CN211291730U - 用于桥梁动力特性识别和损伤诊断的检测车装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于桥梁动力特性识别和损伤诊断的检测车装置，包括牵引车和与牵引车相连并由牵引车驱动移动的两个信号采集车，各信号采集车上均安装有用于采集待测桥梁传递到信号采集车上的振动信号的信号采集组件。本实用新型具有结构简单、成本低、运输方便、使用灵活便捷、适用范围广、检测快速准确等优点。

Description

用于桥梁动力特性识别和损伤诊断的检测车装置

技术领域

本实用新型涉及土木工程结构检测装备技术领域，具体涉及一种用于桥梁动力特性识别和损伤诊断的检测车装置。

背景技术

桥梁结构在国民经济的发展中起着非常重要的作用，其健康状况直接关系到国家和人民财产的安全。桥梁结构的使用周期长达几十年，甚至上百年。环境侵蚀、材料老化和荷载效应、人为或自然灾害等因素会不可避免地导致桥梁结构的损伤累计和抗力衰减，使得桥梁结构抵抗能力下降，进而引发灾难性的突发事故。随着我国公路桥梁数量的迅速增加和服役时间的持续增长，桥梁结构损伤会不断出现，桥梁的损伤状况会更加严重。为了防止桥梁突然失效，检测在役桥梁的工作状态和及时发现桥梁损伤变得日益重要。

早期桥梁结构损伤检测主要依靠肉眼观察和静态试验，为了提高检测效率并尽可能消除人为主观影响，基于结构振动的检测方法被提出并得到了广泛应用，这种方法的依据是桥梁结构的振动信息，比如模态参数包含了丰富的桥梁结构信息，通过对桥梁模态分析可以获知结构的损伤状况。桥梁模态参数的准确识别很大程度地决定了用振动信息识别桥梁损伤的正确性。为了获取桥梁结构的模态参数，传统方法是直接在桥上安装有限数量的传感器，通过激振器激振或环境激励采集桥梁自身的动力响应进行模态识别。虽然这些方法被广泛应用，但这些方法存在诸多缺点，例如传感器数量多且安装困难，需要专用的激励方式，布点有限因而测试数据不完备，测量的结构振型精度低等。

虽然结构健康监测技术逐渐成为桥梁检测评估的重要途径，但桥梁健康监测***往往比较复杂，造价比较高昂，主要是在大型或特大型桥梁上使用。我国90％以上的桥梁为中小跨径桥梁，难以在所有桥梁上安装监测***。所以寻求用单个或少量传感器进行桥梁损伤诊断和状态评估是今后重要方向。通过移动荷载下关键截面响应来反映结构整体受力性能并探测局部变化，或者通过测量车辆过桥响应以间接获取桥梁振动特性和损伤的方法比多布测点更经济可行，且便于实际应用。这种方法相当于在桥上安装了无数组的传感器，测量信息更加完备，而且不需要关闭交通，具有很好的应用性。

然而，目前基于移动车辆响应的模态识别和损伤诊断装置和方法仍然存在识别精度低、受路面和环境噪声影响大、现场实用技术少等亟待解决的难题。首先，桥面粗糙度是引起车辆和桥梁耦合振动的主要激励，也是影响车辆振动响应的主要因素，如何消除桥面粗糙度的影响以获得更加好的车辆振动响应是一个很大的难点。其次，桥梁是一个三维的空间结构，整个桥梁的任何结构位置均有可能存在损伤，需要对待测桥梁的振动信息进行全面有效的采集，以获取桥梁的三维空间模态和损伤信息。再者，由于车辆本身也是一个振动体系，其自身的振动也会影响最后的结果，因此需要对车体的质量、阻尼、刚度以及车辆本身的固有频率等进行特殊的设计。另外，为了获得高精度的检测结果，应保证信号收集处理装置所采集的信号为有价值的、真实的包含了桥梁响应的信号，由于桥梁表面情况复杂多样，检测时周围实际环境很难达到理想状态，各种干扰噪声都有可能严重影响到信号采集的结果，而且在不中断桥梁交通的情况下，其他交通车辆产生的噪声将对检测结果产生严重干扰，在不中断交通的情况下如何快速准确地对桥梁进行检测一直是急需解决的技术难题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种结构简单、成本低、运输方便、使用灵活便捷、适用范围广、检测快速准确的用于桥梁动力特性识别和损伤诊断的检测车装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种用于桥梁动力特性识别和损伤诊断的检测车装置，包括牵引车和与所述牵引车相连并由所述牵引车驱动移动的两个信号采集车，各信号采集车上均安装有用于采集待测桥梁传递到所述信号采集车上的振动信号的信号采集组件。

作为上述技术方案的进一步改进：

两个信号采集车分别为第一信号采集车和第二信号采集车，所述第一信号采集车通过第一柔性连接组件与所述牵引车连接，所述第二信号采集车通过第二柔性连接组件与所述第一信号采集车连接。

所述第一信号采集车和第二信号采集车依次布置在牵引车的后方，且所述第一信号采集车与牵引车之间的间距和所述第二信号采集车与第一信号采集车之间的间距之比为1：1。

所述第一柔性连接组件包括设于第一信号采集车上的第一插接部和设于牵引车上且上下间隔布置的两个第一连接部，所述第一插接部插设于两个第一连接部之间并通过销轴机构与两个第一连接部绕竖直轴线转动连接，所述第一插接部与至少一个第一连接部之间设有第一柔性隔振垫片。

所述第二柔性连接组件包括设于第二信号采集车上的第二插接部和设于第一信号采集车上且上下间隔布置的两个第二连接部，所述第二插接部插设于两个第二连接部之间并通过销轴机构与两个第二连接部绕竖直轴线转动连接，所述第二插接部与至少一个第二连接部之间设有第二柔性隔振垫片。

所述信号采集组件包括安装在信号采集车质心位置处用于检测水平位移加速度的加速度计和安装在车轮车轴上用于检测竖向位移加速度的加速度传感器。

所述信号采集车的质心位置处安装有信号处理装置。

所述信号采集车包括车架和分别安装在车架两侧的两个车轮，所述车轮为气轮。

两个信号采集车的车架上均安装有一块以上可拆卸的配重块。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型的用于桥梁动力特性识别和损伤诊断的检测车装置，由牵引车驱动两个信号采集车在桥梁上移动通过桥梁，利用信号采集组件实时检测采集桥梁传递到两个信号采集车上的振动信号，再对采集的振动信号进行处理可获得桥梁动力特性，进而可进行桥梁动力特性识别和损伤诊断，其能够全面、实时、快速、有效地采集桥梁响应信号，信号采集精度高，能够避免周围环境噪声干扰，信号采集数据结果能够反映真实的桥梁模态信号，利于快速准确识别桥梁的健康状况，且其结构简单、成本低、运输方便、使用灵活便捷、能够适应多种检测环境；同时，采用两个信号采集车分别采集振动信号，可通过数据处理得到两个信号采集车在时域内的响应差值，进而有效消除桥面不平整度的影响，识别更多高阶的桥梁频率和振型，提高检测精度。另外，在正常的交通情况下，传统方法测量的结果噪声非常大，因为车辆的振动对测试是一个干扰作用。但是，经过研究表明，车流的随机振动对本检测车装置是积极有利的，可以使这个检测车辆的振动响应更加明显，在有交通流的情况下精度还可以大大提高。所以，本检测车装置在实用中不需要关闭交通，很好的解决了复杂交通情况下难以实施检测和精度低的问题，具体很好的应用性。

附图说明

图1为检测车装置的主视结构示意图简图。

图2为第一信号采集车的立体结构示意图。

图3为第二信号采集车的立体结构示意图。

图例说明：

1、牵引车；2、信号采集组件；21、加速度计；22、加速度传感器；3、第一信号采集车；31、第一插接部；32、第一柔性隔振垫片；33、第二连接部；34、车架；341、连接臂杆；35、车轮；36、配重块；4、第二信号采集车；41、第二插接部；42、第二柔性隔振垫片；5、信号处理装置。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1至图3所示，本实施例的用于桥梁动力特性识别和损伤诊断的检测车装置，包括牵引车1和两个信号采集车，两个信号采集车与牵引车1相连并由牵引车1驱动移动，各信号采集车上均安装有信号采集组件2，信号采集组件2用于采集待测桥梁传递到信号采集车上的振动信号。其中，牵引车1用于激励桥梁的振动并牵引后面的两个信号采集车在桥上移动；信号采集车(选择特定的质量和刚度，可以尽量减小采集车自身的振动和对桥梁的激励作用)只用于获取响应，相当于移动传感器。该检测车装置由牵引车1驱动两个信号采集车在桥梁上移动通过桥梁，利用信号采集组件2实时检测采集桥梁传递到两个信号采集车上的振动信号，再对采集的振动信号进行处理即可获得桥梁动力特性，进而可进行桥梁动力特性识别和损伤诊断，其能够全面、实时、快速、有效地采集桥梁响应信号，信号采集精度高，能够避免周围环境噪声干扰，信号采集数据结果能够反映真实的桥梁模态信号，利于快速准确识别桥梁的健康状况，且其结构简单、成本低、运输方便、使用灵活便捷、能够适应多种检测环境；同时，采用两个信号采集车分别采集振动信号，可通过数据处理得到两个信号采集车在时域内的响应差值，进而有效消除桥面不平整度的影响，识别更多高阶的桥梁频率和振型，提高检测精度。

本实施例中，两个信号采集车分别为第一信号采集车3和第二信号采集车4，第一信号采集车3通过第一柔性连接组件与牵引车1连接，第二信号采集车4通过第二柔性连接组件与第一信号采集车3连接。第一柔性连接组件可有效减少或隔断牵引车1的振动信号向第一信号采集车3传递，第二柔性连接组件可有效减少或隔断第一信号采集车3的振动信号向第二信号采集车4传递，进而保持第一信号采集车3和第二信号采集车4响应的独立性，利于提高振动信号采集的精准性。

本实施例中，第一信号采集车3和第二信号采集车4依次布置在牵引车1的后方，且第一信号采集车3与牵引车1之间的间距和第二信号采集车4与第一信号采集车3之间的间距之比为1：1。

本实施例中，第一柔性连接组件包括设于第一信号采集车3上的第一插接部31和设于牵引车1上且上下间隔布置的两个第一连接部(图中未示)，第一插接部31插设于两个第一连接部之间并通过销轴机构与两个第一连接部转动连接，第一插接部31和第一连接部可绕竖直轴线相对转动，第一插接部31与至少一个第一连接部之间设有第一柔性隔振垫片32。本实施例具体仅在第一插接部31与上方的第一连接部之间设有第一柔性隔振垫片32，在其他实施例中也可仅在第一插接部31与下方的第一连接部之间设有第一柔性隔振垫片32，或者在第一插接部31与上方和下方的第一连接部之间均设有第一柔性隔振垫片32。

本实施例中，第二柔性连接组件包括设于第二信号采集车4上的第二插接部41和设于第一信号采集车3上且上下间隔布置的两个第二连接部33，第二插接部41插设于两个第二连接部33之间并通过销轴机构与两个第二连接部33转动连接，第二插接部41和第二连接部33绕竖直轴线相对转动，第二插接部41与至少一个第二连接部33之间设有第二柔性隔振垫片42。本实施例具体仅在第二插接部41与上方的第二连接部33之间设有第二柔性隔振垫片42，在其他实施例中也可仅在第二插接部41与下方的第二连接部33之间设有第二柔性隔振垫片42，或者在第二插接部41与上方和下方的第二连接部33之间均设有第二柔性隔振垫片42。

上述第一柔性连接组件和第二柔性连接组件减少或隔断振动信号的效果好，且结构简单、易于制作、便于装卸、连接稳定可靠。上述第一柔性隔振垫片32和第二柔性隔振垫片42优选采用柔性橡胶垫。

本实施例中，信号采集组件2包括用于检测水平位移加速度的加速度计21和用于检测竖向位移加速度的加速度传感器22，加速度计21安装在信号采集车质心位置处，利于保证采集信号的准确性及完整性，加速度传感器22固定安装在车轮35的车轴上，使信号采集的灵敏度更高、精确度最高，并能更好的将检测车装置视为单自由度体系。

本实施例中，信号采集车的质心位置处安装有信号处理装置5，用于收集信号采集车上信号采集组件2采集的信号，并传送至处理终端进行处理。上述信号处理装置5为现有技术，主要包括高精度数据采集卡和信号处理终端。由于信号处理装置5设置在信号采集车的质心位置处，信号采集车质心集中，运行稳定，能够进一步保证采集信号的准确性及完整性。

本实施例中，信号采集车包括车架34和分别安装在车架34两侧的两个车轮35，车轮35为气轮。车轮35采用气轮，具有良好的抗冲击性能及相应信号传递性能，并且通过控制气胎的胎压，还可以有效控制信号采集车竖向刚度的大小。优选的，车架34具有两根分自车架34左右两侧向前延伸的连接臂杆341，两根连接臂杆341的延伸端相交，上述第一插接部31设在第一信号采集车3的两根连接臂杆341相交处，第二插接部41设在第二信号采集车4的两根连接臂杆341相交处。

本实施例中，两个信号采集车的车架34上均安装有多块可拆卸的配重块36。配重块36可自由拆卸拼接，通过拆装更换配重块36数量或者拆装更换不同重量的配重块36，可以有效控制信号采集车本身的固有频率。

本实施例中，优选的，各信号采集车均为整体对称结构，使得移动小车的移动更加稳定，不易发生跳动或者颠簸，同时检测车装置可以近似视为单自由度体系，使得信号检测更加准确。进一步的，为减小自身振动，两个信号采集车都具有很小的质量和很大的刚度，两者的所有参数完全相同；各信号采集车的质心位置低，可使信号采集车能更好的传递桥梁响应。能够减小信号采集车自身振动的影响，使信号采集车的动力响应主要由桥梁振动引起，同时消除桥面不平整度在车桥耦合振动***中的影响，更加满足车辆动力响应的桥梁模态识别方法的精度要求。

本实施例的牵引车1优选采用拖车，拖车在桥梁上没有其他交通车辆的情况下可以用于激励桥梁的振动，拖车内还可以安装信号采集器、摄像机、GPS定位***和相关的处理软件，进行实时的定位和数据处理。

本实施例的检测车装置在进行信号检测采集时，为了后期能够方便准确地确定桥梁损伤位置及损伤程度等，牵引车1和信号采集车应尽量为匀速运动。为实现基于车辆动力响应的桥梁模态识别方法工作，需要设计基于桥梁动力特性识别和损伤诊断的处理终端，该处理终端配置有能够处理采集的检测信号得出桥梁动力特性的计算机程序。

具体检测时，使检测车装置从桥梁一端出发，匀速通过桥梁，信号采集组件2扫描式的检测和采集各信号采集车的加速度信号；然后对检测车采集的实测信号进行处理，得到牵引车1与信号采集车的位移响应，通过数据处理后得到的两信号采集车响应差值的频谱曲线，有效消除桥面不平整度的影响，同时通过短时傅里叶变换获得车辆的动力响应频谱，进而求取桥梁结构的模态振型；为了得到桥梁横向不同位置的振动特性，可以驾驶检测车在桥面横向不同位置/车道上进行移动，以获得桥梁空间上不同横向位置的模态振型，相比现有方法在不增加传感器数量的情况下可以得到更加全面的模态信息。利用获得的桥梁动力特性，再结合相关的方法可以达到对桥梁结构进行损伤诊断的目的。

本实用新型的检测车装置可以减小挂车自身振动的影响，消除在车桥耦合振动***中桥面不平整度的影响，不仅能够全面、实时、有效且精确的采集桥梁的振动信号，同时更加满足车辆动力响应的桥梁模态识别方法的精度要求。同时能有效消除桥面不平度和车辆自身振动等因素的影响，从移动车辆的动力响应中准确提取出桥梁的低阶频率和模态振型，而且在有交通车流的情况下准确性更高。

本实用新型的检测车装置能够在不中断桥梁正常交通的情况下进行信号采集，并且在有交通流的情况下信号采集更加准确，具有非常大的社会效益和经济效益。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于桥梁动力特性识别和损伤诊断的检测车装置，其特征在于：包括牵引车(1)和与所述牵引车(1)相连并由所述牵引车(1)驱动移动的两个信号采集车，各信号采集车上均安装有用于采集待测桥梁传递到所述信号采集车上的振动信号的信号采集组件(2)。

2.根据权利要求1所述的检测车装置，其特征在于：两个信号采集车分别为第一信号采集车(3)和第二信号采集车(4)，所述第一信号采集车(3)通过第一柔性连接组件与所述牵引车(1)连接，所述第二信号采集车(4)通过第二柔性连接组件与所述第一信号采集车(3)连接。

3.根据权利要求2所述的检测车装置，其特征在于：所述第一信号采集车(3)和第二信号采集车(4)依次布置在牵引车(1)的后方，且所述第一信号采集车(3)与牵引车(1)之间的间距和所述第二信号采集车(4)与第一信号采集车(3)之间的间距之比为1：1。

4.根据权利要求2所述的检测车装置，其特征在于：所述第一柔性连接组件包括设于第一信号采集车(3)上的第一插接部(31)和设于牵引车(1)上且上下间隔布置的两个第一连接部，所述第一插接部(31)插设于两个第一连接部之间并通过销轴机构与两个第一连接部绕竖直轴线转动连接，所述第一插接部(31)与至少一个第一连接部之间设有第一柔性隔振垫片(32)。

5.根据权利要求2所述的检测车装置，其特征在于：所述第二柔性连接组件包括设于第二信号采集车(4)上的第二插接部(41)和设于第一信号采集车(3)上且上下间隔布置的两个第二连接部(33)，所述第二插接部(41)插设于两个第二连接部(33)之间并通过销轴机构与两个第二连接部(33)绕竖直轴线转动连接，所述第二插接部(41)与至少一个第二连接部(33)之间设有第二柔性隔振垫片(42)。

6.根据权利要求1所述的检测车装置，其特征在于：所述信号采集组件(2)包括安装在信号采集车质心位置处用于检测水平位移加速度的加速度计(21)和安装在车轮(35)车轴上用于检测竖向位移加速度的加速度传感器(22)。

7.根据权利要求1所述的检测车装置，其特征在于：所述信号采集车的质心位置处安装有信号处理装置(5)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的检测车装置，其特征在于：所述信号采集车包括车架(34)和分别安装在车架(34)两侧的两个车轮(35)，所述车轮(35)为气轮。

9.根据权利要求8所述的检测车装置，其特征在于：两个信号采集车的车架(34)上均安装有一块以上可拆卸的配重块(36)。

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