化处理，从桥梁响应中提取出桥梁模态振型幅值。

4、本发明方法过程：

5、基于圆盘车轮模型建立两辆测量车参与的车-桥交互模型，获得两组桥梁竖向振动响应数据。车辆扫描法使用的测量车的质量要远低于桥梁的质量，且车速较低，因此测量车对于桥梁的动力冲击将很小，故由测量车移动引起的桥梁竖向动力响应位移可近似等于车荷载引起的桥梁静态竖向位移，则可利用车与桥梁之间的竖向接触点位移影响线量值表示接触点p1、p2的竖向位移响应u1(x)和u2(a)：

6、

7、

8、再利用两者相除即可得到接触点p1、p2位置处的桥梁竖向位移响应的静态相关方程(公式(5))，将公式(5)代入公式(1)即可得到直接识别桥面粗糙度的表达公式(6)：

9、

10、

11、利用车-桥竖向接触点响应减去粗糙度从而消除桥梁路面粗糙度影响，得到只含桥梁响应的“纯净”竖向接触点响应

12、

13、利用只含桥梁响应的“纯净”竖向接触点响应从中即可提取出桥梁频率；再对“纯净”竖向接触点响应进行小波变换提取小波系数，并归一化处理，计算得到桥梁模态振型幅值，实现桥梁模态振型高效构建。

14、本发明原理：

15、车-桥接触点的竖向位移响应均由桥梁的竖向位移响应和相应位置处的桥面粗糙度值两部分组成；车辆扫描法使用的测量车的质量要远低于桥梁的质量，且车速较低，因此测量车对于桥梁的动力冲击将很小，故而测量车移动引起的桥梁竖向动力响应位移可近似为车辆荷载引起的桥梁竖向静态位移(即此情况下可使用结构静力学方法分析结构动力学问题)；基于此原理，可用静力学位移影响线方法计算竖向静态位移，建立两测量车-桥接触点位移响应静态相关方程，即可得到直接识别桥面粗糙度值的表达公式；利用两辆测量车-桥竖向加速度接触响应减去桥面粗糙度值，得到车-桥“纯净”竖向加速度接触响应，从而消除桥梁路面粗糙度影响，获得无桥梁路面粗糙度参数的理论解，实现桥梁模态振型的高效构建，从而更好地用于桥梁结构健康监测。

16、技术方案：

17、一种消除路面粗糙度影响的桥梁模态振型驱车识别方法，包括如下步骤：

18、一、数据采集阶段：

19、s1布置运动、静止两辆测量车-桥系统：将装有加速度传感器的两辆测量车分别布置在桥梁上。

20、s2建立相应运动微分方程。

21、二、识别桥面粗糙度值计算阶段：

22、s3利用位移影响线建立两车竖向响应位移。

23、s4建立桥面粗糙度直接识别方程。

24、三、消除粗糙度影响阶段：

25、s5利用桥面粗糙度表达公式(6)和运动测量车-桥竖向加速度接触响应推导出运动测量车-桥“纯净”竖向加速度接触响应。

26、四、构建桥梁模态振型阶段：

27、s6利用小波变换处理竖向“纯净”加速度接触响应后得到桥梁模态振型。

28、本发明方法有益效果：

29、本发明结合小波变换，基于圆盘车轮模型建立两辆测量车-桥模型，其中两辆测量车-桥接触点竖向动力响应位移可以近似用车辆荷载引起的桥梁竖向静态位移代替，基于此特性，利用结构静力学位移影响线方法，建立直接识别桥面粗糙度理论公式，从测量车-桥竖向接触响应中消除桥梁路面粗糙度值，从而消除桥梁路面粗糙度的影响，进而精准构建桥梁模态振型。