專利名稱：正常交通流下斜拉橋模態(tài)參數(shù)測定裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及斜拉橋模態(tài)參數(shù)測定方法，本發(fā)明尤其涉及一種正常交通流下斜拉橋模態(tài)參 數(shù)測定裝置及方法。
背景技術：
結構損傷的發(fā)生必然導致結構模態(tài)參數(shù)(剛度、阻尼和振型)的改變，利用振動方法對 斜拉橋進行結構損傷診斷的基礎就是從斜拉橋振動模態(tài)的變化中提取破損診斷所需動力"指 紋"。在結構無損檢測的方法中，振動檢測方法具有經(jīng)濟有效而且使用起來比較安全的優(yōu)點。 從傳感器測試設備到相應的信號處理軟件，振動模態(tài)測量方法己有幾十年發(fā)展歷史，積累了豐 富的經(jīng)驗，振動模態(tài)測量在橋梁損傷檢測領域的發(fā)展也很快。測量構筑物自振特性的方法很 多，目前主要有穩(wěn)態(tài)正弦激振法、傳遞函數(shù)法和環(huán)境脈動測試法。穩(wěn)態(tài)正弦激振法是給結構 以一定的穩(wěn)態(tài)正弦激勵，通過頻率掃描的辦法確定各共振頻率下結構的振型和對應的阻尼比。 傳遞函數(shù)法是用各種不同的方法對結構進行激勵(如正弦激勵、脈沖激勵或隨機激勵等)， 測出激勵力和各點的響應，利用專用的分析設備求出各響應點與激勵點之間的傳遞函數(shù)，進 而可以得出結構的各階模態(tài)參數(shù)(包括振型、頻率、阻尼比)。環(huán)境脈動測試法是利用結構物 (尤其是高柔性結構)在自然環(huán)境振源(如風、水流、地脈動等)的影響下，所產生的隨機 振動，通過傳感器記錄、經(jīng)過譜分析，求得結構物的動力特性參數(shù)。以上三種方法各有其優(yōu)點和局限性。利用共振法可以獲得結構比較精確的自振頻率和阻 尼比，但其缺點是，采用單點激振時只能求得低階振型時的自振特性，而采用多點激振需較多 的設備和較高的試驗技術；傳遞函數(shù)法應用于模型試驗，常常可以得到滿意的結果，但對于 尺度很大的實際結構要用較大的激勵力才能使結構振動起來，從而獲得比較滿意的傳遞函數(shù)，這在實際測試工作中往往有一定的困難。利用環(huán)境隨機振動作為結構物激振的振源，來測定并分析結構物固有特性的方法，是近 年來隨著計算機技術及FFT理論的普及而發(fā)展起來的，現(xiàn)已被廣泛應用于建筑物的動力分析 研究中，對于斜拉橋及懸索橋等大型柔性結構的動力分析也得到了廣泛的運用。斜拉橋或懸 索橋的環(huán)境隨機振源來自兩方面 一方面指從基礎部分傳到結構的地面振動及由于大氣變化 而影響到上部結構的振動(根據(jù)動力量測結果，可發(fā)現(xiàn)其頻譜是相當豐富的，具有不同的脈 動卓越周期，反應了不同地區(qū)地質土壤的動力特性)；另一方面主要來自過橋車輛的隨機振動。 如果沒有車輛的行駛，斜拉橋將始終處于微小而不規(guī)則的振動中，可以發(fā)現(xiàn)斜拉橋脈動源為 平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)的隨機過程，其脈動響應亦為振幅極其微小的隨機振動。'通過這種隨機振動 測試結果，即可確定各測試自由度下的頻響函數(shù)或傳遞函數(shù)、響應譜等參數(shù)，進而可對結構 模態(tài)參數(shù)(固有頻率、振型、阻尼比等)進行識別。通常斜拉橋的環(huán)境隨機振動檢測往往是在限制交通的情況下進行的，采用風振及地脈動 作為環(huán)境振源，很少采用橋上車輛的振動作為振源。這是因為一般斜拉橋甚至各種其它橋梁 的振動檢測往往在橋梁運營的前期進行；另一方面車輛振動作為輸入信號截止目前還沒有成 熟的理論和實踐支持，目前的成果僅停留在通過測試車輛對橋梁的振動響應來求算沖擊系數(shù)。 然而，對斜拉橋進行健康監(jiān)測、破損診斷，必須提取運營期間的動力指紋，健康監(jiān)測占用時 間長(全天候的)，因此無法限制交通；振動監(jiān)測應該真實反映橋梁實際狀態(tài)下固有的振動特 性，限制交通無法反映這種真實的狀態(tài)。鋼材疲勞腐蝕、預應力松弛、橋梁變形等諸多因素會使斜拉橋發(fā)生局部破損，這些局部 破損雖然不會立即導致整個結構的破壞，但對其安全構成了潛在的危險。局部破損會引起斜 拉橋整體剛度下降及承載能力降低，影響車輛的行駛質量，嚴重者會出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。其結果 不僅縮短了結構的使用壽命，而且還威脅到人員生命和財產的安全。如果能及時發(fā)現(xiàn)破損， 并診斷出局部破損的位置及破損程度，就能使維修人員制定出正確的維修策略，進行及時的 修復，這對于保障人們的生命財產安全尤為重要。任何結構都可看作是由剛度、質量、阻尼矩陣(統(tǒng)稱結構參數(shù))構成的動力學系統(tǒng)，結 構一旦出現(xiàn)破損，結構參數(shù)也隨之變化，從而導致系統(tǒng)頻響函數(shù)和模態(tài)參數(shù)的改變，這種改 變可視為結構破損發(fā)生的標志。這樣，口J利用由試驗所測試的結構破損前后的動態(tài)數(shù)據(jù)來診 斷結構的破損，進而提出修復方案，現(xiàn)代發(fā)展起來的"結構破損診斷"技術就是這樣一種方 法。其最大優(yōu)點是將導致結構振動的外界因素作為激勵源，診斷過程不影響結構的正常使用， 能方便地完成結構破損的在線監(jiān)測與診斷。對于大跨度斜拉橋，由于野外測試噪聲引起的較大誤差，更重要的是無法測到比較完整 的振動模態(tài)(只能測到少數(shù)自由度上的模態(tài)分量)，這使得一般的基于振動測試的結構損傷檢 測方法(需要用到比較完整的振動模態(tài))不能應用。故此，基于動態(tài)測試數(shù)據(jù)的斜拉橋破損 診斷研究國內外進行的甚少，目前取得的進展主要反映在①通過強迫振動試驗，能夠分析 模態(tài)參數(shù)對結構局部變化的反應；②在車重、車速、路面及支承對橋梁模態(tài)參數(shù)的影響方面 有深入的認識及理論上的依據(jù)，證明了用環(huán)境振動法進行橋梁自動檢測的可行性；③對適用 于橋梁檢測的結構狀態(tài)敏感參數(shù)積累了理論認識和試驗基礎；④在一定程度上能夠利用測試 的數(shù)據(jù)進行計算模型的修正；⑤開發(fā)了各種基于頻率、振型、振型曲率、應變振型等改變量 的損傷檢測和定位技術，在處理方法上探尋了 MAC法、C0MAC法、柔性矩陣法、矩陣攝動修 正法、非線性迭代法以及神經(jīng)元網(wǎng)絡法等診斷技術，這些方法各具特色，在局部的范圍內都 取得了積極的效果。然而，這些研究成果在斜拉橋狀態(tài)評估系統(tǒng)的研究中還屬于基礎性的探索，距離系統(tǒng)的 評估目標尚有很大的差距，盡管某些整體性評估技術已在一些簡單結構上有成功的例子，但 還不能可靠地應用于復雜結構。阻礙這一技術進入實用的主要原因包括①結構與環(huán)境中的 不確定性和非結構因素的影響；②測量信息不完備；③測量精度不足和測量信號噪聲； 橋 梁結構測量信號對結構局部損傷不敏感。對于大型斜拉橋結構還存在以下問題①斜拉橋結 構不確定性因素和復雜的工作環(huán)境對結構模態(tài)響應的靈敏度造成了不利的影響，導致了目前 斜拉橋整體監(jiān)測的許多問題；②對斜拉橋在使用年限內工作特性的變化缺乏全面深入的研究，難以建立客觀統(tǒng)一的橋梁狀態(tài)評估標準。由于斜拉橋的建造歷史不長，對該方面的研究才剛 剛起步，從評估方法上，目前對其安全評估基本上仍然沿襲常規(guī)中、小橋梁的定級評估方法， 是一種主要圍繞結構的外觀狀態(tài)和正常使用性能進行的定性、粗淺的安全評價。因此，有必 要對其進行深入的研究，積累更多的安全評估經(jīng)驗。發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于克服巳有技術的缺點，提供一種在不限制橋上交通的情況下，采用自由 交通流作為振源，識別出斜拉橋使用多年后在正常交通流下的模態(tài)參數(shù)測定方法。本發(fā)明的正常交通流下斜拉橋模態(tài)參數(shù)測定裝置，它包括多個布置在橋面眾多檢測點的 用于采集并輸出振動頻率、幅值信號的多個超低頻傳感器、 一個用于捕捉所述傳感器輸出信 號的數(shù)據(jù)采集儀； 一個用于接收、過濾所述捕捉信號并將該過濾信號輸出的一個低通濾波器； 一個用于接收所述過濾信號并將該信號轉換成數(shù)字信號輸出的一個擴展箱； 一個用于接收所 述擴展箱的數(shù)字信號并對該信號進行處理以識別測試橋固有頻率及每個檢測點處振型坐標的 一個預置有數(shù)據(jù)采集分析軟件的計算機。本發(fā)明的一種正常交通流下斜拉橋模態(tài)參數(shù)測定方法，它包括以下步驟(1) 在橋跨中選擇對振動最敏感的測點作為參考測點，在該測點分別設置橫向、縱向、 豎向傳感器；(2) 由于所需傳感器數(shù)量巨大，可根據(jù)所擁有的傳感器數(shù)量，將全橋分區(qū)段并同時在橋 面左右兩側測試，每個測試區(qū)段選擇多個測試位置，在橋面左右兩側每個測試位置分別設置 橫向、縱向、豎向傳感器，每個區(qū)段在記錄測試位置傳感器數(shù)據(jù)的同時記錄參考測點傳感器 的數(shù)據(jù)；(3) 取自由車流為振動測源，啟動所述的各個測點的傳感器以讀取所述的各個測點的振 動頻率及振幅信號，所述的傳感器將所述的各個測點的信號輸出給一個用于捕捉所述的振動 頻率及振幅信號的數(shù)據(jù)采集儀，所述的數(shù)據(jù)采集儀將所述的捕捉信號輸出給一個用于接收并過濾所述的捕捉信號的一個低通濾波器，所述的低通濾波器輸出所述的過濾信號給一個用于 接收所述的過濾信號并將該信號轉換為數(shù)字信號的一個擴展箱，所述的擴展箱將所述的數(shù)字 信號輸出給一個計算機，所述的計算機對來自擴展箱的數(shù)字信號進行記錄；(4) 變換所述的步驟(2)中的測試區(qū)段，重復步驟(2)和(3)直至結束；(5) 采用所述的步驟(3)中的計算機對其記錄的信號進行處理以識別測試橋的固有頻 率及在每個檢測點處的振型坐標。本發(fā)明的裝置及方法采用自由交通流作為環(huán)境振源，通過環(huán)境隨機振動試驗，對斜拉橋 營運狀況的動力特性(頻率、振型)進行測定，從斜拉橋現(xiàn)狀脈動速度反應信號的頻譜中利 用枏關函數(shù)法識別全橋的振動模態(tài)(固有頻率、振型和阻尼)，以此作為斜拉橋破損狀態(tài)下的 動力"指紋"。通過斜拉橋破損狀態(tài)下的動力"指紋"與斜拉橋完好狀態(tài)下的動力"指紋"進' 行對比，最終識別斜拉橋破損的位置和程度。采用本發(fā)明方法在不限制橋上交通的情況下， 可以識別出斜拉橋使用多年后的模態(tài)參數(shù)，為營運中橋梁的振動測試提出了可行的方法。


圖1是貨車通過斜拉橋時跨中測點的功率譜曲線圖； 圖2是某測點一次測試所得到的功率譜曲線； 圖3是某測點經(jīng)5次平均的功率譜曲線；圖4是本發(fā)明的正常交通流下斜拉橋模態(tài)參數(shù)測定裝置的儀器連接框圖； 圖5是本發(fā)明的正常交通流下斜拉橋模態(tài)參數(shù)測定方法的測試步驟框圖；圖6是本發(fā)明的正常交通流下斜拉橋模態(tài)參數(shù)測定方法的信號處理過程框圖。
具體實施方式
'下面結合具體實施方式
和實施實例對本發(fā)明作進一步說明。 營運中的斜拉橋多為咽喉，交通量較大，如何在不干擾交通的情況下進行振動檢測、進而提取該橋現(xiàn)有狀態(tài)下的真實動力指紋成為本方法的關鍵。1、將自由交通流中不同車輛的振動作為一種隨機振動，經(jīng)多次平均消除車輛振動對斜拉 橋的影響。與車輛振動相比，風振或地脈動對斜拉橋的響應一般較小。環(huán)境隨機激振的放大對于斜 拉橋一類的柔性結構則常?？梢垣@得比較滿意的結果。同種車輛對斜拉橋的振動僅可看作是 強迫振動，而車輛本身作為一典型的振動系統(tǒng)，根據(jù)有關文獻知其自振頻率在lH,5Hz之間 [58]，與斜拉橋自振頻率范圍基本相同，相應車橋相互作用的功率譜密度函數(shù)(Power spectral density-PSD)峰值所對應的頻率不僅代表橋梁本身的振動頻率，且反映車橋相互 作用的結果，圖l為一輛大型貨車通過斜拉橋時跨中測點的功率譜曲線圖?？紤]自由交通流，由于各種車輛的通行都是隨機的，不同種車輛的振動可看作隨機激勵， 經(jīng)過多次平均，可以大大消除車輛對斜拉橋振動的影響。圖2為永和斜拉橋某一測點在自由 交通流作用下的一次測試結果，圖3為相應測點5次測試結果平均后的功率譜曲線。由圖3 可看出，經(jīng)過多次平均，功率譜曲線得到大大的改善，所對應的頻率也發(fā)生變化，這是由于 車輛本身為一振動系統(tǒng)，從斜拉橋振動測點所得到的響應既包括橋梁的振動，也包括了車輛 本身的振動。2、經(jīng)多次平均，隨機振動作為過濾白噪聲，其自功率譜G^(/)為常數(shù)，此時輸出自功率 譜G^r(/)即為結構的頻響函數(shù)。考慮自由交通流，把各種車輛的振動看作隨機激勵，經(jīng)過多次平均，可消除車輛對斜拉 橋振動的影響，可采用自功率譜和互功率譜來計算頻響函數(shù)^(w),即<formula>formula see original document page 9</formula>式中C^、 ^w一分別為輸入信號與輸出信號的自功率譜；afy， ^^一均為輸入信號與輸出信號的互功率譜。對于車輛振動，式(1-3)中輸入信號的自功率譜^^(w)是難以計算的，然而經(jīng)過多次 平均，與輸入或輸出信號不相關的噪聲都能減小，所采集的不同步信號得以改善，大大消除了噪聲的影響，隨機振動成為過濾白噪聲，其自功率譜^^(y)為常數(shù)，此時輸出自功率譜 ^ry(/)即為結構的頻響函數(shù)(斜拉橋環(huán)境隨機振動測試往往根據(jù)該原理建立起來的)。3、考慮輸入力(車輛振動)無法檢測，需選擇對低階模態(tài)敏感的測點作為一參考測點， 可以把參考測點的測試數(shù)據(jù)作為輸入信號，而其它測點的測試結果作為輸出信號，則頻響函 數(shù)(Frequency response functions—FRF)的估計值可計算出來。經(jīng)過多次平均，各測點及參考測點的自譜(Autospectrum)和互譜(Cross spectrum) 可通過以下公式計算出來<formula>formula see original document page 10</formula>4、通過相干函數(shù)提取斜拉橋的自振頻率，通過多次平均自由交通流引起的振動，改善 頻率分辨率相干函數(shù)計算式如下<formula>formula see original document page 10</formula>(1—7)相干函數(shù)可理解為頻域的相關系數(shù)，它在0與1之間變化對于給定的頻率，相干函數(shù) 等于1，則說明輸入信號與輸出信號之間經(jīng)全部平均后存在著良好的線性關系，也說明相應 峰值對應的頻率即為橋梁的固有頻率；而車輛振動引起的峰值則對應著低的相干函數(shù)。通過多次平均自由交通流引起的振動，頻率分辨率得到大大的改善。5、將參考測點的響應信號可作為輸入信號，同測站其它測點的響應信號作為輸出信號， 則斜拉橋固有頻率的識別可通過分析參考測點和各普通測點上記錄的振動信號之間的相關函 數(shù)和相位關系得以實現(xiàn)。在所有豎向和扭轉振動的固有頻率點處，如豎向參考測點MSL或MST上的振動信號與同 組其它任何一個豎向振動信號之間相關性都較好，即MST1或MSL1與之同組的其它豎向測點 之間的相關函數(shù)值在所有豎向或扭轉固有頻率點上的值都接近于1.0，而在其它頻率點處這 些相關函數(shù)值中的大多數(shù)都接近于0，這樣即可識別出斜拉橋豎向和扭轉振動模態(tài)固有頻率。 對于上述己被識別出的固有頻率，當MSL1與MST1上的信號之間的相位差接近于0時，該頻 率為主梁豎彎固有頻率；而當這兩個信號之間的相位差接近180度，并且它們與對應橫橋向 測點位置上的信號之間的相關函數(shù)值同時接近1時，此頻率就為主梁扭轉振動和橫橋向振動 耦合的固有頻率；否則為主梁純扭固有頻率。6、對固有頻率識別中所采用的頻響函數(shù)曲線進行積分，求得位移的頻響函數(shù)曲線。對于 已識別出的第j階固有頻率，可根據(jù)有關公式獲得鋃型。通過計算固有頻率點處各測點與同組參考測點之間的平方根自譜幅值的比值，獲得相應 的固有振型-<formula>formula see original document page 11</formula>式中；^w，-4^， A^分別為測點M處和參考點MSL或MST處的信號在第j階固有頻率點處平方根自譜的幅值以及它們之間的相位差；《 為該階固有振型在測點M處的振型坐 標。如圖4所示的本發(fā)明的正常交通流下斜拉橋模態(tài)參數(shù)測定裝置，它包括多個布置在橋面 眾多檢測點的用于采集并輸出振動頻率、幅值信號的多個超低頻傳感器;一個用于捕捉所述傳感器輸出信號的數(shù)據(jù)采集儀； 一個用于接收、過濾所述捕捉信號并將該過濾信號輸出的7個低通濾波"器； 一個用于接收所述過濾信號并將該信號轉換成數(shù)字信號輸出的一個擴展箱；一 個用于接收所述擴展箱的數(shù)字信號并對該信號進行處理以識別測試橋固有頻率及每個檢測點 處振型坐標的一個預置有數(shù)據(jù)采集分析軟件的計算機。所述的低通濾波器的截止頻率最好設 置為匿。結合圖5本發(fā)明的一種正常交通流下斜拉橋模態(tài)參數(shù)測定方法，它包括以下步驟(1) 在橋跨中選擇對振動最敏感的測點(一般在跨中部位)作為參考測點，在該測點分別設置橫 向、縱向、豎向傳感器；(2)由于所需傳感器數(shù)量巨大，可根據(jù)所擁有的傳感器數(shù)量，將全 橋分區(qū)段并同時在橋面左右兩側測試，每個測試區(qū)段選擇多個測試位置，在橋面左右兩側每 個測試位置分別設置橫向、縱向、豎向傳感器，每個區(qū)段在記錄測試位置數(shù)據(jù)的同時均同時 記錄參考測點傳感器的數(shù)據(jù)；(3)取自由車輛流為振動測源，啟動所述的各個測點的傳感器 以讀取所述的各個測點的振動頻率及振幅信號，所述的傳感器將所述的捕捉信號輸出給一個 用于捕捉所述的振動頻率及振幅信號的數(shù)據(jù)采集儀，所述的數(shù)據(jù)采集儀將所述的各個測點的 信號輸出給一個用于接收并過濾所述的捕捉信號的一個低通濾波器，所述的低通濾波器輸出 所述的過濾信號給一個用于接收所述的過濾信號并將該信號轉換為數(shù)字信號的一個擴展箱， 所述的擴展箱將所述的數(shù)字信號輸出給一個計算機，所述的計算機對來自擴展箱的數(shù)字信號 進行記錄；(4)變換所述的步驟(2)中的測試區(qū)段，重復步驟(2)和(3)直至結束；(5) 采用所述的步驟(3)中的計算機對其記錄的信號進行處理以識別測試橋的固有頻率及在每個 檢測點處的振型坐標。所述的步驟(3)中每一信號記錄時間為20秒 60秒，并且每一測點 的測試次數(shù)大于20次，所述的步驟(2)中在橋面左右兩側同時設置的測試位置優(yōu)選的沿全 橋對稱布置，這樣可以使測量結果更為準確。結合圖6所述的采用計算機對信號處理可以包括以下步驟對各測點環(huán)境隨機振動頻率、 幅值信號進行回放，步驟101;對所有采集到的振動頻率、幅值信號進行自功率譜分析，并對參考測點處的信號和每個其它測點處的信號進行互譜分析，步驟102;然后根據(jù)所述的互 譜分析作出相關系數(shù)一頻率曲線以及相位差一頻率曲線，步驟103;讀取所述的各測點的自功率譜分析結果以及相位差一頻率曲線中相位差值，然后計算出所有測點處的信號對應的自 功率譜密度并作出自功率譜密度曲線，步驟104;找出參考測點信號所對應的自功率譜密度 曲線上的包括峰值和峰值頻率的所有峰值點，步驟105;設定待研究的頻率范圍并設定在該 范圍內有N個自功率譜密度峰值，步驟106，所述的待研究的頻率范圍應涵蓋步驟105中所 有峰值點對應的頻率；設定循環(huán)次數(shù)為N，步驟107;讀取所述的各測點對應的步驟103中的 相關系數(shù)一頻率曲線中的相關系數(shù)值并將該值與步驟106中待研究的頻率范圍比較以確定在 此峰值頻率范圍內是否大多數(shù)測點的隨機振動信號都相關，步驟108;提取步驟108中相關 系數(shù)值接近l、橋面左右側參考測點的相位差為0"或180"的信號，然后求出所述的測點的頻 率并繪制出振型圖，步驟109;歩驟110中循環(huán)次數(shù)是否為N，如果為否，則返回步驟107; 步驟111若步驟110中的結果為是，則根據(jù)步驟109中提取的信號計算M《N階固有頻率；讀取所述的固有頻率值并計算出每個測點處的振型坐標，步驟112;信號處理過程完成。實施例1(l)在橋跨中選擇跨中部位作為參考測點，在該測點分別設置橫向、縱向、豎向傳感器； (2)將全橋分區(qū)段并同時在橋面左右兩側測試，每個測試區(qū)段選擇30個測試位置，在橋面 左右兩側每個測試位置分別設置橫向、縱向、豎向傳感器，每個區(qū)段在記錄測試位置傳感器 數(shù)據(jù)的同時均同時記錄參考測點傳感器的數(shù)據(jù)；(3)取自由車輛流為振動測源，啟動所述的 各個測點的傳感器以讀取所述的各個測點的振動頻率及振幅信號，所述的傳感器將所述的捕 捉信號輸出給一個用于捕捉所述的振動頻率及振幅信號的數(shù)據(jù)采集儀，所述的數(shù)據(jù)采集儀將 所述的捕捉信號輸出給一個用于接收并過濾所述的捕捉信號的一個低通濾波器，所述的低通 濾波器輸出所述的過濾信號給一個用于接收所述的過濾信號并將該信號轉換為數(shù)字信號的一 個擴展箱，所述的擴展箱將所述的數(shù)字信號輸出給一個計算機，所述的計算機對來自擴展箱 的數(shù)字信號進行記錄，記錄時間為20秒，并且每一測點的測試次數(shù)為21次；(4)變換所述的 步驟(2)中的測試區(qū)段，重復步驟(2)和(3)直至結束；(5〉采用所述的歩驟(3)中的計算機對其記錄的信號進行處理以識別測試橋的在每個檢測點處的振型坐標，采用以上方法 檢測斜拉橋二階豎向彎曲振型(與塔有關)固有頻率為0.622559，采用有限元計算斜拉橋 二階豎向彎曲振型(與塔有關)固有頻率為0.633284，實測值與計算值誤差為-1.69%。實施例2(1)在橋跨中選擇距跨中l(wèi)米部位作為參考測點，在該測點分別設置橫向、縱向、豎向 傳感器；(2)將全橋分區(qū)段并同時在橋面左右兩側測試，每個測試區(qū)段選擇40個測試位置， 在橋面左右兩側每個測試位置分別設置橫向、縱向、豎向傳感器，每個區(qū)段在記錄測試位置 傳感器數(shù)據(jù)的同時均同時記錄參考測點傳感器的數(shù)據(jù)；(3)取自由車輛流為振動測源，啟動 所述的各個測點的傳感器以讀取所述的各個測點的振動頻率及振幅信號，所述的傳感器將所 述的捕捉信號輸出給一個用于捕捉所述的振動頻率及振幅信號的數(shù)據(jù)采集儀，所述的數(shù)據(jù)采 集儀將所述的捕捉信號輸出給一個用于接收并過濾所述的捕捉信號的一個低通濾波器，所述 的低通濾波器輸出所述的過濾信號給一個用于接收所述的過濾信號并將該信號轉換為數(shù)字信 號的一個擴展箱，所述的擴展箱將所述的數(shù)字信號輸出給一個計算機，所述的計算機對來自 擴展箱的數(shù)字信號進行記錄,記錄時間為60秒，并且每一測點的測試次數(shù)為25次；(4)變換 所述的步驟(2)中的測試區(qū)段，重復步驟(2)和(3)直至結束；(5)采用所述的步驟(3) 中的計算機對其記錄的信號進行處理以識別測試橋的在每個檢測點處的振型坐標，采用以上 方法檢測斜拉橋一階豎向彎曲振型固有頻率為0.427246，采用有限元計算斜拉橋一階豎向 彎曲振型固有頻率為0. 439956，實測值與計算值誤差為-2. 899%。實施例3 .(1)在橋跨中選擇邊跨跨中部位作為參考測點，在該測點分別設置橫向、縱向、豎向傳 感器；(2)將全橋分區(qū)段并同時在橋面左右兩側測試，每個測試區(qū)段選擇44個測試位置，在橋面左右兩側每個測試位置分別設置橫向、縱向、豎向傳感器，每個區(qū)段在記錄測試位置傳 感器數(shù)據(jù)的同時均同時記錄參考測點傳感器的數(shù)據(jù)；(3)取自由車輛流為振動測源，啟動所 述的各個測點的傳感器以讀取所述的各個測點的振動頻率及振幅信號，所述的傳感器將所述 的捕捉信號輸出給一個用于捕捉所述的振動頻率及振幅信號的數(shù)據(jù)采集儀，所述的數(shù)據(jù)采集 儀將所述的捕捉信號輸出給一個用于接收并過濾所述的捕捉信號的一個低通濾波器，所述的 低通濾波器輸出所述的過濾信號給一個用于接收所述的過濾信號并將該信號轉換為數(shù)字信號 的一個擴展箱，所述的擴展箱將所述的數(shù)字信號輸出給一個計算機，所述的計算機對來自擴 展箱的數(shù)字信號進行記錄，記錄時間為40秒，并且每一測點的測試次數(shù)為25次；(4)變換所 述的步驟(2)中的測試區(qū)段，重復步驟(2)和(3)直至結束；(5)采用所述的步驟(3) 中的計算機對其記錄的信號進行處理以識別測試橋的在每個檢測點處的振型坐標，采用以上 方法檢測斜拉橋一階橫向彎曲振型固有頻率為0.264205，采用有限元計算斜拉橋一階橫向 彎曲振型固有頻率為0. 294864，實測值與計算值誤差為-10. 399%。實施例4(1)在橋跨中選擇邊跨跨中部位作為參考測點，在該測點分別設置橫向、縱向、豎向傳 感器；(2)將全橋分區(qū)段并同時在橋面左右兩側測試，每個測試區(qū)段選擇60個測試位置，在 橋面左右兩側每個測試位置分別設置橫向、縱向、豎向傳感器，每個區(qū)段在記錄測試位置傳 感器數(shù)據(jù)的同時均同時記錄參考測點傳感器的數(shù)據(jù)；(3)取自由車輛流為振動測源，啟動所 述的各個測點的傳感器以讀取所述的各個測點的振動頻率及振幅信號，所述的傳感器將所述 的捕捉信號輸出給一個用于捕捉所述的振動頻率及振幅信號的數(shù)據(jù)采集儀，所述的數(shù)據(jù)采集 儀將所述的捕捉信號輸出給一個用于接收并過濾所述的捕捉信號的一個低通濾波器，所述的 低通濾波器輸出所述的過濾信號給一個用于接收所述的過濾信號并將該信號轉換為數(shù)字信號 的一個擴展箱，所述的擴展箱將所述的數(shù)字信號輸出給一個計算機，所述的計算機對來自擴 展箱的數(shù)字信號進行記錄，記錄時間為40秒，并且每一測點的測試次數(shù)為25次；(4)變換所述的步驟(2)中的測試區(qū)段，重復步驟(2)和(3)直至結束；(5)采用所述的步驟(3) 中的計算機對其記錄的信號進行處理以識別測試橋的在每個檢測點處的振型坐標，采用以上方法檢測斜拉橋二階橫向彎曲振型固有頻率為0.678325，采用有限元計算斜拉橋二階橫向 彎曲振型固有頻率為0. 654182，實測值與計算值誤差為3. 69%。
權利要求
1. 正常交通流下斜拉橋模態(tài)參數(shù)測定裝置，其特征在于它包括多個布置在橋面眾多檢測點的用于采集并輸出振動頻率、幅值信號的多個超低頻傳感器；一個用于捕捉所述傳感器輸出信號的數(shù)據(jù)采集儀；一個用于接收、過濾所述捕捉信號并將該過濾信號輸出的一個低通濾波器；一個用于接收所述的過濾信號并將該信號轉換成數(shù)字信號輸出的一個擴展箱；一個用于接收所述擴展箱的數(shù)字信號并對該信號進行處理以識別測試橋固有頻率及每個檢測點處振型坐標的一個預置有數(shù)據(jù)采集分析軟件的計算機。
2. 根據(jù)權利要求1所述的正常交通流下斜拉橋模態(tài)參數(shù)測定裝置，其特征在于所述的 低通濾波器的截止頻率設置為IOHZ。
3. —種正常交通流下斜拉橋模態(tài)參數(shù)測定方法，其特征在于它包括以下步驟(1) 在橋跨中選擇對振動最敏感的測點作為參考測點，在該測點分別設置橫向、縱向、 豎向傳感器；(2) 由于所需傳感器數(shù)量巨大，可根據(jù)所擁有的傳感器數(shù)量，將全橋分區(qū)段并同時在 橋面左右兩側測試，每個測試區(qū)段選擇多個測試位置，在橋面左右兩側每個測試位置分別設 置橫向、縱向、豎向傳感器，每個區(qū)段在記錄測試位置傳感器數(shù)據(jù)的同時記錄參考測點傳感 器的數(shù)據(jù)；(3) 取自由車流為振動測源，啟動所述的各個測點的傳感器以讀取所述的各個測點的 振動頻率及振幅信號，所述的傳感器將所述的各個測點的信號輸出給一個用于捕捉所述的振 動頻率及振幅信號的數(shù)據(jù)采集儀，所述的數(shù)據(jù)采集儀將所述的捕捉信號輸出給一個用于接收 并過濾所述的捕捉信號的一個低通濾波器，所述的低通濾波器輸出所述的過濾信號給一個用 于接收所述的過濾信號并將該信號轉換為數(shù)字信號的一個擴展箱，所述的擴展箱將所述的數(shù) 字信號輸出給一個計算機，所述的計算機對來自擴展箱的數(shù)字信號進行記錄；(4) 變換所述的步驟(2)中的測試區(qū)段，重復步驟(2)和(3)直至結束；(5) 采用所述的步驟(3)中的計算機對其記錄的信號進行處理以識別測試橋的固有頻 率及在每個檢測點處的振型坐標。
4.根據(jù)權利要求3所述的正常交通流下斜拉橋模態(tài)參數(shù)測定方法，其特征在于所述的步驟(3)中每一信號記錄時間為20秒 60秒，并且每一測點的測試次數(shù)大于20次。
5. 根據(jù)權利要求3所述的正常交通流下斜拉橋模態(tài)參數(shù)測定方法，其特征在于所述 的步驟(2)中在橋面左右兩側設置的測試位置沿全橋對稱布置。
6. 根據(jù)權利要求3所述的正常交通流下斜拉橋模態(tài)參數(shù)測定方法，所述的計算機信號 處理包括以下步驟'(1)對各測點環(huán)境隨機振動頻率、幅值信號進行回放；(2) 對所有采集到的振動頻率、幅值信號進行自功率譜分析，并對參考測點處的信號 和每個其它測點處的信號進行互譜分析，然后根據(jù)所述的互譜分析作出相關系數(shù) 一頻率曲線以及相位差一頻率曲線；(3) 讀取所述的各測點的自功率譜分析結果以及相位差一頻率曲線中相位差值，然后 計算出所有測點處的信號對應的自功率譜密度并作出自功率譜密度曲線；(4) 找出參考測點信號所對應的自功率譜密度曲線上的包括峰值和峰值頻率的所有 峰值點；(5) 設定待研究的頻率范圍并設定在該范圍內有N個自功率譜密度峰值；(6) 設定循環(huán)次數(shù)為N;(7) 讀取所述的各測點對應的步驟(2)中的相關系數(shù)一頻率曲線中的相關系數(shù)值并 將該值與步驟(5)中待研究的頻率范圍比較以確定在此峰值頻率范圍內是否大 多數(shù)測點的隨機振動信號都相關；(8) 提取步驟(7)中相關系數(shù)值接近1 、橋面左右側參考測點的相位差為0°或180° 的信號，然后求出所述測點的頻率并繪制出振型圖；(9) 循環(huán)次數(shù)是否為N，如果為否，則返回步驟(6);(10) 若歩驟(9)中的結果為是，則根據(jù)步驟(8)中提取的信號計算M《N階固有頻 率；(11) 讀取所述的固有頻率值并計算出每個測點處的振型坐標；(12) 信號處理過程完成。
全文摘要
本發(fā)明公開了正常交通流下斜拉橋模態(tài)參數(shù)測定裝置及方法，包括以下步驟選擇參考測點，在該測點設置傳感器；將全橋每個測試區(qū)段選擇多個測試位置，每個區(qū)段在記錄測試位置傳感器數(shù)據(jù)的同時記錄參考測點傳感器的數(shù)據(jù)；取自由車流為振動測源，啟動所述的各個測點的傳感器并將其采集的信號依次傳遞給數(shù)據(jù)采集儀、低通濾波器、擴展箱、計算機，所述的計算機對來自擴展箱的數(shù)字信號進行記錄；變換的測試區(qū)段，重復測試及信號傳遞步驟直至結束；采用所述的計算機對其記錄的信號進行處理。采用本發(fā)明方法在不限制橋上交通的情況下，可以識別出斜拉橋使用多年后的模態(tài)參數(shù)，為營運中橋梁的振動測試提出了可行的方法。
文檔編號G01N19/00GK101266190SQ20081005290
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月25日 優(yōu)先權日2008年4月25日
發(fā)明者于立軍, 付曉敦, 劉文江, 劉旭鍇, 劉曉宇, 劉潤有, 云 吳, 宋廣君, 曹立松, 楊曉蓉, 王新岐, 王艷寧, 練象平, 苑紅凱, 訾建峰 申請人:天津市市政工程設計研究院