[發明專利]一種基于車橋耦合系統時變動力特征改變的橋梁快速測試與評估方法

有效

• 申請號: 201810915080.1
• 申請日: 2018-08-13
• 公開（公告）號: CN109357822B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 張建;田永丁
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01M5/00
• 分類號: G01M5/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 徐紅梅

1.一種基于車橋耦合系統時變動力特征改變的橋梁快速測試與評估方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

(1)通過布置在橋梁上的傳感器采集橋梁結構在無車輛行駛下的振動響應，對響應數據進行處理并識別結構的基本模態參數，即結構的時不變模態參數；

(2)采集橋梁結構在有車輛行駛下的振動響應，并采用時頻分析方法識別車橋耦合系統的時變動力特征；

(3)結合無車輛行駛時橋梁結構的時不變模態參數和有車輛行駛時車橋耦合系統的時變動力特征計算無車輛行駛下橋梁結構的振型縮放系數；具體為：

在得到無車輛行駛時橋梁結構的時不變模態參數和有車輛行駛時車橋耦合系統的時變動力特征之后，結合基于質量彈簧模型的車橋耦合振動方程，得到結構的時不變模態參數滿足的關系為：

其中：M_b為無車輛行駛時橋梁結構的質量矩陣；K_v、M_v分別為車體的彈簧剛度和車體質量；ω_or為無車輛行駛時橋梁結構的第r階固有圓頻率；ω_cr為車橋耦合系統在時刻t的第r階固有圓頻率，單位rad/s；為車橋耦合系統第r階位移振型；為附加矩陣△K₁＝K_b-vb+K_b-cb中的豎向自由度對應的元素，而K_b-vb＝[N_b]^TK_v[N_b],[N_b]為與橋梁自由度相等的形函數矩陣，C_v為車輛的阻尼系數，V(t)為車輛的行駛速度；分別為附加矩陣△K₁＝K_b-vb+K_b-cb中的豎向自由度和轉動自由度對應的元素；為附加矩陣△K₂＝-K_b-v中的豎向自由度對應的元素，K_b-v＝[N_b]^TK_v；為附加矩陣△K₃＝-K_v-b-K_v-cb中豎向自由度對應的元素，而K_v-b＝K_v[N_b]且為附加矩陣△K₃＝-K_v-b-K_v-cb中轉動自由度對應的元素；[T]為豎向位移振型與轉動位移振型之間的影響關系；

設無車輛行駛于橋梁結構時的未縮放位移振型{ψ_r}與車橋耦合系統第r階位移振型之間的關系為：并根據振型正交性條件M_b為無車輛行駛時橋梁結構的質量矩陣，從而可以得到無車輛行駛下橋梁結構的振型縮放系數為：

(4)結合無車輛行駛下的結構時不變模態參數和步驟(3)中計算的振型縮放系數計算橋梁結構的位移柔度矩陣，進而預測結構在任意靜荷載下的變形，對結構的性能狀況進行評估；具體的：

結合無車輛行駛時橋梁結構的第r階固有圓頻率ω_or和未縮放位移振型{ψ_r}，得到結構的位移柔度矩陣，其表達式為：

其中：M為結構總的模態函數分量數目，σ_r為關于結構固有頻率的常數，其值為σ_r＝1/2jω_or，j為虛數單位；λ_0r無車輛行駛下結構的第r階極點，與結構固有頻率和阻尼比的關系為ξ_0r為無車輛行駛時的阻尼比系數；為λ_0r的共軛復數；為未縮放位移振型{ψ_r}的共軛復數；

在得到結構的位移柔度矩陣之后，將其與作用于結構的靜荷載向量相乘，得到結構在靜荷載下的變形，將其與理論值進行比較，實現對結構的當前性能狀況進行評估。

2.根據權利要求1所述的一種基于車橋耦合系統時變動力特征改變的橋梁快速測試與評估方法，其特征在于，在步驟(1)中，在采集得到橋梁結構在無車輛行駛下的振動響應之后，利用模態參數識別算法對振動響應進行處理，便可以得到無車輛行駛下結構的時不變模態參數，包括：固有頻率、阻尼比和未縮放位移振型。

3.根據權利要求1所述的一種基于車橋耦合系統時變動力特征改變的橋梁快速測試與評估方法，其特征在于，步驟(2)中，移動車輛和橋梁組成一個耦合系統，采用變分模態分解和希爾伯特變換實現系統時變動力特征的識別，假設采集到的車橋耦合系統在測點p的加速度振動響應為則各階本征模態函數分量可以通過求解約束變分模型得到：

其中：{u_r(t)}＝{u₁,...,u_r}代表變分模態分解得到的第r階本征模態函數分量，r＝1,…,M，M為結構總的模態函數分量數目；{ω_r}＝{ω₁,...,ω_r}表示第r階本征模態函數分量的頻率中心；δ(t)為狄利克雷函數；*表示卷積；j為虛數單位；為車橋耦合系統在測點p的加速度振動響應；式中符號min表示求解此關系式的最小值；

在分解得到各階本征模態函數分量之后，利用希爾伯特變換，就可以識別得到車橋耦合系統的時變固有圓頻率：

其中：θ_r(t)為第r階本征模態函數分量的瞬時相位，u_r(t)為由變分模態分解方法得到的第r階本征模態函數分量，為第r階本征模態函數分量的希爾伯特變換。