CN112461358A - 基于车辆-桥梁***瞬时频率的桥梁模态参数识别方法 - Google Patents

基于车辆-桥梁***瞬时频率的桥梁模态参数识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于车辆‑桥梁***瞬时频率的桥梁模态参数识别方法，是使两轴车辆以匀速在桥梁上行驶，并通过布置在桥梁上的少量传感器进行测试，获得两轴车辆‑桥梁耦合***的动力响应，再根据车辆‑桥梁耦合***的时变特性，通过同步提取变换进行时频分析，提取出与桥梁频率相关的瞬时频率，接着通过时频系数模极大值法确定时频脊线，选取时频脊线各阶梯段的中点作为有效数据点，然后通过瞬时频率与桥梁振型之间的物理关系，识别出桥梁振型，最后对车辆驶离桥梁后桥梁的动力响应进行傅里叶变换识别桥梁频率。本发明能将振型识别转化成瞬时频率识别，从而能够有效解决现有计算中处理非平稳信号精度和效率偏低等问题。

Description

基于车辆-桥梁***瞬时频率的桥梁模态参数识别方法
技术领域
本发明涉及于桥梁安全检测领域，具体地说是一种基于车辆-桥梁***瞬时频率的桥梁模态参数识别方法，识别结果可用于评估桥梁结构安全状态。
背景技术
随着经济的发展和时代变迁，越来越多的大型桥梁投入使用。与此同时人们也越来越来重视结构的安全性。模态分析在大型结构工程的安全诊断中起到了举足轻重的作用，模态参数可以用于监测和检测结构的健康状况，广泛应用于梁结构损伤识别和健康状态评估。桥梁的模态参数中至关重要时自然频率、模态振型，因而频率和振型识别成为了桥梁工程结构检测领域的重要任务之一
桥梁模态参数识别实际上是处理传感器采集到的各类动力响应的过程。传统直接测量方法是在桥梁结构上安装大量各种类型传感器，通过分析传感器采集的海量响应信号以获得其频率和振型，并利用模态参数变化规律来间接评估其健康状态。但是安装大量数目传感器耗资巨大且浪费人力；处理海量响应信号的工作量大且难度高。而且在实际应用中，在车辆桥梁质量相比并不小的情况下，车辆-桥梁***的响应信号是非平稳的，模态参数具有时变性。传统的方法忽略了车辆-桥梁***的时变特性，处理数据时精度偏低。模态参数识别精度直接影响其在桥梁安全诊断应用中的有效性。
发明内容
本发明是为避免上述传统桥梁模态识别方法所存在的缺陷，提供一种基于车辆-桥梁***瞬时频率的桥梁模态参数识别方法，以期能通过少量(单个或者两个)传感器布置测试车辆-桥梁***瞬时频率的方法，将振型识别转化成瞬时频率识别，从而能够有效的解决传统的模态参数识别方法需要在桥梁上布置大量的传感器、耗资大、数据处理难度高、处理非平稳信号精度和效率偏低等问题。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种基于车辆-桥梁***瞬时频率的桥梁模态参数识别方法的特点是包含以下步骤：
步骤1：确定两轴车辆参数，包括：总重mv、两个轴距d1和d2和行驶速度v；
步骤2：在车辆以行驶速度v在桥梁上行驶时，利用加速度传感器在桥梁测点上实时获取t时刻的两轴车辆-桥梁耦合***的动力响应s1(t)：
步骤3：通过时频处理方法对动力响应s1(t)进行时频分析，识别两轴车辆-桥梁耦合***的各阶瞬时频率；
步骤3.1：对所述动力响应s1(t)进行短时傅里叶变换，得到两轴车辆-桥梁耦合***的时频系数矩阵St(t,η)，η为车辆-桥梁***的频率；
步骤3.2：利用式(1)初步估算两轴车辆-桥梁耦合***的二维瞬时频率η0(t,η)：
Figure BDA0002792849830000021
式(1)中，i为复数单位；
步骤3.3：利用式(2)得到两轴车辆-桥梁耦合***的时频系数ω0(t,η)：
Figure BDA0002792849830000022
步骤4：对时频系数ω0(t,η)进行模极大值脊线提取处理，获得每一列的模极大值并作为时频脊线，选取时频脊线图的每一段阶梯的中点，作为有效数据点，其中，第k个有效数据点记为(tk,ωn(tk))，其中，tk为第k个有效数据点所对应的车辆行驶时间，n代表桥梁的第n阶瞬时频率，ωn(tk)为车辆行驶时间为tk时桥梁第n阶瞬时频率；
步骤5：识别桥梁频率：
步骤5.1：当车辆离开桥梁后，利用加速度传感器采集桥梁的加速度响应s2(t)；
步骤5.2：利用傅里叶变换对加速度响应s2(t)进行频谱分析，识别出桥梁的固有频率ωn；
步骤6：计算桥梁振型：
步骤6.1：利用式(3)计算时间为tk时车辆行驶到桥梁所对应的桥上位置与起始点的距离ak：
ak＝v×tk-d1 (3)
步骤6.2：利用式(4)计算车辆行驶距起始点的距离为ak时的桥梁振型φn(ak)：
Figure BDA0002792849830000023
以所述固有频率ωn和桥梁振型φn(ak)作为所识别的桥梁模态参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明通过使车辆匀速行驶过桥梁，仅需要布置少量(单个或者两个)数目的加速度传感器进行测试，通过采用先进的信号处理方法对采集到的加速度响应进行时频分析，通过得到的瞬时频率即可获得高精度的振型，从而有效解决了以往测试需要大量的传感器密集排列，安装设备昂贵耗时，需要多次重复操作，数据处理过程中工作量大的问题。
2、本发明很好的利用了车辆-桥梁***频率变化与该点处桥梁模态参数的物理关系，通化振型识别为瞬时频率识别，能显著提高识别的精度，整个过车辆过程采用先进的时频分析方法处理信号，操作简便且能识别出车辆-桥梁耦合***的时变特性，处理非平稳信号结果精度高。
3、本发明采用两轴车辆进行测试，在实际桥梁健康监测和检测中操作性更强。
附图说明
图1为本发明方法的识别过程示意图；
图2为本发明数值模拟等截面简支梁桥图；
图3为本发明车辆激励下等截面简支梁桥的典型动力响应图；
图4为本发明车辆激励下等截面简支梁桥的典型动力响应的时频分析图；
图5为本发明车辆激励下等截面简支梁桥的典型动力响应的时频脊线图
图6为本发明车辆驶离后等截面简支梁桥的典型动力响应的频谱图
图7为本发明等截面简支梁桥一阶振型识别结果图；
图8为本发明等截面简支梁桥二阶振型识别结果图；
图9为本发明数值模拟两跨等截面连续梁桥图；
图10为本发明两跨等截面连续梁桥一阶振型识别结果图；
图11为本发明两跨等截面连续梁桥二阶振型识别结果图。
具体实施方式
本实施例1中，如图2所示的等截面简支梁桥，桥梁跨长为30m，弹性模量27.5Gpa，每延米质量2000kg/m。采用有限元法模拟时，桥梁等距划分为30个平面欧拉梁单元。通过Newmark-β法计算桥梁的动力响应。采样频率为1000Hz。一种基于车辆-桥梁***瞬时频率的桥梁模态参数识别方法，如图1所示，包含以下步骤：
步骤1：确定两轴车辆参数，包括：总重mv＝1800kg、两个轴距d1＝0.2m和d2＝0.2m、行驶速度v＝0.5m/s；
步骤2：桥梁测点位置选择距车辆起始位置10m处，在车辆以行驶速度v在桥梁上行驶时，利用加速度传感器在桥梁测点上实时获取t时刻的两轴车辆-桥梁耦合***的动力响应s1(t)，两轴车辆-桥梁耦合***的动力响应s1(t)如图3所示；
步骤3：通过时频处理方法对动力响应s1(t)进行时频分析，识别两轴车辆-桥梁耦合***的各阶瞬时频率；
步骤3.1：对动力响应s1(t)进行短时傅里叶变换，得到两轴车辆-桥梁耦合***的时频系数矩阵St(t,η)，η为车辆-桥梁***的频率；
步骤3.2：利用式(1)初步估算两轴车辆-桥梁耦合***的二维瞬时频率η0(t,η)：
Figure BDA0002792849830000041
式(1)中，i为复数单位；
步骤3.3：利用式(2)得到两轴车辆-桥梁耦合***的时频系数ω0(t,η)，时频图如图4所示：
Figure BDA0002792849830000042
步骤4：对时频系数ω0(t,η)进行模极大值脊线提取处理，获得每一列的模极大值并作为时频脊线，选取时频脊线的每一段阶梯的中点，作为有效数据点，其中，第k个有效数据点记为(tk,ωn(tk))，其中，tk为第k个有效数据点所对应的车辆行驶时间，n代表桥梁的第n阶瞬时频率，ωn(tk)为车辆行驶时间为tk时桥梁第n阶瞬时频率，时频脊线如图5所示；
步骤5：识别桥梁频率：
步骤5.1：当车辆离开桥梁后，利用加速度传感器采集桥梁的加速度响应s2(t)；
步骤5.2：利用傅里叶变换对加速度响应s2(t)进行频谱分析，频谱如图6所示，识别出桥梁的固有频率ωn；
步骤6：计算桥梁振型：
步骤6.1：利用式(3)时间为tk时车辆行驶到桥梁所对应的桥上位置与起始点的距离ak，即可将ωn(tk)转换为ωn(ak)：
ak＝v×tk-d1 (3)
步骤6.2：利用车辆-桥梁耦合***瞬时频率与对应点处桥梁振型幅值的物理关系式(4)计算车辆行驶距起始点的距离为ak时的桥梁振型φn(ak)，第一阶和第二阶的识别结果与参照值对比分别如表1、图7和图8所示。
Figure BDA0002792849830000051
以固有频率ωn和桥梁振型φn(ak)作为所识别的桥梁模态参数。
表1
Figure BDA0002792849830000052
本实施例2中，如图9所示的两跨等截面连续梁桥，每跨长度为15m，弹性模量27.5Gpa，每延米质量2000kg/m。采用有限元法模拟时，桥梁等距划分为30个平面欧拉梁单元。通过Newmark-β法计算桥梁的加速度响应。采样频率为1000Hz，车辆的参数与实施例1相同。求解方法和识别过程与实施例1过程一致，第一阶和第二阶频率和振型的识别结果与参照值对比分别如表2、图10和图11所示。
表2
Figure BDA0002792849830000053
从表1和表2中可以看出本发明提出的一种基于车辆-桥梁***瞬时频率的桥梁模态参数识别方法能较精准地识别出不同类桥梁的模态参数，误差小，适用和实用性强。

Claims (1)

1.一种基于车辆-桥梁***瞬时频率的桥梁模态参数识别方法，其特征是包含以下步骤：
步骤1：确定两轴车辆参数，包括：总重mv、两个轴距d1和d2和行驶速度v；
步骤2：在车辆以行驶速度v在桥梁上行驶时，利用加速度传感器在桥梁测点上实时获取t时刻的两轴车辆-桥梁耦合***的动力响应s1(t)：
步骤3：通过时频处理方法对动力响应s1(t)进行时频分析，识别两轴车辆-桥梁耦合***的各阶瞬时频率；
步骤3.1：对所述动力响应s1(t)进行短时傅里叶变换，得到两轴车辆-桥梁耦合***的时频系数矩阵St(t,η)，η为车辆-桥梁***的频率；
步骤3.2：利用式(1)初步估算两轴车辆-桥梁耦合***的二维瞬时频率η0(t,η)：
Figure FDA0002792849820000011
式(1)中，i为复数单位；
步骤3.3：利用式(2)得到两轴车辆-桥梁耦合***的时频系数ω0(t,η)：
Figure FDA0002792849820000012
步骤4：对时频系数ω0(t,η)进行模极大值脊线提取处理，获得每一列的模极大值并作为时频脊线，选取时频脊线图的每一段阶梯的中点，作为有效数据点，其中，第k个有效数据点记为(tk,ωn(tk))，其中，tk为第k个有效数据点所对应的车辆行驶时间，n代表桥梁的第n阶瞬时频率，ωn(tk)为车辆行驶时间为tk时桥梁第n阶瞬时频率；
步骤5：识别桥梁频率：
步骤5.1：当车辆离开桥梁后，利用加速度传感器采集桥梁的加速度响应s2(t)；
步骤5.2：利用傅里叶变换对加速度响应s2(t)进行频谱分析，识别出桥梁的固有频率ωn；
步骤6：计算桥梁振型：
步骤6.1：利用式(3)计算时间为tk时车辆行驶到桥梁所对应的桥上位置与起始点的距离ak：
ak＝v×tk-d1 (3)
步骤6.2：利用式(4)计算车辆行驶距起始点的距离为ak时的桥梁振型φn(ak)：
Figure FDA0002792849820000021
以所述固有频率ωn和桥梁振型φn(ak)作为所识别的桥梁模态参数。
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