專利名稱：一種基于分塊沖擊振動測試的中小型橋梁快速檢測方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及 一種對中小橋梁進行分塊沖擊振動測試的方法，可實現(xiàn)中小橋梁的變形預測和快速安全評估。
背景技術(shù)：
土木工程結(jié)構(gòu)如房屋和橋梁等在自然環(huán)境與日常使用荷載下性能逐漸退化，而且又隨時可能遭受地震、臺風等強大自然災害的侵襲。因此對土木工程結(jié)構(gòu)進行定期甚至實時健康監(jiān)測與診斷可有效減小工程結(jié)構(gòu)坍塌可能，避免突發(fā)災難事故，保障人身和國家財產(chǎn)安全。利用振動測試觀測到的數(shù)據(jù)可用來識別結(jié)構(gòu)參數(shù)從而進行結(jié)構(gòu)健康診。近年來基于振動測試的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與診斷技術(shù)也已逐漸應用到土木工程實踐中。環(huán)境振動適用于大跨和中小型橋梁的健康診斷，但它僅輸出結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，還無法直接用來進行結(jié)構(gòu)損傷識別和安全評估。沖擊振動為振動測試的另一種形式，主要適用于中小橋梁的測試與安全評估。但傳統(tǒng)的沖擊振動測試中，要求將傳感器布置與整個橋面，因此所需傳感器數(shù)目多，數(shù)據(jù)傳輸用的電纜長，設備安裝所需人力物力大，橋梁關(guān)閉時間長。為了解決這些問題， 本發(fā)明方法對中小橋梁采用分塊分階段的沖擊振動測試，每次僅對結(jié)構(gòu)的一個子塊進行測試，而動力信號分析方法可融合各子塊的測試數(shù)據(jù)，識別整體結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)和柔度矩陣，從而能夠預測結(jié)構(gòu)變形，進行中小橋梁的快速檢測。該方法成本低，精度高，所需時間少，抗噪音能力強，并且其實用性強，有廣泛應用于實際工程中中小橋梁快速檢測的良好前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種中小橋梁快速檢測的方法。中小橋梁安全檢測的最大挑戰(zhàn)之一是要求測試時間短，從而保證所需橋梁關(guān)閉時間有限，不影響橋梁的日常運營。本發(fā)明方法對所測試橋梁采用分塊分階段的沖擊振動實驗方法，可大大縮減橋梁檢測成本和時間。另一方面，該方法采用動力信號分析分析技術(shù)，可輸出橋梁整體柔度矩陣，從而可預測結(jié)構(gòu)變形，進行可靠有效的中小橋梁安全評估。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種基于分塊沖擊振動測試的中小型橋梁快速檢測方法，步驟如下第一步、將整個橋面依據(jù)橋梁形狀分成若干子塊區(qū)域，各子塊區(qū)域之間為連接占.
^ \\\ 第二步、對各個子塊逐一進行沖擊振動測試并測量各子塊間連接點數(shù)據(jù)；第三步、利用動力信號分析方法通過各連接點測試數(shù)據(jù)融合各子塊測試數(shù)據(jù)，識別整體結(jié)構(gòu)特征。本發(fā)明測試方法采用對中小橋梁路面進行子結(jié)構(gòu)劃分，然后依次對每一個子結(jié)構(gòu)進行沖擊振動測試。在子結(jié)構(gòu)劃分階段，依據(jù)橋梁具體形狀，可將每跨橋梁路面作為一個子結(jié)構(gòu)進行測試，也可進行更細致的劃分。在振動測試中，沖擊裝置可采用傳統(tǒng)的測力錘，加速度計用來觀測結(jié)構(gòu)沖擊振動下結(jié)構(gòu)反應。本發(fā)明的分塊振動測試中要求相鄰子結(jié)構(gòu)的連接界面處有傳感器布置。因子結(jié)構(gòu)區(qū)域小，故所需傳感器和數(shù)據(jù)傳輸用電纜數(shù)量都大幅下降，從而測試時間短，實驗成本低。在完成各個子結(jié)構(gòu)的振動測試后，利用數(shù)據(jù)分析方法融合各子結(jié)構(gòu)的振動測試數(shù)據(jù)，識別整體結(jié)構(gòu)的頻域傳遞函數(shù)矩陣，從而識別整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)(頻率、阻尼和陣型)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是通過對整座橋梁進行分塊沖擊振動試驗，而非傳統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)實驗，可大幅減少所需傳感器數(shù)目和數(shù)據(jù)傳輸用電纜長度，實驗成本和所需時間都得到大幅減小，從而可實現(xiàn)中小橋梁的快速檢測。另一方面，在消減成本和時間的同時，該方法能能夠輸出精確的結(jié)構(gòu)模態(tài)識別結(jié)果。特別的是，該方法通過分析各子結(jié)構(gòu)振動測試數(shù)據(jù)，可識別出結(jié)構(gòu)的柔度矩陣，從而可進行結(jié)構(gòu)的變形預測，這是絕大多數(shù)現(xiàn)有的基于振動測試的結(jié)構(gòu)健康診斷技術(shù)做 不到的。


圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖。圖2是橋梁分塊測試示意圖，測試子結(jié)構(gòu)a。圖3是橋梁分塊測試示意圖，測試子結(jié)構(gòu)b。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。圖1為本發(fā)明方法的基本流程。中小橋梁的健康檢測首先通過現(xiàn)場調(diào)查和調(diào)閱結(jié)構(gòu)圖紙以熟悉所檢測橋梁，然后將整個結(jié)構(gòu)分為若干個子結(jié)構(gòu)(例如圖2所示的劃分方式)，在子結(jié)構(gòu)劃分步驟需注意結(jié)構(gòu)各部件的連接情況(如溫度伸縮縫影響)。隨后確定各個子結(jié)構(gòu)的傳感器布置方案和進行沖擊振動試驗。在沖擊振動過程中，需同時觀測沖擊力和各測點的結(jié)構(gòu)反應(加速度)。在完成所有子結(jié)構(gòu)的振動測試后，開始振動測試信號的預處理和后處理。因結(jié)構(gòu)振動試驗不可避免的受到傳感器靈敏度和試驗環(huán)境等因素的影響， 一系列數(shù)據(jù)預處理技術(shù)首先應用于振動測試信號以消除或降低噪音和提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，如濾波、加指數(shù)窗、時域或頻域內(nèi)平均等。然后，針對發(fā)明內(nèi)容部分介紹的兩種測試形式(相鄰子結(jié)構(gòu)連接界面處有或無傳感器布置)和相應數(shù)據(jù)處理方法，融合各子結(jié)構(gòu)的沖擊振動測試數(shù)據(jù)，得出整體結(jié)構(gòu)的頻域傳遞函數(shù)矩陣。隨后，利用數(shù)據(jù)后處理方法(如窄頻范圍內(nèi)的 SubMAX法等)識別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)(頻率、阻尼、陣型)和陣型縮放系數(shù)，從而可推導出結(jié)構(gòu)的整體柔度矩陣。在本發(fā)明方法的最后一步，可利用所識別的結(jié)構(gòu)柔度矩陣預測結(jié)構(gòu)在任何靜載下的變形，從而進行中小橋梁的快速安全檢測。如圖2所示，將一個5自由度結(jié)構(gòu)劃分為2個子結(jié)構(gòu)子結(jié)構(gòu)a包含第1、2和3自由度，子結(jié)構(gòu)b包含和3、4和5自由度。自由度3為兩個子結(jié)構(gòu)的連接點。由兩個子結(jié)構(gòu)的振動測試數(shù)據(jù)進行模態(tài)分析可得到這兩個子結(jié)構(gòu)的模態(tài)參與系數(shù)廠-/.·:. I.: [_-;_'(1)1； = ；r f::.(2)其中^表示子結(jié)構(gòu)a的第r階模態(tài)參與系數(shù)。利用兩個子結(jié)構(gòu)連接點的測量數(shù)據(jù)，可融合兩個子結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)得出整個結(jié)構(gòu)的模態(tài)參與系數(shù) — .. ·ξ.,. !_、丄？,. L1^L^jil, Ii. :(3)
同樣道理，可有子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)得出整體結(jié)構(gòu)的陣型矩陣，Φ丨:'。然后利用公式4計算結(jié)構(gòu)柔度矩陣，從而可預測結(jié)構(gòu)在任何荷載下的變形
權(quán)利要求
1.一種基于分塊沖擊振動測試的中小型橋梁快速檢測方法，其特征在于包括以下步驟第一步、將整個橋面依據(jù)橋梁形狀分成若干子塊區(qū)域，各子塊區(qū)域之間為連接點； 第二步、對各個子塊逐一進行沖擊振動測試并測量各子塊間連接點數(shù)據(jù)； 第三步、利用動力信號分析方法通過各連接點測試數(shù)據(jù)融合各子塊測試數(shù)據(jù)，識別整體結(jié)構(gòu)特征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分塊沖擊振動測試的中小型橋梁快速檢測方法，其特征在于整個橋面劃分為2-10個子塊進行測試，并利用動力信號分析方法融合各子塊測試數(shù)據(jù)識別結(jié)構(gòu)整體變形能力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于分塊沖擊振動測試的中小型橋梁快速檢測方法，包括以下步驟將整個橋面依據(jù)橋梁形狀分成若干子塊區(qū)域，各子塊區(qū)域之間為連接點；對各個子塊逐一進行沖擊振動測試并測量各子塊間連接點數(shù)據(jù)；利用動力信號分析方法通過各連接點測試數(shù)據(jù)融合各子塊測試數(shù)據(jù)，識別整體結(jié)構(gòu)特征。本發(fā)明方法采用少量傳感器分塊對橋梁進行沖擊振動測試，然后利用動力信號分析方法融合各子塊的振動數(shù)據(jù)，識別整體結(jié)構(gòu)的頻域傳遞函數(shù)和模態(tài)參數(shù)。特別的是，本發(fā)明方法能夠利用各子塊測試數(shù)據(jù)，識別整體結(jié)構(gòu)的柔度矩陣，從而可預測橋梁在任何荷載下的變形，有效評估結(jié)構(gòu)安全狀況。
文檔編號G01M7/08GK102353509SQ201110307658
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者張建 申請人:東南大學