基于车辆响应的桥梁空间模态振型获取方法及系统

本发明涉及桥梁检测技术领域，特别是涉及一种基于车辆响应的桥梁空间模态振型获取方法及系统。本发明还涉及一种计算机可读存储介质。

背景技术：

桥梁建设的规模和能力是一个国家综合实力与科技进步乃至现代文明的标志。桥梁作为公路的重要组成部分，直接关系着行车的安全畅通，以及公众的人身安全。然而，近年来各国相继发生在役桥梁和在建桥梁的垮塌事故，引起了各国政府及世界桥梁工程界的高度关注。桥梁工程结构安全性与可靠性及其所涉及的技术、管理投资的立法问题，都已成为当前世界桥梁界关注的焦点，既是发展中国家面临的技术课题，也是发达国家正在探讨和亟待解决的问题。

截止至2018年底，中国公路桥梁总数超过80万座，桥梁结构的正常使用关系到社会经济的正常运行。对桥梁进行损伤诊断和长期监测是了解桥梁健康状况的重要手段。在过去的二十年中，作为人工检测的替代方法，利用现场的无损传感器技术，通过对包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到监测结构损伤或退化的目的，称为结构健康监测(structuralhealthmonitoring，shm)。

在桥梁健康监测系统中，由于结构的内部损伤必然导致结构动力特性的变化。通过周期性的结构模态测试，实时比较所识别的模态参数，判断其准确的损伤位置及变化情况进而实现结构的健康监测和损伤诊断，判定结构的寿命和安全程度，因此，结构模态参数的准确识别非常重要。

目前，基于振动的结构损伤识别方法都只针对桥梁单个车道线路进行模态参数识别，无法对桥梁结构整体进行全面的分析。而桥梁结构的破坏或倒塌，往往由局部发展至整体，单个车道的模态振型无法反映整个桥梁结构整体的动力特性，因此准确地识别出桥梁的空间模态振型对获得桥梁整体结构的健康状态具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于车辆响应的桥梁空间模态振型获取方法及系统，能够获得桥梁的空间模态振型，对获得桥梁整体结构的健康状态具有重要意义。本发明还提供一种计算机可读存储介质。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于车辆响应的桥梁空间模态振型获取方法，包括：

将检测车辆行驶通过桥梁，获得对应所述检测车辆在所述桥梁上行驶轨迹线测得的所述检测车辆的振动信号；

根据获得的所述振动信号，获得所述桥梁的对应该行驶轨迹线的振型曲线，对应行驶轨迹线的振型曲线为行驶轨迹线上各位置处桥梁按其固有频率振动时的振幅特征形成的曲线；

根据所述桥梁上多个行驶轨迹线对应的振型曲线，获得所述桥梁的空间模态振型，桥梁的空间模态振型为桥梁上各位置处桥梁按其固有频率振动时的振幅特征形成的曲面。

优选的，根据获得的所述振动信号，获得所述桥梁的对应该行驶轨迹线的振型曲线包括：

将对应该行驶轨迹线测得的所述振动信号进行频域分析，获得该行驶轨迹线上各位置的频谱；

分别从该行驶轨迹线上各位置的频谱中提取桥梁频率，相应从所述振动信号中获得该行驶轨迹线上各位置处桥梁频率的振幅特征，获得对应该行驶轨迹线的振型曲线。

优选的，所述检测车辆包括第一信号车和第二信号车，信号车用于获取所述检测车辆通过桥梁时所述检测车辆的竖向加速度。

优选的，根据以下公式获得行驶轨迹线上位置x0的频谱，以根据该行驶轨迹线上各个位置的频谱以及所述振动信号得到所述振型曲线：

其中，s(x0,ω)表示桥梁上行驶轨迹线上位置x0的频谱，表示第一信号车测得的竖向加速度和第二信号车测得的竖向加速度的差量，w(t-t0)表示窗函数，x0＝vt0表示检测车辆在桥梁上行驶轨迹线上的位置，v表示检测车辆通过桥梁的行驶速度，t0表示检测车辆的行驶时间。

优选的，对应行驶轨迹线的振型曲线为行驶轨迹线上各位置处桥梁按其固有频率振动时的振动最大幅值形成的曲线。

优选的，根据所述桥梁上多个行驶轨迹线对应的振型曲线获得所述桥梁的空间模态振型之前，还包括：将所述桥梁上各个行驶轨迹线对应的振型曲线进行归一化处理。

优选的，根据以下公式计算对所述桥梁上行驶轨迹线对应的振型曲线进行归一化处理的归一化因子：

其中，设定桥梁的质量矩阵为m，刚度矩阵为k，f1表示桥梁的质量矩阵为m时的模态频率，表示桥梁的质量矩阵为m时模态频率f1对应的振型曲线，满足f2表示桥梁的质量矩阵产生改变量δm时的模态频率，表示桥梁的质量矩阵产生改变量δm时模态频率f2对应的振型曲线，满足

一种基于车辆响应的桥梁空间模态振型获取系统，用于执行以上所述的基于车辆响应的桥梁空间模态振型获取方法。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于车辆响应的桥梁空间模态振型获取方法的步骤。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种基于车辆响应的桥梁空间模态振型获取方法及系统，首先将检测车辆行驶通过桥梁，获得对应检测车辆在桥梁上行驶轨迹线测得的检测车辆的振动信号，然后根据获得的振动信号，获得桥梁的对应该行驶轨迹线的振型曲线，对应行驶轨迹线的振型曲线为行驶轨迹线上各位置处桥梁按其固有频率振动时的振幅特征形成的曲线，进一步，根据桥梁上多个行驶轨迹线对应的振型曲线，获得桥梁的空间模态振型，即桥梁上各位置处桥梁按其固有频率振动时的振幅特征形成的曲面。因此，本发明能够获得桥梁的空间模态振型，对获得桥梁整体结构的健康状态具有重要意义。

本发明提供的一种计算机可读存储介质，能够达到上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于车辆响应的桥梁空间模态振型获取方法的流程图；

图2为本发明实施例中根据获得的振动信号获得桥梁的对应该行驶轨迹线的振型曲线的方法流程图；

图3为本发明实施例中检测车辆在桥梁上的行驶轨迹线示意图；

图4为一具体实例中检测车辆测得的竖向加速度信号；

图5为一具体实例中桥梁上检测车辆位置、对应的振动频谱以及振型曲线的示意图；

图6为一具体实例中拟合得到的桥梁的空间模态振型示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种基于车辆响应的桥梁空间模态振型获取方法的流程图，由图可知，所述桥梁空间模态振型获取方法包括以下步骤：

s10：将检测车辆行驶通过桥梁，获得对应所述检测车辆在所述桥梁上行驶轨迹线测得的所述检测车辆的振动信号。

检测车辆行驶通过桥梁，测量检测车辆的振动信号而实现检测桥梁。将检测车辆沿一路线行驶而通过桥梁，得到对应这一行驶轨迹线测得的检测车辆的振动信号。

s11：根据获得的所述振动信号，获得所述桥梁的对应该行驶轨迹线的振型曲线。

对应行驶轨迹线的振型曲线为行驶轨迹线上各位置处桥梁按其固有频率振动时的振幅特征形成的曲线。具体的，根据对应该行驶轨迹线获得的振动信号，获得桥梁的对应该行驶轨迹线的振型曲线可通过以下过程获得，请参考图2，图2为本实施例中根据获得的振动信号获得桥梁的对应该行驶轨迹线的振型曲线的方法流程图，包括以下步骤：

s110：将对应该行驶轨迹线测得的所述振动信号进行频域分析，获得该行驶轨迹线上各位置的频谱。

可选的，可以使用短时傅里叶变换(short-timefouriertransform,stft)方法对检测车辆测得的振动信号进行处理，获得包含桥梁频率的频谱，获得该行驶轨迹线上各位置对应的频谱。桥梁频率为桥梁振动的频率。

可选的在一种实施方式中，检测车辆包括第一信号车和第二信号车，信号车用于获取所述检测车辆通过桥梁时所述检测车辆的竖向加速度。相应的，可根据以下公式获得行驶轨迹线上位置x0的频谱，从而根据该行驶轨迹线上各个位置的频谱以及所述振动信号得到振型曲线：

其中，s(x0,ω)表示桥梁上行驶轨迹线上位置x0的频谱，表示第一信号车测得的竖向加速度和第二信号车测得的竖向加速度的差量，w(t-t0)表示窗函数，x0＝vt0表示检测车辆在桥梁上行驶轨迹线上的位置，v表示检测车辆通过桥梁的行驶速度，t0表示检测车辆的行驶时间。

s111：分别从该行驶轨迹线上各位置的频谱中提取桥梁频率，相应从所述振动信号中获得该行驶轨迹线上各位置处桥梁频率的振幅特征，获得对应该行驶轨迹线的振型曲线。

从检测车辆行驶轨迹线上各位置的频谱中提取桥梁频率，相应从对应该行驶轨迹线测得的振动信号中获得该行驶轨迹线各个位置处桥梁按其固有频率振动时的振幅特征，从而获得对应该行驶轨迹线的振型曲线可选的，振型曲线包括的桥梁频率的振幅特征可以是桥梁按其固有频率振动时的振动最大幅值，即对应行驶轨迹线的振型曲线为行驶轨迹线上各位置处桥梁按其固有频率振动时的振动最大幅值形成的曲线。

对应上述根据公式(1)获得沿线各位置的频谱的方法，频谱幅值|s(x0,ω)|是模态振型平方的函数，根据两者间的这一函数关系可以根据频谱从振动信号中获得振幅信息，获得桥梁对应该轨迹线的模态振型曲线

将检测车辆沿桥梁上不同的路线行驶通过桥梁，对应各个不同的行驶轨迹线测量得到检测车辆的振动信号。优选的，检测车辆在桥梁上的行驶轨迹线可以是与桥梁长度方向平行的路线，示例性的请参考图3，图3为本实施例中检测车辆在桥梁上的行驶轨迹线示意图，图中虚线表示检测车辆在桥梁上的行驶轨迹线。可以将检测车辆沿多个平行的路线行驶分别进行测量，对于每一行驶轨迹线根据在本行驶轨迹线测得的振动信号获得本行驶轨迹线的振型曲线，分别获得桥梁上各个行驶轨迹线对应的振型曲线。

s12：根据所述桥梁上多个行驶轨迹线对应的振型曲线，获得所述桥梁的空间模态振型。桥梁的空间模态振型为桥梁上各位置处桥梁按其固有频率振动时的振幅特征形成的曲面。

可选的，可以根据桥梁上多个行驶轨迹线对应的振型曲线进行曲面拟合，获得桥梁的空间模态振型。具体可以使用有限元分析方法将桥梁上各个行驶轨迹线对应的振型曲线进行曲面拟合，从而获得桥梁的空间模态振型，即桥梁按其固有频率振动时的振幅特征随桥梁上位置的空间分布。

在实际应用中，检测车辆在桥梁上行驶通过进行检测的轨迹线越密集，拟合得到的桥梁的空间模态振型越精确。

进一步优选的，本实施例方法中根据桥梁上多个行驶轨迹线对应的振型曲线获得桥梁的空间模态振型之前，还包括：将所述桥梁上各个行驶轨迹线对应的振型曲线进行归一化处理。在实际应用中，对应桥梁上各个轨迹线获得的桥梁的振型曲线可能不在统一的尺度上，通过对各个轨迹线对应的振型曲线归一化处理，将各振型曲线转换到统一尺度上，以能够获得准确的桥梁空间模态振型。

可选的，可以基于桥梁的结构质量对各振型曲线进行归一化，采用附加质量法。具体的，可根据以下公式计算对桥梁上行驶轨迹线对应的振型曲线进行归一化处理的归一化因子：

其中，设定桥梁的质量矩阵为m，刚度矩阵为k，f1表示桥梁的质量矩阵为m时的模态频率，表示桥梁的质量矩阵为m时模态频率f1对应的振型曲线，满足f2表示桥梁的质量矩阵产生改变量δm时的模态频率，表示桥梁的质量矩阵产生改变量δm时模态频率f2对应的振型曲线，满足其中假设

计算获得归一化因子t后，以归一化因子t对原振型曲线处理即完成归一化处理。

本实施例方法能够获得桥梁的空间模态振型，即桥梁上各位置处桥梁按其固有频率振动时的振幅特征形成的曲面，对获得桥梁整体结构的健康状态具有重要意义。

在一具体实例中，选取一座双向四车道简支t梁，对其进行空间模态识别。首先使用检测车辆在该桥梁上沿不同车道线行驶进行测试。请参考图4，为本具体实例中检测车辆测得的竖向加速度信号。请参考图5，图5为本具体实例中桥梁上检测车辆位置、对应的振动频谱以及振型曲线的示意图。图6为本具体实例中拟合得到的桥梁的空间模态振型示意图。

相应的，本发明实施例还提供一种基于车辆响应的桥梁空间模态振型获取系统，用于执行以上所述的基于车辆响应的桥梁空间模态振型获取方法。

本实施例的桥梁空间模态振型获取系统，首先将检测车辆行驶通过桥梁，获得对应检测车辆在桥梁上行驶轨迹线测得的检测车辆的振动信号，然后根据获得的振动信号，获得桥梁的对应该行驶轨迹线的振型曲线，对应行驶轨迹线的振型曲线为行驶轨迹线上各位置处桥梁按其固有频率振动时的振幅特征形成的曲线，进一步，根据桥梁上多个行驶轨迹线对应的振型曲线，获得桥梁的空间模态振型，即桥梁上各位置处桥梁按其固有频率振动时的振幅特征形成的曲面。因此，本发明能够获得桥梁的空间模态振型，对获得桥梁整体结构的健康状态具有重要意义。

相应的，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于车辆响应的桥梁空间模态振型获取方法的步骤。

本实施例的计算机可读存储介质上存储的计算机程序被执行时，能够实现首先将检测车辆行驶通过桥梁，获得对应检测车辆在桥梁上行驶轨迹线测得的检测车辆的振动信号，然后根据获得的振动信号，获得桥梁的对应该行驶轨迹线的振型曲线，对应行驶轨迹线的振型曲线为行驶轨迹线上各位置处桥梁按其固有频率振动时的振幅特征形成的曲线，进一步，根据桥梁上多个行驶轨迹线对应的振型曲线，获得桥梁的空间模态振型，即桥梁上各位置处桥梁按其固有频率振动时的振幅特征形成的曲面。

以上对本发明所提供的一种基于车辆响应的桥梁空间模态振型获取方法及系统、存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。