一种考虑桥梁阻尼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测量车-桥模型来消除桥梁阻尼影响的桥梁模态振型驱车识别技术。

背景技术：

1、桥梁是连接水陆交通必不可少的媒介，作为水陆交通枢纽，桥梁在促进区域经济发展和文化交流上发挥着重要作用。随着建成后投入使用，桥梁面临着雨水侵蚀、地震等自然灾害，还面临着自然老化的情况，以及超负荷使用的人为破坏等问题，故而工程师和学者们格外关注桥梁结构健康。为了方便工程师持续关注桥梁结构情况，基于桥梁振动的结构健康检测方法被广泛运用于桥梁结构健康监测。如何科学维护我国近百万座桥梁，从而保障桥梁运营安全，已然成为了我国需要面对的重大挑战。

2、近年来，利用装有传感器的移动测量车提取桥梁动态响应的方法被提出。因为是从车辆动力响应提取桥梁响应，故而被称作间接法，同时也被称作车辆扫描法(vsm)以更好地诠释其利用移动车辆提取桥梁特性的本质。由于移动车辆和桥梁为一个耦合系统，当移动车辆通过桥梁时，桥梁将产生振动，并将其传递至移动车辆，移动车辆中的传感器便可采集由于车辆通过而产生的桥梁响应。该方法具有机动、经济、通用等特点，受到各国学者广泛的研究。

3、阻尼是结构的固有属性之一，阻尼的存在会减小结构产生的振动效应。在受到车辆激励后桥梁产生振动响应，但桥梁阻尼会使桥梁振动产生衰减，桥梁振动衰减后，移动测量车所受基础激励减小，移动测量车车载接收器接收振动响应相应减少。而桥梁具有结构较大等特点，其阻尼数值难以通过实验获得，故而接收器接收到的数据具体衰减量无法计算，导致数据误差较大，结果精准度较低。

4、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。移动测量车所采集数据结构为时间和空间上的对角矩阵，即一个时刻对应一个桥梁位置振动数据。当移动测量车通过桥梁时，由于桥梁阻尼的存在，振动数据存在衰减现象，但其衰减值无法计算，导致从移动测量车中识别到的桥梁模态振型偏移。如何有效降低桥梁阻尼影响，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。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种消除桥梁阻尼干扰的桥梁模态振型驱车识别方法。

2、本发明方法策略：

3、(1)考虑桥梁阻尼的影响，本发明创造性地首先建立两辆测量车参与的车-桥交互模型，其中一辆为静止的测量车，另一辆为以一定速度匀速行驶的运动测量车。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-桥接触响应。

4、(2)基于运动、静止的两辆测量车的运动方程，建立车-桥接触响应反算法，从接触响应中提取桥梁频率，能够不限于桥梁的结构形式，增强桥梁动力响应的识别效果。基于上述运动、静止的两辆测量车的接触响应，同时本发明再创造性地结合希尔伯特变换，从桥梁响应中提取出桥梁模态振型幅值，消除桥梁振型幅值中桥梁阻尼影响，实现桥梁模态振型的精准提取。

5、本发明方法过程：

6、建立两辆测量车参与的车-桥交互模型，获得两组桥梁振动响应数据。运动测量车所采集桥梁幅值数据结构为时间和空间上的对角矩阵，而静止测量车所测幅值具有相同衰减趋势，但其数据仅与时间相关；利用两者所测桥梁幅值进行本发明所提出的数据处理方法，即可消除桥梁阻尼计算项，修正后进一步构建桥梁模态振型。该法可以消除桥梁阻尼影响，提取到更准确的桥梁振型模态。利用动、静两车的接触响应运动方程，结合希尔伯特变换，分别确定桥梁模态振型幅值求解方程(公式(20)(21))：

7、

8、

9、式中：

10、

11、

12、利用本发明提出的数学处理方法，对运动、静止测量车的接触响应中提取出的桥梁振型振幅进行数据处理：

13、

14、其计算出的幅值大小发生变化，但振型形状并不发生改变，其中δst,ns、δst,nm、均为常数项系数，归一化处理后，进一步，可得到桥梁第n阶模态振型，

15、

16、其中为桥梁第n阶模态下运动、静止测量车的竖向接触加速度响应；为希尔伯特变换函数。am(t)、as(t)分别为运动、静止测量车的接触响应中提取出的桥梁振型振幅。利用两辆测量车所测桥梁幅值的关系，用运动测量车所测幅值除以静止测量车所测幅值，修正后进一步实现桥梁模态振型高效构建。

17、本发明原理：

18、静止测量车所测响应数值与运动测量车相比，具有相同阻尼导致的衰减趋势、但不受空间变化影响的特点，即静止测量车采集的数据结构为仅随时间变化的矩阵，且其数据中桥梁阻尼导致的衰减效果与运动测量车所测一致。基于此原理，将运动、静止测量车所测得桥梁振型幅值，利用本发明提出的数据处理方法，将桥梁模态振型振幅理论解中的桥梁阻尼项被消除，从而消除桥梁阻尼导致的信号衰减影响，获得无桥梁阻尼参数的理论解，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。

19、技术方案：

20、一种考虑桥梁阻尼影响的桥梁模态振型驱车识别方法，包含如下步骤：

21、一、数据采集阶段：

22、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单轴测量车分别布置在桥梁上，基于车桥交互作用，测量车给予桥梁激励，桥梁产生竖向振动响应并传递给测量车，使测量车产生竖向响应；其中一辆测量车静止，其上接收器用于收集静止测量车竖向加速度响应一辆测量车由静止开始运动，其接收器用于收集运动测量车竖向加速度响应

23、s2建立相应运动微分方程；

24、二、接触响应计算阶段：

25、s3利用单轴测量车运动方程反演得到车桥竖向加速度接触响应；

26、s4利用运动、静止测量车和桥梁运动方程推导出两车桥竖向位移响应，再求导得到竖向加速度接触响应；

27、三、模态振型识别阶段：

28、s5利用希尔伯特变换处理竖向加速度接触响应后得到桥梁振幅；

29、s6基于静止测量车所提取的桥梁振幅具有相同阻尼导致的衰减趋势、但不受空间变化影响的特点，处理桥梁振型幅值，消除桥梁阻尼导致的信号衰减影响，实现桥梁模态振型的高效构建。

30、本发明方法有益效果：

31、本发明结合希尔伯特变换，利用两辆试验车-桥模型，其中静止测量车提取的振型幅值具有相同衰减趋势、但只受时间单一变量的影响的特性，基于此特性，采用数学方法，从运动测量车所得桥梁振型振幅中消除桥梁阻尼计算项，从而消除桥梁阻尼的影响，进而精准构建桥梁模态振型，此为本发明的核心。

技术特征：

1.一种考虑桥梁阻尼影响的桥梁模态振型驱车识别方法，其特征在于，

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包含如下步骤：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤s2：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤s3：

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤s4，具体为：

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤s5，具体为：

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤s6，具体为：

8.一种考虑桥梁阻尼影响的桥梁模态振型驱车识别方法在实际桥梁监测的应用，其特征在于，通过对提取的桥梁模态振型幅值进行处理，消除桥梁阻尼带来的影响，从中提取出桥梁模态振型，从而评估桥梁健康状态。

技术总结
本发明提出了一种考虑桥梁阻尼影响的桥梁模态振型驱车识别方法，首先建立两辆测量车参与的车‑桥交互模型，其中一辆为静止的测量车，另一辆为以一定速度匀速行驶的运动测量车；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，从车体响应中间接计算出车‑桥接触响应；然后建立车‑桥接触响应反算法，能够不限于桥梁的结构形式，从接触响应中提取出桥梁频率；再结合希尔伯特变换，从车‑桥接触响应中提取出桥梁模态振型幅值，消除桥梁振型幅值中桥梁阻尼影响，实现桥梁模态振型的精准提取。在实际桥梁监测中，通过该方法能够更加精准高效地评估桥梁健康状态。

技术研发人员：徐昊,杨永斌,陈锦
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13