CN110543706A - 一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法，属于桥梁支座损伤诊断技术领域。本发明为了解决现有在役桥梁支座损伤诊断方法的无法准确进行结构损伤定位且测量精度不高的问题。本发明利用模型修正的方法建立准确的桥梁有限元模型，并提出一种车辆制动数值模拟方法，可更为准确地制定适用于待检测桥梁的刹车试验方案。利用代价函数选取合适的小波基函数分解层次，将桥墩墩顶采集的自由衰减信号进项小波包分解，构造损伤指标进行支座损伤位置及程度诊断。此种方法操作简单，经济实用，既有一定的鲁棒性以及抗噪性且不会对桥梁结构造成很大影响。

Description

一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法

技术领域

本发明涉及一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法，属于桥梁支座损伤 诊断技术领域。

背景技术

桥梁支座作为连接桥梁结构上部及下部结构的重要构件，主要承担传递荷载和适应结 构变位的作用，因此其工作性能对桥梁运营状态起到至关重要的作用。桥梁支座的具有多 种类型，而实际应用中橡胶支座最为普遍，由于材料性能、施工过程及后期运营等多种因 素影响，常会发生老化、脱空、偏压等病害，进而对结构服役状态造成不利影响，甚至引 发严重的桥梁事故。相对于桥梁梁体及下部结构损伤，支座损伤往往易被忽视。

由于支座预留位置较小，难以仅从其外观对其性能进行准确评估，目前检查桥梁支座 是否脱空的方法一般有两类：直接法和间接法。直接法包括压力传感器法和摄像技术，前 者需要在桥梁施工时就安装压力传感器，而后者需要在所有支座附近安装摄像头进行监 测。这两种方法不仅浪费时间，且花费也较大。间接法包括基于位移的桥梁脱空测试，基 于桥梁固有频率的支座损伤判断方法，以及桥梁的时域动力响应判断支座病害的方法。间 接法具有测试简单、方便实用的特点，但是受制于梁振动理论的局限性，仍存在许多问题， 比如基于时域动力响应的方法需去除噪声的干扰；基于固有频率的方法则无法准确进行结 构损伤定位且测量精度不高。当结构本身产生损伤，其自身参数就会产生一定变化，进而 引起结构的动力响应发生变化，基于动力特性的结构损伤诊断就是利用这一特性达到识别 损伤的目的。该方法现有研究的激励形式包括强迫振动以及环境振动，但强迫振动设备安 装复杂且对原结构影响较大，而环境振动具有较高的不确定性，且其实测数据较易受到噪 声干扰。目前基于动力特性的桥梁损伤诊断方法大多针对上部结构，故选取一种可激励起 下部结构动力响应的激励形式是十分必要的。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方 法。

本发明的技术方案：

一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法，包括以下步骤：

步骤1，制定车辆刹车荷载试验方案；

根据桥梁固有参数，利用模型修正的方法建立整体桥梁的有限元模型，并以结构模态 参数为修正对象进行模型修正，建立准确的全桥有限元模型，通过数值模拟车辆刹车过程， 制定车辆刹车荷载试验方案；

步骤2，进行完好桥梁结构动力测试试验；在新建桥梁的各桥墩墩顶处布置加速度传 感器作为动力响应测点，并根据步骤1制定的桥梁动力测试试验方案实施基于车辆制动力 的桥梁冲击振动试验，测量各测点的动力响应，并对其进行小波去噪处理，选取各桥墩墩 顶测点的动力响应加速度信号的自由衰减段作为完好桥梁待分析信号；

步骤3，进行损伤桥梁结构动力测试试验；桥梁实际运营一段时间T后，所述的T为0.5年至1年，根据步骤1制定的桥梁动力测试试验方案实施基于车辆制动力的桥梁冲击 振动试验，测量各测点的动力响应，并对其进行小波去噪处理，选取各桥墩墩顶测点的动 力响应加速度信号的自由衰减段作为损伤桥梁待分析信号；

步骤4，确定桥梁损伤位置与程度；将步骤2和步骤3分别得到的完好桥梁待分析信号和损伤桥梁待分析信号进行小波包分解处理后进行分析，最后将完好桥梁结构和损伤桥梁结构的各桥墩的分析结果进行对比，确定损伤位置与程度。

优选的：步骤1利用利用模型修正的方法建立整体桥梁有限元模型：以有限元模型的 质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵为修正参数，在新建桥梁的各桥墩顶处布置加速度传感器 作为动力响应测点，并进行桥梁动力载荷试验，将加速度传感器采集到的实测动力响应进 行频谱分析得到结构模态参数，并用结构模态参数建立目标函数，目标函数如下所示：

式中，M_B,C_B,K_B分别为桥梁有限元模型质量、阻尼和刚度矩阵；ρ_f,i、ρ_φ,i分别为第 i阶模态下频率及振型权重系数；其中并且f_c,i、f_m,i分别为第i阶频率数 值模拟计算及实测动力响应结果；并且φ_c,i、φ_m,i分别为第i阶振型数 值模拟计算及实测结果；

采用优化算法对有限元模型质量、阻尼和刚度矩阵进行修正，当目标函数满足收敛准 则时，即可认为数值模拟结构与实际结构相吻合，收敛条件如下：

式中：k为迭代计算次数，ε、η为设定的计算容许误差；

然后，通过数值模拟车辆刹车过程：车辆为装有ABS防抱死***的车辆，定义路面制动力与垂直载荷之比为制动系数

车辆刹车过程分为两个阶段：

阶段一为常规制动阶段：当滑移率在0～20％时，ABS不起作用，车轮未处于抱死滑移状态，随滑移率增加，制动力系数逐渐增大；

阶段二为ABS控制阶段：随着滑移率提升，***通过不断调整制动压力，将车轮滑移率控制在滑移率为20％的附近，即制动系数达到制动峰值系数防止车轮抱死；

假定车辆在桥梁刹车过程中制动系数从0线性增加到制动峰值系数然后保持恒 定不变的制动系数直至车辆在桥梁上停止或者驶出，该过程函数表示如下：

式中：为制动峰值系数，t_p为制动系数的上升时间；

假定车辆为三轴汽车时，车辆在桥梁上制动时，假设整个车辆是一个位于车辆重心具 有一定质量和惯性特性的质点，车辆刹车制动时，车辆受力平衡方程如下：

式中：F_zi为第i轴分配得地面反作用力；W为车辆总重；l₁、l₂、l₃分别为车辆前轴、中轴及后轴至车辆重心的距离；F_xt为地面制动力，其中

当车辆制动时，假设只存在纵桥向加速度，且车辆在行驶过程中，车体保持刚性，车 架线保持直线，则根据变形协调条件可得：

其中，Δ_i为第i轴悬架变形量；K_i为第i轴悬架双边整体垂向刚度；和分别为第i轴上悬架垂向弹簧刚度和下悬架垂向弹簧刚度；其中i代表车辆轴的位置，当i为1 时代表车辆前轴，当i为2时代表车辆中轴，当i为3时代表车辆后轴；

由公式(5)、(6)和(7)可得车辆各轴的制动力如下所示：

式中，F_μ1、F_μ2、F_μ3分别为车辆前轴、中轴及后轴分配得制动力；可知，车桥耦合运动方程为：

式中：M,C,K分别为质量、阻尼和刚度矩阵；Xv和q_B分别为车辆和桥梁位移响应 向量；F表示车桥***的荷载向量；符号下标“B”代表桥梁；符号下标“v”代表车辆； 符号下标“Bv”和“vB”表示车桥耦合项；符号上标“r”和“G”分别表示由于桥面不 平度和车辆自重产生的作用力。

在公式(9)的求解中采用Newmark-β法，并用MATLAB编制计算程序对车辆刹车 过程进行数值模拟，对车辆在桥梁上的变速行驶阶段进行仿真分析；

利用数值方法对不同的车重、初始车速、刹车制动位置以及加载车道进行模拟；

将模拟得到的不同变量下车辆制动效应作为激励源作用在桥面体系上，将桥墩墩顶加 速度传感器的自由衰减段信号的加速度最大响应幅值作为目标函数，对比分析不同变量下 桥墩墩顶顺桥向加速度幅值，选择能激励起加速度最大响应幅值的车辆制动参数工况，， 确定桥梁动力测试试验方案。

优选的：所述的桥墩墩顶加速度传感器的自由衰减段信号为车辆停止在桥梁上或驶出 桥梁后各桥墩墩顶传感器采集的振动信号。

优选的：所述的步骤4中小波包分解变换过程为：选择合适的小波基函数及分解层次， 以代价函数值、计算时间值作为指标进行分析，其中代价函数如下：

式中：Φ为小波基函数；j为信号分解的层次；E_i实测信号在第i阶频段分解得的小波包能量；

计算各小波基函数对应的代价函数值，确定小波基函数阶次，并选取不同的分解层次， 计算各分解层次对应的代价函数值并记录计算时间。

优选的：所述的步骤4中的损伤诊断指标为：

式中：n为测点编号；为初始结构响应的信号能量方差；为待检测结构响应的信号能量方差；其中为j次小波包分解下小波包能量谱均值；即其中为j次小波包分解下小波包能量谱均值；

将完好桥梁结构和损伤桥梁结构的各桥墩的分析结果进行对比，确定桥梁基础冲刷损 伤位置与程度。

优选的：所述的支座类型为板式橡胶支座，桥梁类型为梁式桥。

本发明具有以下有益效果：本发明涉及一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊 断方法，本发明在原有常规车辆荷载桥检试验的基础上，提出以车辆刹车引起的桥梁纵桥 向冲击作用作为激励源，可激发更为明显的桥梁下部结构顺桥向振动。利用模型修正的方 法建立准确的桥梁有限元模型，并提出一种车辆制动数值模拟方法，可更为准确地制定适 用于待检测桥梁的刹车试验方案。利用代价函数选取合适的小波基函数分解层次，将桥墩 墩顶采集的自由衰减信号进项小波包分解，构造损伤指标进行支座损伤位置及程度诊断。 此种方法操作简单，经济实用，既有一定的鲁棒性以及抗噪性且不会对桥梁结构造成很大 影响。此外，本发明具有测试工作量小、成本低、简单易行，且可实现多点检测，能够为 桥梁管理部门提供及时详尽的桥梁结构健康状态信息，保证桥梁结构的安全运营。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明具体实施方式所选取桥梁结构示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是图3中A-A处剖视图；

图5是车辆刹车试验的过程示意图；

图6是车辆刹车下A1-1#测点处纵桥向加速度响应；

图7是不同小波基函数的小波包分解代价函数计算结果对比图；

图8是不同分解层次的小波包分解代价函数计算结果对比图；

图9是单支座损伤下各测点损伤指标对比图；

图10是工况六的多支座损伤下各测点损伤指标对比图；

图11是工况七的多支座损伤下各测点损伤指标对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发 明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实 施例，都属于本发明的保护范围。

结合说明书附图1至图11说明本发明的具体实施方式，具体说明如下：

一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法，如图1所示，该方法包括以下 步骤：

步骤1，制定车辆刹车荷载试验方案；

根据桥梁固有参数，利用模型修正的方法建立整体桥梁的有限元模型，并以结构模态 参数为修正对象进行模型修正，建立准确的全桥有限元模型，通过数值模拟车辆刹车过程， 制定车辆刹车荷载试验方案；

首先，在桥梁建成时全面收集桥梁结构相关资料，以有限元模型的质量矩阵、阻尼矩 阵及刚度矩阵为修正参数，在新建桥梁的各桥墩顶处布置加速度传感器作为动力响应测 点，并进行桥梁动力载荷试验，桥梁动力载荷试验就是车辆在桥梁匀速行驶时通过引起桥 梁振动，利用在桥上布置加速度传感器，采集结构在桥梁行驶下产生的振动信号，将加速 度传感器采集到的实测动力响应进行频谱分析得到结构模态参数，并用结构模态参数建立 目标函数，目标函数如下所示：

式中，M_B,C_B,K_B分别为桥梁有限元模型质量、阻尼和刚度矩阵；ρ_f,i、ρ_φ,i分别为第i阶模态下频率及振型权重系数；其中并且f_c,i、f_m,i分别为第i阶频率数 值模拟计算及实测动力响应结果；并且φ_c,i、φ_m,i分别为第i阶振型数 值模拟计算及实测结果；

采用优化算法对有限元模型质量、阻尼和刚度矩阵进行修正，当目标函数满足收敛准 则时，即可认为数值模拟结构与实际结构相吻合，收敛条件如下：

式中：k为迭代计算次数，ε、η为设定的计算容许误差；

然后，通过数值模拟车辆刹车过程：车辆为装有ABS防抱死***的车辆，定义路面制动力与垂直载荷之比为制动系数 值不仅与路面和轮胎的材料及状态相关，还和它们之间的滑动率有关，

车辆刹车过程可分为两个阶段：

(1)常规制动阶段：当滑移率在0～20％时，ABS不起作用，车轮未处于抱死滑移状态， 随滑移率增加，制动力系数逐渐增大；

(2)ABS控制阶段：随着滑移率提升，***通过不断调整制动压力，将车轮滑移率控制在最佳滑移率20％(对应制动峰值系数)的附近，防止车轮抱死，使每个车轮尽可能 获得最大的地面制动力。

在对车辆制动过程数值模拟时可假定为一个斜坡函数，即在刹车过程中制动系数从0 线性增加至峰值然后保持恒定不变直至汽车在桥上停止或者驶出桥梁，可以表示为：

式中：为制动峰值系数，取决于轮胎和路面的种类及使用状况；t_p为制动系数的上 升时间(s)；

以典型三轴汽车为例，其在水平路面上制动时，可以假设整车是一个位于其重心具有 一定质量和惯性特性的集中质量，车辆整体同步减速，可列出车体受力平衡方程：

式中：F_zi为第i轴分配得地面反作用力；W为车辆总重；l₁、l₂、l₃分别为车辆前轴、中轴及后轴至车辆重心的距离；F_xt为地面制动力，其中

当三轴车辆制动时，由于假设只存在纵向加速度，且车辆在行驶过程中，车体保持刚 性，车架线保持直线，则根据变形协调条件可得：

式中：Δ_i为第i轴悬架变形量；K_i为第i轴悬架双边整体垂向刚度；为第i轴上、下悬架垂向弹簧刚度。

联立式(4)～(7)可得车辆各轮的制动力(各轴的制动力)如下所示：

式中，F_μ1、F_μ2、F_μ3分别为车辆前轴、中轴及后轴分配得制动力；

考虑车辆刹车作用影响，可列出车桥耦合运动方程为：

式中：M,C,K分别为质量、阻尼和刚度矩阵；Xv和q_B分别为车辆和桥梁位移响应 向量；F表示车桥***的荷载向量；符号下标“B”代表桥梁；符号下标“v”代表车辆； 符号下标“Bv”和“vB”表示车桥耦合项；符号上标“r”和“G”分别表示由于桥面不 平度和车辆自重产生的作用力。

基于上述方法和原理，在上式求解过程中采用具有较高计算精度的Newmark-β法，并 用MATLAB编制计算程序对这一过程进行数值模拟，对车辆在桥梁上的变速行驶阶段进行 仿真分析。

根据试验车辆及检测桥梁结构的实际特点，考虑包括试验车型、初始车速、刹车位置 以及加载车道多项关键性因素，对比分析不同变量下桥墩墩顶顺桥向加速度幅值，选择能 激励起最大动力响应的车辆制动参数工况，制定合理的车辆刹车试验方案。

步骤2，根据步骤1中制定的车辆刹车试验方案，实测获得车辆制动作用下初始状态桥 梁各测点纵向加速度动力响应，将其作为支座损伤诊断的初始状态数据；

步骤3，待桥梁实际运营T年后，T的取值为0.5或1，根据步骤1制定的车辆刹车荷载试 验方案，实测获得车辆制动作用下在役桥梁各测点纵桥向加速度动力响应，将其作为支座 损伤诊断的待诊断状态数据；

步骤4，为选择合适的小波基函数及分解层次，以代价函数值作为指标进行分析，其 中代价函数如下：

式中：Φ为小波基函数；j为信号分解的层次；E_i实测信号在第i阶频段分解得的小波 包能量。

计算各小波基函数对应的代价函数值，确定小波基函数阶次。重复上述流程，选取不 同的分解层次，计算各分解层次对应的代价函数值并记录计算时间。在确定最优小波基函 数阶次以及分解层次时，一般认为代价函数的计算值越小，则计算效率越高。

依据上述原理，选取合适的小波基函数及分解层次。分别对初始状态和待诊断状态下 采集的结构响应自由衰减段信号(即为当车辆停止在桥上或驶出桥梁时桥梁自身的振动信 号)进行小波包分解。定义损伤诊断指标为：

式中：n为测点编号；为初始状态桥梁结构响应的信号能量方差；为在役桥梁检测结构响应的信号能量方差；其中j为信号分解的频带，E_i实测信 号在第i阶频段分解得的小波包能量，为j次小波包分解下小波包能量谱均值；

最后将完好桥梁结构和损伤桥梁结构的各桥墩的分析结果进行对比，确定桥梁基础冲 刷损伤位置与程度，分析过程如下：

结合大量支座病害桥梁的实测数据分析初步确定DI的区间划分标准为：

当0≤DI≤5％时，表明测点n处支座的使用性能未产生影响；

当5％<DI≤15％时，表明测点n处支座可能已发生损伤，需进行检查；

当15％<DI≤25％时，表明测点n处支座已发生损伤，需进行检查并进行维修或更换；

当DI>25％时，表明测点n处支座已发生严重损伤，需及时进行更换，保证桥梁运营安 全。

将计算出的DI值与上述区间标准进行比对，根据DI值所在的区间确定桥梁支座的安全等级，从而对桥梁的安全性作出评价。

下面结合实际情况进行损伤定位和损伤程度评估分析；

以某一4×40m预应力混凝土简支转连续梁桥为分析对象，其立面布置如图2所示，加速度传感器测点布置如图3所示，桥梁横断面图如图4所示，桥梁支座采用板式橡胶支 座(B3#支座)和聚四氟乙烯滑板橡胶支座(B1#支座、B2#支座、B4#支座、B5#支座) 两种形式。

选择典型三轴车为试验车辆，根据车辆及桥梁结构特点，数值模拟时制动峰值系数取为0.7，制动力上升时间为0.3s。对比多项关键性因素下桥墩墩顶顺桥向加速度幅值，制 定此桥车辆刹车试验方案为：汽车以初速度50km/h由车道2驶入桥梁，汽车刹车后前轮停止 在D3#墩处，试验加载示意图如图5所示。

由于橡胶是一种非线性材料，支座的刚度与压力之间是非线性关系，支座承受压力 越大，刚度越大；压力越小，刚度越小。对于常见支座受力不均(即支座脱空)病害，一 般可利用支座竖向刚度下降来模拟，并用支座弹簧刚度下降率来表征损伤程度。因此定义 如下工况对支座损伤进行模拟：

工况一：B1-1#支座竖向刚度下降10％；

工况二：B2-1#支座竖向刚度下降10％；

工况三：B3-1#支座竖向刚度下降10％；

工况四：B1-1#支座竖向刚度下降30％；

工况五：B1-1#支座竖向刚度下降50％；

工况六：B1-1#、B2-1#支座竖向刚度均下降10％；

工况七：B1-1#、B2-1#、B3-1#支座竖向刚度均下降10％；

工况八：桥梁处于健康状态。

根据上述设计的试验方案，首先对处于初始状态的桥梁(工况八)进行数值模拟，模 拟车辆制动下车桥耦合振动，可得各桥墩顶测点处动力响应信号，其中A1-1#测点纵桥向加 速度信号如图6所示；再对上述各损伤工况(工况一～工况七)进行模拟，提取各测点纵桥 向加速度响应。对比不同小波基及分解层次下的小波包代价函数计算结果，如图7所示，最 终选取db10小波基函数，分解层次为5。将自由衰减段信号进行小波包分解并计算损伤指标 进行对比分析，如图8及图9所示。继续分析，对于损伤支座临近的测点，损伤指标值相对 于其他测点仍显著突出，且当损伤程度增加时，损伤指标值也随之增大，对于单损伤及多 损伤工况损伤指标诊断结果与损伤位置及程度均相吻合。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员 还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：

步骤1，制定车辆刹车荷载试验方案；

根据桥梁固有参数，利用模型修正的方法建立整体桥梁的有限元模型，并以结构模态参数为修正对象进行模型修正，建立准确的全桥有限元模型，通过数值模拟车辆刹车过程，制定车辆刹车荷载试验方案；

首先，利用模型修正的方法建立整体桥梁有限元模型：以有限元模型的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵为修正参数，在新建桥梁的各桥墩顶处布置加速度传感器作为动力响应测点，并进行桥梁动力载荷试验，将加速度传感器采集到的实测动力响应进行频谱分析得到结构模态参数，并用结构模态参数建立目标函数，目标函数如下所示：

式中，M_B,C_B,K_B分别为桥梁有限元模型质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；ρ_f,i、ρ_φ,i分别为第i阶模态下频率及振型权重系数；其中并且f_c,i、f_m,i分别为第i阶频率数值模拟计算及桥梁动力载荷试验实测动力响应结果；并且φ_c,i、φ_m,i分别为第i阶振型数值模拟计算及桥梁动力载荷试验实测结果；

采用优化算法对有限元模型质量、阻尼和刚度矩阵进行修正，当目标函数满足收敛准则时，即可认为数值模拟结构与实际结构相吻合，收敛条件如下：

式中：k为迭代计算次数，ε、η为设定的计算容许误差；

然后，通过数值模拟车辆刹车过程：车辆为装有ABS防抱死***的车辆，定义路面制动力与垂直载荷之比为制动系数

车辆刹车过程分为两个阶段：

阶段一为常规制动阶段：当滑移率在0～20％时，ABS不起作用，车轮未处于抱死滑移状态，随滑移率增加，制动力系数逐渐增大；

阶段二为ABS控制阶段：随着滑移率提升，***通过不断调整制动压力，将车轮滑移率控制在滑移率为20％的附近，即制动系数达到制动峰值系数防止车轮抱死；

假定车辆在桥梁刹车过程中制动系数从0线性增加到制动峰值系数然后保持恒定不变的制动系数直至车辆在桥梁上停止或者驶出，该过程函数表示如下：

式中：为制动峰值系数，t_p为制动系数从0线性增加到制动峰值系数的时间；

最后，利用Newmark-β法，并用MATLAB编制计算程序对车辆刹车过程进行数值模拟，对车辆在桥梁上的变速行驶阶段进行仿真分析，并制定车辆刹车荷载试验方案；

步骤2，对完好桥梁进行车辆刹车荷载试验；

根据步骤1制定的车辆刹车荷载试验方案，实测获得车辆制动作用下完好桥梁各测点纵向加速度动力响应，将其作为支座损伤诊断的初始状态数据；

步骤3，对在役桥梁进行车辆刹车荷载试验；

待桥梁实际运营T年后，T的取值为0.5或1，根据步骤1制定的车辆刹车荷载试验方案，实测获得车辆制动作用下在役桥梁各测点纵向加速度动力响应，将其作为支座损伤诊断的待诊断状态数据；

步骤4，分别对步骤2得到的初始状态数据和步骤3得到的待诊断状态数据进行进行小波包分解变换，计算损伤指标DI并对损伤位置及程度进行诊断。

2.根据权利要求1所述的一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法，其特征在于：所述的步骤1中制定车辆刹车荷载试验方案的具体过程如下：

当车辆为三轴汽车时，车辆在桥梁上制动时，假设整个车辆是一个位于车辆重心具有一定质量和惯性特性的质点，车辆刹车制动时，车辆受力平衡方程如下：

式中：F_z1、F_z2和F_z3分别为车辆前轴、中轴和后轴分配的地面反作用力；W为车辆总重；l₁、l₂、l₃分别为车辆前轴、中轴及后轴至车辆重心的距离；F_xt为地面制动力，其中

当车辆制动时，假设只存在纵桥向加速度，且车辆在行驶过程中，车体保持刚性，车架线保持直线，则根据变形协调条件可得：

其中，Δ_i为第i轴悬架变形量；K_i为第i轴悬架双边整体垂向刚度；和分别为第i轴上悬架垂向弹簧刚度和下悬架垂向弹簧刚度；其中i代表车辆轴的位置，当i为1时代表车辆前轴，当i为2时代表车辆中轴，当i为3时代表车辆后轴；

由公式(5)、(6)和(7)可得车辆各轴的制动力如下所示：

式中，F_μ1、F_μ2、F_μ3分别为车辆前轴、中轴及后轴分配得制动力；

可知，车桥耦合运动方程为：

式中：M,C,K分别为质量、阻尼和刚度矩阵；Xv和q_B分别为车辆和桥梁位移响应向量；F表示车桥***的荷载向量；符号下标“B”代表桥梁；符号下标“v”代表车辆；符号下标“Bv”和“vB”表示车桥耦合项；符号上标“r”和“G”分别表示由于桥面不平度和车辆自重产生的作用力；

在公式(9)的求解中采用Newmark-β法，并用MATLAB编制计算程序对车辆刹车过程进行数值模拟，对车辆在桥梁上的变速行驶阶段进行仿真分析；

利用数值方法对不同的车重、初始车速、刹车制动位置以及加载车道进行模拟；

将模拟得到的不同变量下车辆制动效应作为激励源作用在桥面体系上，将桥墩墩顶加速度传感器的自由衰减段信号的加速度最大响应幅值作为目标函数，对比分析不同变量下桥墩墩顶顺桥向加速度幅值，选择能激励起加速度最大响应幅值的车辆制动参数工况，确定桥梁动力测试试验方案。

3.根据权利要求2所述的一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法，其特征在于：所述的桥墩墩顶加速度传感器的自由衰减段信号为车辆停止在桥梁上或驶出桥梁后各桥墩墩顶传感器采集的振动信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法，其特征在于：所述的步骤4分别对步骤2得到的初始状态数据和步骤3得到的待诊断状态数据的自由衰减段信号进行小波包分解变换。

5.根据权利要求4所述的一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法，其特征在于：所述的步骤4中小波包分解变换过程为：选择合适的小波基函数及分解层次，以代价函数值、计算时间值作为指标进行分析，其中代价函数如下：

式中：Φ为小波基函数；j为信号分解的层次；E_i实测信号在第i阶频段分解得的小波包能量；

计算各小波基函数对应的代价函数值，确定小波基函数阶次，并选取不同的分解层次，计算各分解层次对应的代价函数值并记录计算时间。

6.根据权利要求1所述的一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法，其特征在于：所述的步骤4中的损伤诊断指标为：

式中：n为测点编号；为初始状态桥梁结构响应的信号能量方差；为在役桥梁检测结构响应的信号能量方差；其中σ²的计算公式为式中为j次小波包分解下小波包能量谱均值；其中为j次小波包分解下小波包能量谱均值；

将完好桥梁结构和损伤桥梁结构的各桥墩的分析结果进行对比，确定桥梁基础冲刷损伤位置与程度。

7.根据权利要求1所述的一种基于车辆刹车作用的在役桥梁支座损伤诊断方法，其特征在于：所述的支座类型为板式橡胶支座，桥梁类型为梁式桥。