一種基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估方法與設(shè)備的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估方法與設(shè)備，其方法包括基于無參考點(diǎn)分塊沖擊的橋梁反分析的步驟與基于逐級(jí)沖擊加載的橋梁正分析的步驟，其中基于無參考點(diǎn)分塊沖擊的橋梁反分析的步驟用于快速排查出公路網(wǎng)中承載能力嚴(yán)重不足的中小型橋梁，基于逐級(jí)沖擊加載的橋梁正分析的步驟用于評(píng)估通過反分析排查的安全狀況較好橋梁的實(shí)際承載能力。其設(shè)備將測試與分析功能融為一體，主要包括車載液壓沖擊裝置，移動(dòng)液壓沖擊裝置，信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等，該設(shè)備應(yīng)用于橋梁的反分析與正分析。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了公路網(wǎng)中所有中小型橋梁低成本、高效率的檢測與評(píng)估。
【專利說明】
-種基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估方法與設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及橋梁檢測與評(píng)估領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估 方法與設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 近百年來，許多國家都在橋梁建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)取得了輝煌的成就。但與此同時(shí)橋梁損 壞甚至巧塌事故也在世界各地頻繁發(fā)生。運(yùn)些事故給人們生命及財(cái)產(chǎn)都造成了巨大的損 失，并造成了極其惡劣的社會(huì)影響，因此對(duì)橋梁及時(shí)進(jìn)行檢測與評(píng)估就顯得尤為重要。目前 對(duì)在用橋梁的檢測與評(píng)估主要存在兩方面的問題。
[0003] -方面中小型橋梁在公路網(wǎng)中占有很高比例，運(yùn)些橋梁由于資金、所在地域等條 件限制很難應(yīng)用傳統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)其及時(shí)的檢測與評(píng)估，因而導(dǎo)致很多橋梁出現(xiàn)漏檢、少檢， 運(yùn)將帶來很大的安全隱患。而基于橋梁整體結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)的檢測與評(píng)估方法需要同時(shí)獲得 整個(gè)橋面上所有測點(diǎn)的加速度反映，因而要在整個(gè)橋面布設(shè)大量傳感器，同時(shí)還要封閉交 通，成本高、效率低。為解決該難題，"一種基于分塊沖擊振動(dòng)測試的中小型橋梁快速檢測方 法"CN102353509B被提出。通過應(yīng)用該方法可W排查出公路網(wǎng)中承載能力嚴(yán)重不足的中小 型橋梁，為具有針對(duì)性的承載能力評(píng)估提供了對(duì)象。但該檢測方法仍存在缺陷，即在應(yīng)用中 需在各測試子塊交界處布設(shè)測點(diǎn)（參考點(diǎn)），從而導(dǎo)致測點(diǎn)布設(shè)不靈活，并且在同一參考點(diǎn) 處需要獲取兩不同子塊的加速度數(shù)據(jù)，測試效率還有待提高。
[0004] 在橋梁的承載能力評(píng)估方面，目前采用的手段主要有基于大型加載車輛的人工檢 測及基于環(huán)境振動(dòng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，然而運(yùn)兩種方法都有各自的缺陷?；诖笮图虞d車輛 的人工檢測在進(jìn)行荷載試驗(yàn)時(shí)需要在橋面進(jìn)行大型車輛的加載，運(yùn)就要求多個(gè)部口協(xié)調(diào)工 作，需調(diào)動(dòng)大量的人力，此外運(yùn)種荷載試驗(yàn)還存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。而基于環(huán)境振動(dòng)的結(jié)構(gòu) 健康監(jiān)測主要利用風(fēng)、海浪、車流等外界自然條件激勵(lì)橋梁，無需激勵(lì)設(shè)備，不影響結(jié)構(gòu)的 正常使用，其目前已在世界范圍內(nèi)的眾多大跨橋梁上獲得應(yīng)用，如美國金口大橋、英國 Humber大橋、蘇通大橋等。但運(yùn)種監(jiān)測方法通常需要在橋上布設(shè)大量傳感器，采用相對(duì)昂貴 的監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述現(xiàn)有方法與技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢 測評(píng)估方法與設(shè)備，目的在于實(shí)現(xiàn)公路網(wǎng)中所有中小型橋梁低成本、高效率的檢測與評(píng)估。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0007] -種基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估方法，包括基于無參考點(diǎn)分塊沖擊的橋梁反分 析的步驟與基于逐級(jí)沖擊加載的橋梁正分析的步驟，其中基于無參考點(diǎn)分塊沖擊的橋梁反 分析的步驟用于快速排查出公路網(wǎng)中承載能力嚴(yán)重不足的中小型橋梁，基于逐級(jí)沖擊加載 的橋梁正分析的步驟用于評(píng)估通過反分析排查的安全狀況較好橋梁的實(shí)際承載能力。
[000引所述基于無參考點(diǎn)分塊沖擊的橋梁反分析的步驟中采用無參考點(diǎn)分塊沖擊測試， 具體為:將橋梁整體結(jié)構(gòu)分成若干子塊，其中不同子塊的沖擊點(diǎn)與測點(diǎn)位置選取相互獨(dú)立， 之后對(duì)每個(gè)子塊的沖擊點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)沖擊，同時(shí)采集各子塊沖擊力時(shí)程數(shù)據(jù)與測點(diǎn)的加速度 時(shí)程數(shù)據(jù)。
[0009] 所述基于逐級(jí)沖擊加載的橋梁正分析的步驟中采用基于無參考點(diǎn)分塊沖擊的整 體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別方法，具體為:子塊頻響函數(shù)估計(jì)，子塊模態(tài)參數(shù)識(shí)別，子塊模態(tài)振型縮放 調(diào)整，子塊模態(tài)振型方向判別，整體結(jié)構(gòu)柔度矩陣計(jì)算。
[0010] 所述的基于無參考點(diǎn)分塊沖擊的整體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別方法中，子塊模態(tài)振型縮放調(diào) 整時(shí)，W子塊Si的模態(tài)振型縮放程度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行所有子塊模態(tài)振型的縮放調(diào)整，采用的公 式為：
[0011]

[001。式中:?(終j、(妒-}分別為子塊S迪模態(tài)振型縮放調(diào)整前后的第r階模態(tài)振型，錶'為 子塊Sk在模態(tài)振型縮放調(diào)整前的第r階模態(tài)振型縮放系數(shù)，公Si為子塊Si的第r階模態(tài)振型縮 放系數(shù)，妒為子塊Sk的第r階模態(tài)振型方向系數(shù)(皆=+1或於二-1);之后將縮放調(diào)整后 所有子塊Sl，S2, ? ? ?，Sk，? ? ?，Sn的模態(tài)振型集成為橋梁整體結(jié)構(gòu)模態(tài)振型，采用的公 式為：
[0013]
[0014] 式中：(是}為按子塊Si的模態(tài)振型縮放程度確定的橋梁整體結(jié)構(gòu)第r階模態(tài)振型。
[0015] 所述的基于無參考點(diǎn)分塊沖擊的整體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別方法中，整體結(jié)構(gòu)柔度矩陣計(jì) 算時(shí)，先計(jì)算橋梁整體結(jié)構(gòu)勢能，然后取其中最小勢能對(duì)應(yīng)的各子塊的模態(tài)振型方向系數(shù)， 基于該系數(shù)得到橋梁整體結(jié)構(gòu)模態(tài)振型，其中包含各子塊模態(tài)振型方向系數(shù)的橋梁整體結(jié) 構(gòu)勢能表達(dá)式為：
[0016]
[0017] 式中：IIp為橋梁整體結(jié)構(gòu)勢能，?(/Stj表示任意子塊Sk中的節(jié)點(diǎn)荷載向量入為第r 階系統(tǒng)極點(diǎn)，與g，S|<分別為、與谷,Si的共輛復(fù)數(shù)，m表示計(jì)算的最高階數(shù)。
[0018] 所述基于逐級(jí)沖擊加載的橋梁正分析的步驟中采用逐級(jí)沖擊加載試驗(yàn)，其包括： 沖擊加載點(diǎn)選取在計(jì)算靜載加載點(diǎn)處;令每個(gè)沖擊點(diǎn)上的最大沖擊荷載與對(duì)應(yīng)的計(jì)算靜載 相等;對(duì)沖擊荷載的施加進(jìn)行分級(jí)；將曉度控制截面上的加速度測點(diǎn)同時(shí)作為位移測點(diǎn)并 在其上布設(shè)位移傳感器，測量沖擊荷載作用下各位移測點(diǎn)的最大動(dòng)曉度，在沖擊加載結(jié)束 后，待橋梁穩(wěn)定，再測量位移測點(diǎn)的殘余曉度;根據(jù)最大動(dòng)曉度與靜曉度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，推得 橋梁在計(jì)算靜載作用下位移測點(diǎn)的真實(shí)靜曉度，通過位移測點(diǎn)的真實(shí)靜曉度與殘余曉度并 結(jié)合裂縫與基礎(chǔ)變位情況進(jìn)行橋梁承載能力評(píng)定。
[0019] -種基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估一體化設(shè)備，包括牽引車，GPS定位儀，信號(hào)發(fā) 送與采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，拖車，車載液壓沖擊裝置，車輪旋轉(zhuǎn)編碼器，激光測距儀，移 動(dòng)液壓沖擊裝置，無線加速度傳感器，無線位移傳感器；
[0020]其中，所述牽引車提供動(dòng)力，其上安裝有GPS定位儀，信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù) 分析系統(tǒng)；
[0021 ]所述拖車掛于牽引車后方，其上安裝有車載液壓沖擊裝置，車輪旋轉(zhuǎn)編碼器與激 光測距儀，并且用于運(yùn)輸若干臺(tái)移動(dòng)液壓沖擊裝置及無線加速度傳感器與無線位移傳感 器；
[0022] 所述車載液壓沖擊裝置固定于拖車的后部，采用無線控制方式，用于反分析中的 無參考點(diǎn)分塊沖擊測試；
[0023] 所述移動(dòng)液壓沖擊裝置采用無線控制方式，用于正分析中的逐級(jí)沖擊加載試驗(yàn)；
[0024] 所述信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)分別與移動(dòng)液壓沖擊裝置、車載液壓沖擊裝置采用無線 通信連接，用于發(fā)送、采集信號(hào)，發(fā)送的信號(hào)包括移動(dòng)液壓沖擊裝置的移動(dòng)指令與沖擊指 令，采集的信號(hào)包括車載液壓沖擊裝置的沖擊力時(shí)程數(shù)據(jù)，測點(diǎn)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)與位移數(shù) 據(jù)；
[0025] 所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)與信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)連接，利用內(nèi)嵌的基于無參考點(diǎn)分塊沖 擊的整體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別算法及相關(guān)的安全與承載能力評(píng)定準(zhǔn)則，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng) 化分析，快速輸出測試與評(píng)估結(jié)果；
[0026] 所述GPS定位儀、車輪旋轉(zhuǎn)編碼器、激光測距儀組成整個(gè)設(shè)備的定位與測距系統(tǒng)， 其中，所述GPS定位儀安裝在牽引車上，用于引導(dǎo)整個(gè)設(shè)備到達(dá)橋面各子塊，車輪旋轉(zhuǎn)編碼 器設(shè)置于拖車的車輪上，激光測距儀設(shè)置于拖車上，車輪旋轉(zhuǎn)編碼器與激光測距儀分別用 于確定測點(diǎn)及沖擊點(diǎn)在橋面縱向與橫向的精確位置；
[0027] 所述無線加速度傳感器用于獲取加速度測點(diǎn)的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，無線位移傳感器 用于獲取位移測點(diǎn)的動(dòng)曉度與殘余曉度數(shù)據(jù)。
[0028] 進(jìn)一步的，所述車載液壓沖擊裝置包括信號(hào)發(fā)送與接收器，第一控制器，第一油 累，第一副液壓缸，滑動(dòng)軸，第一主液壓缸，第一質(zhì)量塊，第一橡膠緩沖塊，第一加載板，第一 承載盤;其中，信號(hào)發(fā)送與接收器用于接收沖擊指令與發(fā)送沖擊力時(shí)程數(shù)據(jù);第一控制器與 信號(hào)發(fā)送與接收器連接，用于控制第一油累的開關(guān);第一油累分別與第一主液壓缸和第一 副液壓缸連接，用于給第一主液壓缸和第一副液壓缸提供動(dòng)力；第一主液壓缸用于提升放 置于其頂部的第一質(zhì)量塊;第一副液壓缸設(shè)置于拖車之上，用于提升設(shè)置于拖車的矩形開 口內(nèi)的第一加載板，拖車的矩形開口設(shè)置于拖車板位于車載液壓沖擊裝置正下方的位置； 第一加載板沿滑動(dòng)軸上下移動(dòng)，其上設(shè)置有第一橡膠緩沖塊，第一橡膠緩沖塊用于承載第 一質(zhì)量塊的沖擊;滑動(dòng)軸為第一加載板提供垂直運(yùn)動(dòng)軸;第一承載盤設(shè)置于第一加載板的 下方，用于將沖擊荷載傳遞至橋面。
[0029] 進(jìn)一步的，所述移動(dòng)液壓沖擊裝置包括信號(hào)接收器，第二控制器，第二油累，第二 副液壓缸，第二主液壓缸，第二質(zhì)量塊，第二橡膠緩沖塊，第二加載板，第二承載盤，驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)；其中，信號(hào)接收器用于接收移動(dòng)及沖擊指令，第二控制器與信號(hào)接收器連接，用于控制 第二油累的開關(guān)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);第二油累分別與第二主液壓缸和第二副液壓缸連接，用于給 第二主液壓缸和第二副液壓缸提供動(dòng)力;第二主液壓缸用于提升放置于其頂部的第二質(zhì)量 塊;第二副液壓缸設(shè)置于移動(dòng)液壓沖擊裝置底部框架之上，用于提升第二加載板;第二加載 板之上設(shè)置有第二橡膠緩沖塊，第二橡膠緩沖塊用于承載第二質(zhì)量塊的沖擊;第二承載盤 用于將沖擊荷載傳遞至橋面;驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)位于整個(gè)移動(dòng)液壓沖擊裝置的底部，用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng) 液壓沖擊裝置的自動(dòng)移動(dòng)。
[0030] 有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0031] (1)本發(fā)明提供的一種基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估方法，在橋梁反分析階段實(shí) 現(xiàn)了在公路網(wǎng)中快速排查出承載能力嚴(yán)重不足的橋梁，避免了由于資金、人員等不足導(dǎo)致 橋梁漏檢、少檢帶來的安全隱患，而在橋梁正分析階段彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測與監(jiān)測方法的缺陷， 實(shí)現(xiàn)了高效、安全、低成本的橋梁承載能力評(píng)估。
[0032] (2)本發(fā)明中的基于無參考點(diǎn)分塊沖擊的整體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別方法，較傳統(tǒng)的基于 橋梁整體結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)的柔度識(shí)別方法大大減少了所需傳感器數(shù)目，并且測試中不需要封 閉交通，而與基于有參考點(diǎn)分塊沖擊的整體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別方法相比其測點(diǎn)布設(shè)更加靈活， 且每個(gè)測點(diǎn)只需獲得本子塊的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，測試效率更高。
[0033] (3)本發(fā)明中的逐級(jí)沖擊加載試驗(yàn)，與傳統(tǒng)的基于大型加載車輛的靜載試驗(yàn)相比， 沒有車輛軸距的限制，所需人員少，效率高，更安全，而與基于環(huán)境振動(dòng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測相 比成本低，操作簡便。
[0034] (4)本發(fā)明提出的一體化設(shè)備將測試與分析功能融為一體，自動(dòng)化程度高，造作方 便，可W快速高效地實(shí)現(xiàn)基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估。
【附圖說明】
[0035] 圖1是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中所述的無參考點(diǎn)分塊沖擊測試與整體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別 過程示意圖；
[0036] 圖2a-圖2c是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中所述的一體化設(shè)備的示意圖；其中圖2a為整 體設(shè)備的示意圖，圖2b為移動(dòng)液壓沖擊裝置一個(gè)角度的示意圖，圖2c為移動(dòng)液壓沖擊裝置 另一個(gè)角度的示意圖；
[0037] 圖3是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中所述的基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估流程圖；
[0038] 圖4是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中所述的橋梁子塊劃分及測點(diǎn)與沖擊點(diǎn)位置選取示意 圖；
[0039] 圖5是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中所述的勢能排序折線圖；
[0040] 圖6是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中所述的勢能比較折線圖；
[0041 ]圖7是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中所述的前6階模態(tài)振型縮放調(diào)整示意圖；
[0042] 圖8是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中所述的預(yù)測曉度折線圖；
[0043] 圖2a-圖2c中：1一牽引車，2-GPS定位儀，3-信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)，4-數(shù)據(jù)分析 系統(tǒng)，5-拖車，6-車載液壓沖擊裝置，6.1-信號(hào)發(fā)送與接收器，6.2-第一控制器，6.3- 第一油累，6.4-第一副液壓缸，6.5-滑動(dòng)軸，6.6-第一主液壓缸，6.7-第一質(zhì)量塊， 6.8-第一橡膠緩沖塊，6.9-第一加載板，6.10-第一承載盤，7-車輪旋轉(zhuǎn)編碼器，8-激 光測距儀，9-移動(dòng)液壓沖擊裝置，9.1-信號(hào)接收器，9.2-第二控制器，9.3-第二油累， 9.4-第二副液壓缸，9.5-第二主液壓缸，9.6-第二質(zhì)量塊，9.7-第二橡膠緩沖塊，9.8- 第二加載板，9.9-第二承載盤，9.10-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，10-無線加速度傳感器，11-無線位移傳 感器。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0045] 本發(fā)明主要采用沖擊振動(dòng)的方式，首先對(duì)公路網(wǎng)中所有中小型橋梁進(jìn)行基于無參 考點(diǎn)分塊沖擊的橋梁反分析，快速排查出其中承載能力嚴(yán)重不足的橋梁，再對(duì)通過排查的 安全狀況較好的橋梁進(jìn)行基于逐級(jí)沖擊加載的橋梁正分析，經(jīng)濟(jì)高效地確定其實(shí)際承載能 力是否滿足要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了完整的橋梁檢測與評(píng)估?；谏鲜鲞^程本發(fā)明共包含四個(gè)部 分。
[0046] -、無參考點(diǎn)分塊沖擊測試與基于無參考點(diǎn)分塊沖擊的整體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別方法
[0047] 為實(shí)現(xiàn)快速排查出公路網(wǎng)中承載能力嚴(yán)重不足的中小型橋梁，本發(fā)明提出了無參 考點(diǎn)分塊沖擊測試與基于無參考點(diǎn)分塊沖擊的整體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別方法。其中的整體結(jié)構(gòu)柔 度識(shí)別方法包含子塊頻響函數(shù)估計(jì)，子塊模態(tài)參數(shù)識(shí)別，子塊模態(tài)振型縮放調(diào)整，子塊模態(tài) 振型方向判別，整體結(jié)構(gòu)柔度矩陣計(jì)算。圖1中W包含3個(gè)子塊的具有7個(gè)自由度的懸臂梁為 例，展示了無參考點(diǎn)分塊沖擊測試與整體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別過程，其具體內(nèi)容包括：
[0048] (1巧參考點(diǎn)分塊沖擊測試
[0049] 根據(jù)橋梁規(guī)模及測試精度，將橋梁整體結(jié)構(gòu)分成子塊Si,子塊S2, ???，子塊 Sk, ???，子塊Sn,并安排每個(gè)子塊的沖擊點(diǎn)及測點(diǎn)位置，其中不同子塊的沖擊點(diǎn)與測點(diǎn)位 置選取相互獨(dú)立。之后對(duì)一個(gè)子塊內(nèi)的一個(gè)沖擊點(diǎn)進(jìn)行沖擊，同時(shí)采集沖擊力時(shí)程數(shù)據(jù)與 子塊中所有測點(diǎn)的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，一點(diǎn)沖擊完成后，進(jìn)行同子塊中其他沖擊點(diǎn)的沖擊從 而完成一個(gè)子塊的沖擊測試。重復(fù)上述工作對(duì)其余子塊依次進(jìn)行沖擊測試，最終完成全橋 的沖擊測試工作。
[0050] (2)子塊頻響函數(shù)估計(jì)
[0051] 對(duì)每個(gè)子塊的沖擊力時(shí)程數(shù)據(jù)與測點(diǎn)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗、濾波后，分別估 計(jì)各子塊的頻響函數(shù)勒S (似)，巧;.(似)，…，W.;(w)，…，貨S.(似)。
[0052] (3)子塊模態(tài)參數(shù)識(shí)別
[0053] 根據(jù)各子塊的頻響函數(shù)，采用模態(tài)參數(shù)識(shí)別算法(如CMIF法、PolyMAX法等)分別識(shí) 別各子塊的模態(tài)參數(shù)，對(duì)任意子塊Sk識(shí)別出的參數(shù)包括:第r階模態(tài)振型[為S與對(duì)應(yīng)的頻率 仍？、阻尼比發(fā)、模態(tài)縮放系數(shù)巧、系統(tǒng)極點(diǎn);I產(chǎn)，其中r = l，2, ? ? ?，m。
[0054] (4)子塊模態(tài)振型縮放調(diào)整
[0055] 由于在同階頻率下各子塊的模態(tài)振型縮放比例不同，在融合子塊的模態(tài)振型時(shí)， 需采用統(tǒng)一縮放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每個(gè)子塊的模態(tài)振型進(jìn)行縮放調(diào)整。首先選取任意子塊Sk,根據(jù)結(jié) 構(gòu)在同階時(shí)的留數(shù)矩陣在模態(tài)振型縮放調(diào)整前后保持不變，得到：
[0化6]
(I)
[0化7]式中：(滬}、產(chǎn)}分別為子塊Sk在模態(tài)振型縮放調(diào)整前后的第r階模態(tài)振型，
、貧f分別為子塊Sk在模態(tài)振型縮放調(diào)整前后的第r階模態(tài)振型縮放系數(shù)。然后設(shè)模態(tài)振 型縮放i固藍(lán)完漸-即：
[0化引 （2)
[0059] 令所有子塊均W子塊Si的縮放水平為標(biāo)準(zhǔn)，即：
[0060]
(3)
[0061 ] 將公式(2)、（3)代入公式（1)可得：
[0062]
(4；
[00創(chuàng)式中：於為子塊Sk的第r階模態(tài)振型方向系數(shù)，於=+1或?滬=-1。將公式(4)代 入公式(2)中可得：
[0064]
(5)
[0065] 將每個(gè)子塊的模態(tài)振型都按上述過程進(jìn)行縮放調(diào)整，可得縮放調(diào)整后的整體結(jié)構(gòu) 模態(tài)振型為：
[0066]
(6)
[0067] (5)子塊模態(tài)振型方向判別
[0068] 模態(tài)振型縮放調(diào)整后，模態(tài)振型方向系數(shù)的正負(fù)還無法確定，因而在融合子塊的 模態(tài)振型前還需要判別各子塊模態(tài)振型的方向。由最小勢能原理，可知正確的模態(tài)振型方 向所對(duì)應(yīng)的位移能使整體結(jié)構(gòu)的勢能取得最小值，因此最小勢能所對(duì)應(yīng)的各子塊的模態(tài)振 型方向系數(shù)即為真實(shí)值。基于該真實(shí)值便可完全確定縮放調(diào)整后各子塊的模態(tài)振型，之后 經(jīng)過集成便可W獲得正確的整體結(jié)構(gòu)模態(tài)振型。首先引入整體結(jié)構(gòu)勢能表達(dá)式：
[0069]
(7)
[0070] 式中：IIp為整體結(jié)構(gòu)的勢能，[K]為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，{5}為結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移向量， If}為結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)荷載向量。而在結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移的表達(dá)式為：
[0071] {S} =巧]{f} (8)
[0072] 式中：[F]為整體結(jié)構(gòu)的柔度矩陣，其表達(dá)式為：
[0073；
' 9)
[0074] 式中：妍為側(cè)的共輛向量a:與妒分別為Ar與終I的共輛復(fù)數(shù)，m表示計(jì)算的最 高階數(shù)。將公式(8)、（9)代入公式(7)并整理得：
[0075]
UO
[0076] 由于橋梁結(jié)構(gòu)為小阻尼結(jié)構(gòu)，所識(shí)別的模態(tài)振型均為實(shí)振型，所= ，化 簡公式(10)得：
[0077； (11)
[0078；
[0079； (12；
[0080] 式中：?(/S'表示任意子塊Sk中的節(jié)點(diǎn)荷載向量。將公式(6)與公式（12)代入公式 (11)并展開得：
[0081]
(13
[0082] 通過公式（13)計(jì)算整體結(jié)構(gòu)勢能，該勢能最小值所對(duì)應(yīng)的各子塊的模態(tài)振型方向 系數(shù)即為真實(shí)值。
[0083] (6)整體結(jié)構(gòu)柔度矩陣計(jì)算
[0084] 得到各子塊的模態(tài)振型方向系數(shù)后，將其代入公式(6)便可獲得整體結(jié)構(gòu)的模態(tài) 振型，從而實(shí)現(xiàn)了各子塊模態(tài)振型的融合，再由公式(9)便可計(jì)算得出整體結(jié)構(gòu)的柔度矩 陣。通過該矩陣可W預(yù)測橋梁曉度，之后將曉度預(yù)測值與理論計(jì)算值進(jìn)行比較即可實(shí)現(xiàn)橋 梁安全排查。
[0085] 二、逐級(jí)沖擊加載試驗(yàn)
[0086] 對(duì)于通過反分析排查的安全狀況較好的橋梁，需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)際承載能 力評(píng)估。在承載能力評(píng)估中需要對(duì)橋梁施加荷載，本發(fā)明提出了逐級(jí)沖擊加載試驗(yàn)，用來實(shí) 現(xiàn)橋梁的加載。該試驗(yàn)主要包括：
[0087] (1)最大沖擊荷載選取
[0088] 逐級(jí)沖擊加載試驗(yàn)采用沖擊荷載代替?zhèn)鹘y(tǒng)的車輛靜載。沖擊加載點(diǎn)選取在計(jì)算靜 載加載點(diǎn)處，令每個(gè)沖擊加載點(diǎn)上的最大沖擊荷載與對(duì)應(yīng)的計(jì)算靜載相等。
[0089] (2)沖擊荷載分級(jí)
[0090] 為獲取沖擊荷載與其產(chǎn)生曉度的關(guān)系曲線W及防止結(jié)構(gòu)意外損傷，對(duì)沖擊荷載的 施加進(jìn)行分級(jí)。沖擊加載級(jí)數(shù)根據(jù)最大沖擊荷載與加載最小荷載增量而定。
[0091] (3)曉度測量
[0092] 將曉度控制截面上的加速度測點(diǎn)同時(shí)作為位移測點(diǎn)并在其上布設(shè)位移傳感器，測 量沖擊荷載作用下各位移測點(diǎn)的最大動(dòng)曉度，在沖擊加載結(jié)束后，待橋梁穩(wěn)定，再測量位移 測點(diǎn)的殘余曉度。
[0093] (4)結(jié)果分析
[0094] 根據(jù)最大動(dòng)曉度與靜曉度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，推得橋梁在計(jì)算靜載作用下位移測點(diǎn)的真 實(shí)靜曉度，通過位移測點(diǎn)的真實(shí)靜曉度與殘余曉度并結(jié)合裂縫與基礎(chǔ)變位情況進(jìn)行橋梁承 載能力評(píng)定。
[00M]=、基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估一體化設(shè)備
[0096] 為實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁的反分析與正分析，本發(fā)明提出了一種基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng) 估一體化設(shè)備，如圖2a-圖2c所示。該設(shè)備將測試與分析功能融為一體，包括牽引車1 ,GI^定 位儀2,信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)3,數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)4,拖車5,車載液壓沖擊裝置6,車輪旋轉(zhuǎn)編碼 器7，激光測距儀8，移動(dòng)液壓沖擊裝置9，無線加速度傳感器10，無線位移傳感器11;
[0097] 其中，所述牽引車1提供動(dòng)力，其上安裝有GI^定位儀2,信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)3及數(shù) 據(jù)分析系統(tǒng)4;
[0098] 所述拖車5掛于牽引車1后方，其上安裝有車載液壓沖擊裝置6，車輪旋轉(zhuǎn)編碼器7 與激光測距儀8,并且用于運(yùn)輸若干臺(tái)移動(dòng)液壓沖擊裝置9及無線加速度傳感器10與無線位 移傳感器11;
[0099] 所述車載液壓沖擊裝置6固定于拖車5的后部，采用無線控制方式，用于反分析中 的無參考點(diǎn)分塊沖擊測試；車載液壓沖擊裝置6包括信號(hào)發(fā)送與接收器6.1，第一控制器 6.2，第一油累6.3，第一副液壓缸6.4，滑動(dòng)軸6.5，第一主液壓缸6.6，第一質(zhì)量塊6.7，第一 橡膠緩沖塊6.8，第一加載板6.9，第一承載盤6.10;其中，信號(hào)發(fā)送與接收器6.1用于接收沖 擊指令與發(fā)送沖擊力時(shí)程數(shù)據(jù);第一控制器6.2與信號(hào)發(fā)送與接收器6.1連接，用于控制第 一油累6.3的開關(guān);第一油累6.3分別與第一主液壓缸6.6和第一副液壓缸6.4連接，用于給 第一主液壓缸6.6和第一副液壓缸6.4提供動(dòng)力；第一主液壓缸6.6用于提升放置于其頂部 的第一質(zhì)量塊6.7;第一副液壓缸6.4設(shè)置于拖車5之上，用于提升設(shè)置于拖車5的矩形開口 內(nèi)的第一加載板6.9，拖車5的矩形開口設(shè)置于拖車板位于車載液壓沖擊裝置6正下方的位 置;第一加載板6.9沿滑動(dòng)軸6.5上下移動(dòng)，其上設(shè)置有第一橡膠緩沖塊6.8，用于承載第一 質(zhì)量塊6.7的沖擊;滑動(dòng)軸6.5為第一加載板6.9提供垂直運(yùn)動(dòng)軸;第一承載盤6.10設(shè)置于第 一加載板6.9的下方，用于將沖擊荷載傳遞至橋面。
[0100] 所述移動(dòng)液壓沖擊裝置9采用無線控制方式，用于正分析中的逐級(jí)沖擊加載試驗(yàn)； 移動(dòng)液壓沖擊裝置9包括信號(hào)接收器9.1，第二控制器9.2，第二油累9.3，第二副液壓缸9.4， 第二主液壓缸9.5，第二質(zhì)量塊9.6，第二橡膠緩沖塊9.7，第二加載板9.8，第二承載盤9.9， 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)9.10;其中，信號(hào)接收器9.1用于接收移動(dòng)及沖擊指令，第二控制器9.2與信號(hào)接收 器9.1連接，用于控制第二油累9.3的開關(guān)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)9.10;第二油累9.3分別與第二主液壓 缸9.5和第二副液壓缸9.4連接，用于給第二主液壓缸9.5和第二副液壓缸9.4提供動(dòng)力;第 二主液壓缸9.5用于提升放置于其頂部的第二質(zhì)量塊9.6;第二副液壓缸9.4設(shè)置于移動(dòng)液 壓沖擊裝置9底部框架之上，用于提升第二加載板9.8;第二加載板9.8之上設(shè)置有第二橡膠 緩沖塊9.7，用于承載第二質(zhì)量塊9.6的沖擊;第二承載盤9.9用于將沖擊荷載傳遞至橋面； 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)9.10位于整個(gè)移動(dòng)液壓沖擊裝置9的底部，用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)液壓沖擊裝置9的自動(dòng)移 動(dòng)。
[0101] 所述信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)3分別與移動(dòng)液壓沖擊裝置9、車載液壓沖擊裝置6采用 無線通信連接，用于發(fā)送、采集信號(hào)，發(fā)送的信號(hào)包括移動(dòng)液壓沖擊裝置的移動(dòng)指令與沖擊 指令，采集的信號(hào)包括車載液壓沖擊裝置的沖擊力時(shí)程數(shù)據(jù)，測點(diǎn)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)與位移 數(shù)據(jù)；
[0102] 所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)4與信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)3連接，利用內(nèi)嵌的基于無參考點(diǎn)分塊 沖擊的整體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別算法及相關(guān)的安全與承載能力評(píng)定準(zhǔn)則，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自 動(dòng)化分析，快速輸出測試與評(píng)估結(jié)果；
[0103] 所述GPS定位儀2、車輪旋轉(zhuǎn)編碼器7、激光測距儀8組成整個(gè)設(shè)備的定位與測距系 統(tǒng)，其中，所述GPS定位儀2安裝在牽引車1上，用于引導(dǎo)整個(gè)設(shè)備到達(dá)橋面各子塊，車輪旋轉(zhuǎn) 編碼器7設(shè)置于拖車5的車輪上，激光測距儀8設(shè)置于拖車5上，車輪旋轉(zhuǎn)編碼器7與激光測距 儀8分別用于確定測點(diǎn)及沖擊點(diǎn)在橋面縱向與橫向的精確位置；
[0104] 所述無線加速度傳感器10用于獲取加速度測點(diǎn)的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，無線位移傳感 器11用于獲取位移測點(diǎn)的動(dòng)曉度與殘余曉度數(shù)據(jù)。
[0105] 四、基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估流程
[0106] 結(jié)合W上
【發(fā)明內(nèi)容】
一、二、=與相關(guān)評(píng)估方法形成了一套基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢 測評(píng)估流程，如圖3所示，該流程包含基于無參考點(diǎn)分塊沖擊的橋梁反分析與基于逐級(jí)沖擊 加載的橋梁正分析兩大階段，其主要步驟如下：
[0107] 步驟一:計(jì)算準(zhǔn)備
[0108] 首先根據(jù)公路等級(jí)確定設(shè)計(jì)荷載，進(jìn)而確定橋梁曉度控制截面與控制曉度的大 小。再由待測橋梁規(guī)模W及測試精度，合理劃分橋梁子塊，并安排沖擊點(diǎn)及加速度測點(diǎn)位 置。其中沖擊點(diǎn)應(yīng)選擇在結(jié)構(gòu)反映較敏感處，而加速度測點(diǎn)應(yīng)包含沖擊點(diǎn)且需包含曉度控 制截面上的點(diǎn)，運(yùn)些曉度控制截面上的加速度測點(diǎn)同時(shí)作為位移測點(diǎn)。之后確定計(jì)算靜載 作用點(diǎn)及大小，計(jì)算靜載作用點(diǎn)需在測點(diǎn)中選取并且宜選擇在控制截面曉度影響線的峰值 附近，其大小應(yīng)保證計(jì)算加載后控制截面上的曉度計(jì)算值滿足試驗(yàn)效率要求。
[0109] 步驟二:無參考點(diǎn)分塊沖擊測試
[0110] GPS定位儀引導(dǎo)一體化設(shè)備行駛至子塊橋面，利用車輪旋轉(zhuǎn)編碼器與激光測距儀 確定測點(diǎn)及沖擊點(diǎn)位置，并在測點(diǎn)上布設(shè)無線加速度傳感器。之后一體化設(shè)備中的信號(hào)發(fā) 送與采集系統(tǒng)向車載液壓沖擊裝置發(fā)出沖擊指令對(duì)沖擊點(diǎn)進(jìn)行沖擊，同時(shí)信號(hào)發(fā)送與采集 系統(tǒng)采集沖擊力時(shí)程數(shù)據(jù)與測點(diǎn)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)。一點(diǎn)沖擊完成后，進(jìn)行同子塊中其他沖 擊點(diǎn)的沖擊從而完成一個(gè)子塊的沖擊測試。按相同的方式對(duì)其余子塊依次進(jìn)行沖擊測試， 最終完成整個(gè)橋梁的沖擊測試工作。
[0111] 步驟=:基于無參考點(diǎn)分塊沖擊的整體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別
[0112] 根據(jù)每個(gè)子塊的沖擊力時(shí)程數(shù)據(jù)與測點(diǎn)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)估計(jì)各子塊的頻響函數(shù)， 再采用模態(tài)參數(shù)識(shí)別算法分別識(shí)別各子塊的模態(tài)參數(shù)，其中包括模態(tài)振型、頻率、阻尼比、 模態(tài)縮放系數(shù)、系統(tǒng)極點(diǎn)。之后進(jìn)行模態(tài)振型縮放調(diào)整，為判斷各子塊模態(tài)振型方向系數(shù)的 正負(fù)，通過公式（13)計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的勢能，其中勢能最小值所對(duì)應(yīng)的各子塊的模態(tài)振型方 向系數(shù)即為真實(shí)值。將該真實(shí)值代入公式(6)即可獲得整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型。再通過公式 (9)便可計(jì)算得到整體結(jié)構(gòu)的柔度矩陣。本步驟中的柔度識(shí)別算法已內(nèi)嵌到數(shù)據(jù)分析系統(tǒng) 之中，使用時(shí)不需要進(jìn)行人工計(jì)算。
[0113] 步驟四：橋梁安全狀況初判
[0114] 根據(jù)計(jì)算靜載與橋梁整體結(jié)構(gòu)的柔度矩陣預(yù)測控制截面上位移測點(diǎn)的曉度，并將 該曉度預(yù)測值與位移測點(diǎn)上的曉度計(jì)算值進(jìn)行比較。若預(yù)測值大于計(jì)算值，即校驗(yàn)系數(shù)C> 1，代表橋梁實(shí)際狀況較理論狀況要差，橋梁承載能力嚴(yán)重不足，反之，則認(rèn)為橋梁安全狀況 較好需進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)際承載能力評(píng)估。
[0115] 步驟五:橋梁檢測與檢算
[0116] 對(duì)安全狀況較好的橋梁，需進(jìn)一步考慮橋梁實(shí)際缺損、材質(zhì)狀況等因素對(duì)其承載 能力造成的影響。因此需要對(duì)橋梁相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行檢查與檢測。然后通過考慮上述指標(biāo)比較 作用效應(yīng)與抗力效應(yīng)，從而進(jìn)行檢算評(píng)定。當(dāng)作用效應(yīng)與抗力效應(yīng)的比值小于1時(shí)，判定承 載能力滿足要求，若比值大于1.2時(shí)，則判定承載能力不滿足要求，若該比值介于1.0至1.2 之間時(shí)，則應(yīng)進(jìn)行逐級(jí)沖擊加載試驗(yàn)。
[0117] 步驟六:制定逐級(jí)沖擊加載試驗(yàn)方案
[0118] 沖擊加載點(diǎn)選取在計(jì)算靜載加載點(diǎn)處，并令每個(gè)沖擊加載點(diǎn)上的最大沖擊荷載與 對(duì)應(yīng)的計(jì)算靜載相等。在加載試驗(yàn)中需對(duì)沖擊荷載的施加進(jìn)行分級(jí)，沖擊加載級(jí)數(shù)根據(jù)最 大沖擊荷載與加載最小荷載增量而定。
[0119] 步驟屯:進(jìn)行逐級(jí)沖擊加載試驗(yàn)
[0120] 將一體化設(shè)備行駛至沖擊加載點(diǎn)附近，并在位移測點(diǎn)布設(shè)無線位移傳感器。之后 信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)分別對(duì)各移動(dòng)液壓沖擊裝置發(fā)出移動(dòng)指令。當(dāng)各移動(dòng)液壓沖擊裝置都 到達(dá)沖擊加載點(diǎn)位置后，信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)同時(shí)向各臺(tái)移動(dòng)液壓沖擊裝置發(fā)出沖擊指 令，同時(shí)采集無線位移傳感器發(fā)送的位移測點(diǎn)動(dòng)曉度數(shù)據(jù)。一次加載結(jié)束后，逐級(jí)提高沖擊 荷載的大小，最終獲得最大沖擊荷載作用下控制截面上位移測點(diǎn)的最大動(dòng)曉度。沖擊加載 結(jié)束后，待橋梁穩(wěn)定，采集無線位移傳感器發(fā)送的位移測點(diǎn)殘余曉度值。在逐級(jí)沖擊加載試 驗(yàn)中還要檢查裂縫與基礎(chǔ)變位情況。
[0121] 步驟八:橋梁承載能力評(píng)定
[0122] 根據(jù)最大動(dòng)曉度與靜曉度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，推得橋梁在計(jì)算靜載作用下位移測點(diǎn)的真 實(shí)靜曉度，再計(jì)算荷載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)即真實(shí)靜曉度值與曉度計(jì)算值的比值及相對(duì)殘余曉度 值。如果出現(xiàn)校驗(yàn)系數(shù)C大于1;相對(duì)殘余曉度值n超過20 %;裂縫情況不良；基礎(chǔ)發(fā)生不穩(wěn)定 沉降中的一條，則判定承載能力不滿足要求。否則根據(jù)校驗(yàn)系數(shù)，再次確定檢算系數(shù)，并基 于該檢算系數(shù)比較作用效應(yīng)與抗力效應(yīng)。當(dāng)作用效應(yīng)與抗力效應(yīng)的比值小于1.05時(shí)，判定 橋梁承載能力滿足要求，否則判定承載能力不滿足要求。
[0123] 實(shí)施例
[0124] 下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)W此限制本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
[0125] W-座單跨簡支梁橋?yàn)槔?，如圖4所示，其跨徑為15.52m，整個(gè)橋面寬6.5m，為雙向 兩車道，車道兩側(cè)留有1.07m寬的人行道，橋面板下簡支梁間距為2.18m。根據(jù)本發(fā)明對(duì)該橋 進(jìn)行檢測與承載能力評(píng)估，并與傳統(tǒng)的基于橋梁整體結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)測試的結(jié)果進(jìn)行比較， 其步驟如下：
[0126] (I)計(jì)算準(zhǔn)備
[0127] 根據(jù)設(shè)計(jì)荷載確定橋梁跨中截面為曉度控制截面，該截面的控制曉度值為5.6mm。 然后將整個(gè)橋梁劃分為子塊Si與子塊S2。子塊Si包含加速度測點(diǎn)4，5，6，7，11，12，13，14，18， 19,20,21與沖擊點(diǎn)11，14,20;子塊52包含加速度測點(diǎn)1，2,3,8,9，10，15，16，17與沖擊點(diǎn)10， 16,17,其中10,11，14,16,17,20既作為加速度測點(diǎn)又作為沖擊點(diǎn)，而由于4,11，18在曉度控 制截面上，所W4,11，18既作為加速度測點(diǎn)又作為位移測點(diǎn)，橋梁子塊的劃分方式及測點(diǎn)與 沖擊點(diǎn)位置如圖4所示。根據(jù)跨中截面曉度影響線選取計(jì)算靜載加載點(diǎn)為11，12，18,19,其 對(duì)應(yīng)的計(jì)算靜載大小分別為150kN，50kN，150kN，50kN。計(jì)算靜載引起的跨中截面最大曉度 計(jì)算值為5.5mm，位于位移測點(diǎn)11處，其荷載效率滿足要求。
[0128] (2)無參考點(diǎn)分塊沖擊測試
[0129] 牽引車1上的GPS定位儀2引導(dǎo)一體化設(shè)備行駛至子塊Si橋面，利用拖車5上的車輪 旋轉(zhuǎn)編碼器7與激光測距儀8分別確定子塊Si的測點(diǎn)及沖擊點(diǎn)在橋面縱向與橫向的精確位 置，并在測點(diǎn)上布設(shè)無線加速度傳感器10。先對(duì)沖擊點(diǎn)14進(jìn)行沖擊，將車載液壓沖擊裝置6 移到?jīng)_擊點(diǎn)14位置，然后信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)3對(duì)車載液壓沖擊裝置6發(fā)出沖擊指令，車載 液壓沖擊裝置6上的信號(hào)發(fā)送與接收器6.1接收到?jīng)_擊指令，并將該指令傳遞到第一控制器 6.2，第一控制器6.2控制第一油累6.3先給第一副液壓缸6.4提供動(dòng)力，使第一承載盤6.10 沿滑動(dòng)軸6.5下落直至沖擊點(diǎn)橋面，之后再給第一主液壓缸6.6提供動(dòng)力，使第一主液壓缸 6.6帶動(dòng)第一質(zhì)量塊6.7到達(dá)預(yù)定高度，然后令第一質(zhì)量塊6.7自由下落，撞擊到第一加載板 6.9上的第一橡膠緩沖塊6.8，同時(shí)信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)3采集信號(hào)發(fā)送與接收器6.1發(fā)送的 沖擊力時(shí)程數(shù)據(jù)與無線加速度傳感器10發(fā)送的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)。14點(diǎn)沖擊結(jié)束后，再對(duì)20， 11點(diǎn)分別進(jìn)行沖擊，進(jìn)而完成子塊Si的沖擊測試。按相同的方式對(duì)子塊S2進(jìn)行沖擊測試，最 終完成整個(gè)橋梁的沖擊測試工作。
[0130] (3)基于無參考點(diǎn)分塊沖擊的整體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別
[0131] 信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)3將采集到的子塊Si、子塊S2的沖擊力時(shí)程數(shù)據(jù)與測點(diǎn)加速度 時(shí)程數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)4之中。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)4對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗、濾波，估計(jì)各子塊的頻 響函數(shù)，并采用CMIF法對(duì)得到的頻響函數(shù)作模態(tài)參數(shù)識(shí)別。識(shí)別出的兩個(gè)子塊前10階頻率 與相應(yīng)的阻尼比已列在表1中，同時(shí)由傳統(tǒng)的基于橋梁整體結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)測試得到的橋梁 整體結(jié)構(gòu)的頻率與阻尼比也列在表1中作為比較。從表1中可W看到同階時(shí)子塊與整體結(jié)構(gòu) 的頻率十分接近，說明參數(shù)識(shí)別比較準(zhǔn)確。
[0132] 表1前10階頻率與阻尼比的識(shí)別值
[0133]

[0134] 之后進(jìn)行模態(tài)振型縮放調(diào)整。由于子塊S2中的測點(diǎn)數(shù)少于子塊Si,所W W子塊Si的 縮放水平塊S2在模態(tài)振型縮放調(diào)整后的第r階模態(tài)振型為：
[0135]
[0136] 悠 h井仲A/A井而俱縮輸調(diào)聰巨的聰化結(jié)始模態(tài)振型為；
[0137]
[0138] 為確定巧!2的正負(fù)，在整體結(jié)構(gòu)每個(gè)測點(diǎn)上均作用化N的節(jié)點(diǎn)荷載，即：
[0139
[0140
[0141
[0142] 將節(jié)點(diǎn)荷載代入上式，計(jì)算整體結(jié)構(gòu)勢能。由于取10階模態(tài)振型，所W勢能值共有 2ie=i〇24種大小，該值已按從小到大的順序表示在圖5中。其中最小勢能對(duì)應(yīng)的子塊S2的模 態(tài)振型方向系數(shù)即為真實(shí)值。由該真實(shí)值即可確定子塊S2在模態(tài)振型縮放調(diào)整后的第r階 模態(tài)振型。根據(jù)縮放調(diào)整后的模態(tài)振型逐階計(jì)算整體結(jié)構(gòu)勢能并與由傳統(tǒng)的基于橋梁整體 結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)測試方法計(jì)算得到的勢能值在圖6中進(jìn)行比較。在圖6中可W看出當(dāng)模態(tài)階數(shù) 為即寸，勢能已經(jīng)收斂。圖7中列出了子塊S2前6階模態(tài)振型的縮放調(diào)整情況。引入按前6階計(jì) 算的整體結(jié)構(gòu)柔度矩陣如下：
[0143]
[0144] 按上式計(jì)算可得[F]。
[0145] (4)橋梁安全狀況初判
[0146] 在點(diǎn)ll，12，18，19上分別作用150kN，50kN，150kN，50kN的計(jì)算靜載，通過上述柔度 矩陣，即可得到各測點(diǎn)的曉度預(yù)測值。為了進(jìn)一步展示本發(fā)明中曉度預(yù)測的準(zhǔn)確度，還計(jì)算 了由前1階，前2階模態(tài)參數(shù)得到的柔度矩陣，并分別預(yù)測了其對(duì)應(yīng)的曉度，將運(yùn)=個(gè)曉度預(yù) 測結(jié)果與由傳統(tǒng)的基于橋梁整體結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)測試方法在相同計(jì)算荷載作用下得到的曉 度預(yù)測值進(jìn)行比較，如圖8所示，從中可W看出隨著階數(shù)的增加曉度預(yù)測結(jié)果與整體結(jié)構(gòu)沖 擊測試得到的結(jié)果趨于一致，證明本發(fā)明中的柔度識(shí)別方法是準(zhǔn)確的。取前6階計(jì)算得出的 曉度作為預(yù)測值，在跨中截面最大曉度預(yù)測值為5.4mm，位于位移測點(diǎn)11處。由于該預(yù)測值 小于曉度計(jì)算值5.5mm，估計(jì)橋梁實(shí)際狀況好于理論狀況，對(duì)橋梁進(jìn)行進(jìn)一步的承載能力評(píng) 估。
[0147] (5)橋梁檢測與檢算
[0148] 對(duì)橋梁的實(shí)際缺損、材質(zhì)狀況等情況進(jìn)行檢查與檢測，其內(nèi)容主要包括:橋梁缺損 狀況、幾何形態(tài)、恒載變異狀況、材質(zhì)強(qiáng)度、鋼筋腐蝕情況、混凝上氯離子含量、混凝上電阻 率、混凝±碳化狀況、鋼筋保護(hù)層厚度、結(jié)構(gòu)自振頻率、基礎(chǔ)與地基狀況、實(shí)際運(yùn)營荷載狀況 等。由上述檢查與檢測結(jié)果得到了各指標(biāo)的評(píng)定標(biāo)度，進(jìn)而得到承載能力檢算系數(shù)、承載能 力惡化系數(shù)、混凝±結(jié)構(gòu)截面折減系數(shù)、鋼筋截面折減系數(shù)、活載影響修正系數(shù)?？紤]上述 系數(shù)后跨中截面彎矩抗力值為9795kN ? m，彎矩效應(yīng)值為10092kN ? m;兩端支座處剪力抗力 值為1255kN，剪力效應(yīng)值為1311kN，由于荷載作用效應(yīng)與抗力效應(yīng)的比值在1.0至1.2之間 時(shí)，則應(yīng)進(jìn)行逐級(jí)沖擊加載試驗(yàn)。
[0149] (6)制定逐級(jí)沖擊加載試驗(yàn)方案
[0150] W計(jì)算靜載加載點(diǎn)11，12,18,19作為沖擊加載點(diǎn)，且每個(gè)沖擊加載點(diǎn)上的最大沖 擊荷載與對(duì)應(yīng)的計(jì)算靜載相等，即分別為150kN，50kN，150kN，50kN。沖擊加載共分為5級(jí)，其 中11與18點(diǎn)加載大小依次為30kN，60kN，90kN，120kN，150kN，12與19點(diǎn)加載大小依次為 1OkN，20kN，30kN，40kN，50kN。
[0151] (7)進(jìn)行逐級(jí)沖擊加載試驗(yàn)
[0152] -體化設(shè)備行駛至沖擊加載點(diǎn)11，12，18，19附近，并在位移測點(diǎn)4，11，18上布設(shè)無 線位移傳感器11，再將拖車5上的4臺(tái)移動(dòng)液壓沖擊裝置9移至地面。之后信號(hào)發(fā)送與采集系 統(tǒng)3分別對(duì)4臺(tái)移動(dòng)液壓沖擊裝置9發(fā)出移動(dòng)指令，移動(dòng)液壓沖擊裝置9上的信號(hào)接收器9.1 接收到移動(dòng)指令，并將該指令傳遞到第二控制器9.2，第二控制器9.2控制移動(dòng)液壓沖擊裝 置9下部的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)9.10,使4臺(tái)移動(dòng)液壓沖擊裝置9分別到達(dá)指定沖擊加載點(diǎn)。然后信號(hào)發(fā) 送與采集系統(tǒng)3同時(shí)對(duì)4臺(tái)移動(dòng)液壓沖擊裝置9發(fā)出沖擊指令，信號(hào)接收器9.1接收到?jīng)_擊指 令，并將該指令傳遞到第二控制器9.2，第二控制器9.2控制第二油累9.3先給第二副液壓缸 9.4提供動(dòng)力，使第二承載盤9.9下落直至沖擊加載點(diǎn)橋面，之后再給第二主液壓缸9.5提供 動(dòng)力，使第二主液壓缸9.5帶動(dòng)第二質(zhì)量塊9.6到達(dá)預(yù)定高度，然后令第二質(zhì)量塊9.6自由下 落，撞擊到第二加載板9.8上的第二橡膠緩沖塊9.7，同時(shí)信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)3采集無線位 移傳感器11發(fā)送的位移測點(diǎn)動(dòng)曉度數(shù)據(jù)。之后逐級(jí)提高沖擊荷載的大小，最終獲得最大沖 擊荷載作用下控制截面上位移測點(diǎn)的最大動(dòng)曉度。沖擊加載結(jié)束后，待橋梁穩(wěn)定，信號(hào)發(fā)送 與采集系統(tǒng)3再采集無線位移傳感器11發(fā)送的位移測點(diǎn)殘余曉度值。在逐級(jí)沖擊加載試驗(yàn) 中還要檢查裂縫與基礎(chǔ)變位情況。
[0153] (8)橋梁承載能力評(píng)定
[0154] 在4個(gè)沖擊加載點(diǎn)都施加最大沖擊荷載時(shí)，位移測點(diǎn)11上的最大動(dòng)曉度值大于位 移測點(diǎn)4與18,根據(jù)最大動(dòng)曉度與靜曉度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，推得橋梁在計(jì)算靜載作用下位移測點(diǎn) 11的真實(shí)靜曉度為5.2mm，該值小于計(jì)算靜載引起的位移測點(diǎn)11處的曉度計(jì)算值5.5mm，而 測得的位移測點(diǎn)最大殘余曉度為0.8mm，相對(duì)殘余曉度值小于20%，并且裂縫情況良好，基 礎(chǔ)穩(wěn)定。然后根據(jù)校驗(yàn)系數(shù)獲得檢算系數(shù)，并由該檢算系數(shù)計(jì)算跨中彎矩效應(yīng)值為 9937kN ? m，支座處剪力效應(yīng)值為1295kN。此時(shí)荷載作用效應(yīng)與抗力效應(yīng)的比值小于1.05， 最終判定該橋梁承載能力滿足要求。
[0155] 綜上，根據(jù)本發(fā)明提出的一種基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估方法與設(shè)備完成了一 座橋梁完整的檢測與評(píng)估。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估方法，其特征在于:包括基于無參考點(diǎn)分塊沖擊 的橋梁反分析的步驟與基于逐級(jí)沖擊加載的橋梁正分析的步驟，其中基于無參考點(diǎn)分塊沖 擊的橋梁反分析的步驟用于快速排查出公路網(wǎng)中承載能力嚴(yán)重不足的中小型橋梁，基于逐 級(jí)沖擊加載的橋梁正分析的步驟用于評(píng)估通過反分析排查的安全狀況較好橋梁的實(shí)際承 載能力。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估方法，其特征在于:所述基于無 參考點(diǎn)分塊沖擊的橋梁反分析的步驟中采用無參考點(diǎn)分塊沖擊測試，具體為:將橋梁整體 結(jié)構(gòu)分成若干子塊，其中不同子塊的沖擊點(diǎn)與測點(diǎn)位置選取相互獨(dú)立，之后對(duì)每個(gè)子塊的 沖擊點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)沖擊，同時(shí)采集各子塊沖擊力時(shí)程數(shù)據(jù)與測點(diǎn)的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估方法，其特征在于:所述基于逐 級(jí)沖擊加載的橋梁反分析的步驟中采用基于無參考點(diǎn)分塊沖擊的整體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別方法， 具體為:子塊頻響函數(shù)估計(jì)，子塊模態(tài)參數(shù)識(shí)別，子塊模態(tài)振型縮放調(diào)整，子塊模態(tài)振型方 向判別，整體結(jié)構(gòu)柔度矩陣計(jì)算。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估方法，其特征在于:所述的基于 無參考點(diǎn)分塊沖擊的整體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別方法中，在子塊模態(tài)振型縮放調(diào)整時(shí)，以子塊Si的 模態(tài)振型縮放程度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行所有子塊模態(tài)振型的縮放調(diào)整，采用的公式為：式中：}分別為子塊Sk在模態(tài)振型縮放調(diào)整前后的第r階模態(tài)振型，為子 塊Sk在模態(tài)振型縮放調(diào)整前的第r階模態(tài)振型縮放系數(shù)，gf1為子塊&的第r階模態(tài)振型縮放 系數(shù)，0為子塊Sk的第r階模態(tài)振型方向系數(shù)(7^ =十丨或#=-1);之后將縮放調(diào)整后所有 子塊Si，S2，…，Sk，…，Sn的模態(tài)振型集成為橋梁整體結(jié)構(gòu)模態(tài)振型，米用的公式為：式中：為按子塊Si的模態(tài)振型縮放程度確定的橋梁整體結(jié)構(gòu)第r階模態(tài)振型。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估方法，其特征在于:所述的基于 無參考點(diǎn)分塊沖擊的整體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別方法中，在整體結(jié)構(gòu)柔度矩陣計(jì)算時(shí)，先計(jì)算橋梁 整體結(jié)構(gòu)勢能，然后取其中最小勢能對(duì)應(yīng)的各子塊的模態(tài)振型方向系數(shù)，基于該系數(shù)得到 橋梁整體結(jié)構(gòu)模態(tài)振型，其中包含各子塊模態(tài)振型方向系數(shù)的橋梁整體結(jié)構(gòu)勢能表達(dá)式 為：式中：ΠΡ為橋梁整體結(jié)構(gòu)勢能，丨產(chǎn)}表示任意子塊Sk中的節(jié)點(diǎn)荷載向量，為第r階系 統(tǒng)極點(diǎn)，<與βΓ分別為\與忠的共輒復(fù)數(shù)，m表示計(jì)算的最高階數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估方法，其特征在于:所述基于逐 級(jí)沖擊加載的橋梁正分析的步驟中采用逐級(jí)沖擊加載試驗(yàn)，其包括:沖擊加載點(diǎn)選取在計(jì) 算靜載加載點(diǎn)處;令每個(gè)沖擊點(diǎn)上的最大沖擊荷載與對(duì)應(yīng)的計(jì)算靜載相等;對(duì)沖擊荷載的 施加進(jìn)行分級(jí);將撓度控制截面上的加速度測點(diǎn)同時(shí)作為位移測點(diǎn)并在其上布設(shè)位移傳感 器，測量沖擊荷載作用下各位移測點(diǎn)的最大動(dòng)撓度，在沖擊加載結(jié)束后，待橋梁穩(wěn)定，再測 量位移測點(diǎn)的殘余撓度;根據(jù)最大動(dòng)撓度與靜撓度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，推得橋梁在計(jì)算靜載作用 下位移測點(diǎn)的真實(shí)靜撓度，通過位移測點(diǎn)的真實(shí)靜撓度與殘余撓度并結(jié)合裂縫與基礎(chǔ)變位 情況進(jìn)行橋梁承載能力評(píng)定。7. -種基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估一體化設(shè)備，其特征在于:包括牽引車（1 )，GPS定 位儀(2)，信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)(3)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(4)，拖車(5)，車載液壓沖擊裝置(6)，車 輪旋轉(zhuǎn)編碼器(7)，激光測距儀(8)，移動(dòng)液壓沖擊裝置(9)，無線加速度傳感器(10)，無線位 移傳感器(11); 其中，所述牽引車（1)提供動(dòng)力，其上安裝有GPS定位儀(2)，信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)(3)及 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(4); 所述拖車(5)掛于牽引車（1)后方，其上安裝有車載液壓沖擊裝置(6 )，車輪旋轉(zhuǎn)編碼器 (7)與激光測距儀（8)，并且用于運(yùn)輸若干臺(tái)移動(dòng)液壓沖擊裝置（9)及無線加速度傳感器 (10)與無線位移傳感器(11); 所述車載液壓沖擊裝置(6)固定于拖車(5)的后部，采用無線控制方式，用于反分析中 的無參考點(diǎn)分塊沖擊測試； 所述移動(dòng)液壓沖擊裝置(9)采用無線控制方式，用于正分析中的逐級(jí)沖擊加載試驗(yàn)； 所述信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)（3)分別與移動(dòng)液壓沖擊裝置(9)、車載液壓沖擊裝置(6)采 用無線通信連接，用于發(fā)送、采集信號(hào)，發(fā)送的信號(hào)包括移動(dòng)液壓沖擊裝置的移動(dòng)指令與沖 擊指令，采集的信號(hào)包括車載液壓沖擊裝置的沖擊力時(shí)程數(shù)據(jù)，測點(diǎn)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)與位 移數(shù)據(jù)； 所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(4)與信號(hào)發(fā)送與采集系統(tǒng)(3)連接，利用內(nèi)嵌的基于無參考點(diǎn)分塊 沖擊的整體結(jié)構(gòu)柔度識(shí)別算法及相關(guān)的安全與承載能力評(píng)定準(zhǔn)則，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自 動(dòng)化分析，快速輸出測試與評(píng)估結(jié)果； 所述GPS定位儀(2)、車輪旋轉(zhuǎn)編碼器（7)、激光測距儀(8)組成整個(gè)設(shè)備的定位與測距 系統(tǒng)，其中，所述GPS定位儀(2)安裝在牽引車（1)上，用于引導(dǎo)整個(gè)設(shè)備到達(dá)橋面各子塊，車 輪旋轉(zhuǎn)編碼器(7)設(shè)置于拖車(5)的車輪上，激光測距儀(8)設(shè)置于拖車(5)上，車輪旋轉(zhuǎn)編 碼器(7)與激光測距儀(8)分別用于確定測點(diǎn)及沖擊點(diǎn)在橋面縱向與橫向的精確位置； 所述無線加速度傳感器（10)用于獲取加速度測點(diǎn)的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，無線位移傳感器 (11)用于獲取位移測點(diǎn)的動(dòng)撓度與殘余撓度數(shù)據(jù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估一體化設(shè)備，其特征在于:所述 車載液壓沖擊裝置(6)包括信號(hào)發(fā)送與接收器(6.1)，第一控制器(6.2)，第一油栗(6.3)，第 一副液壓缸(6.4)，滑動(dòng)軸(6.5)，第一主液壓缸(6.6)，第一質(zhì)量塊(6.7)，第一橡膠緩沖塊 (6.8) ，第一加載板(6.9)，第一承載盤(6.10);其中，信號(hào)發(fā)送與接收器(6.1)用于接收沖擊 指令與發(fā)送沖擊力時(shí)程數(shù)據(jù);第一控制器(6.2)與信號(hào)發(fā)送與接收器(6.1)連接，用于控制 第一油栗(6.3)的開關(guān);第一油栗(6.3)分別與第一主液壓缸(6.6)和第一副液壓缸(6.4)連 接，用于給第一主液壓缸(6.6)和第一副液壓缸(6.4)提供動(dòng)力;第一主液壓缸(6.6)用于提 升放置于其頂部的第一質(zhì)量塊(6.7);第一副液壓缸(6.4)設(shè)置于拖車(5)之上，用于提升設(shè) 置于拖車(5)的矩形開口內(nèi)的第一加載板(6.9)，拖車(5)的矩形開口設(shè)置于拖車板位于車 載液壓沖擊裝置(6)正下方的位置;第一加載板(6.9)沿滑動(dòng)軸(6.5)上下移動(dòng)，其上設(shè)置有 第一橡膠緩沖塊(6.8)，第一橡膠緩沖塊(6.8)用于承載第一質(zhì)量塊(6.7)的沖擊;滑動(dòng)軸 (6.5)為第一加載板(6.9)提供垂直運(yùn)動(dòng)軸;第一承載盤(6.10)設(shè)置于第一加載板(6.9)的 下方，用于將沖擊荷載傳遞至橋面。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于沖擊振動(dòng)的橋梁檢測評(píng)估一體化設(shè)備，其特征在于:所述 移動(dòng)液壓沖擊裝置(9)包括信號(hào)接收器(9.1)，第二控制器(9.2)，第二油栗(9.3)，第二副液 壓缸(9.4)，第二主液壓缸(9.5)，第二質(zhì)量塊(9.6)，第二橡膠緩沖塊(9.7)，第二加載板 (9.8) ，第二承載盤(9.9)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(9.10);其中，信號(hào)接收器(9.1)用于接收移動(dòng)及沖擊指 令，第二控制器(9.2)與信號(hào)接收器(9.1)連接，用于控制第二油栗(9.3)的開關(guān)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (9.10);第二油栗(9.3)分別與第二主液壓缸(9.5)和第二副液壓缸(9.4)連接，用于給第二 主液壓缸(9.5)和第二副液壓缸(9.4)提供動(dòng)力；第二主液壓缸(9.5)用于提升放置于其頂 部的第二質(zhì)量塊(9.6);第二副液壓缸(9.4)設(shè)置于移動(dòng)液壓沖擊裝置(9)底部框架之上，用 于提升第二加載板(9.8);第二加載板(9.8)之上設(shè)置有第二橡膠緩沖塊(9.7)，第二橡膠緩 沖塊(9.7)用于承載第二質(zhì)量塊(9.6)的沖擊;第二承載盤(9.9)用于將沖擊荷載傳遞至橋 面;驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(9.10)位于整個(gè)移動(dòng)液壓沖擊裝置(9)的底部，用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)液壓沖擊裝置 (9)的自動(dòng)移動(dòng)。
【文檔編號(hào)】G01M7/08GK105953996SQ201610510192
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年6月30日
【發(fā)明人】張建, 夏琪, 張博, 郭雙林
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)