發(fā)明涉及橋梁工程檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種基于車橋耦合系統(tǒng)的橋梁損傷診斷方法。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加深，國(guó)家對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)越來(lái)越重視。橋梁結(jié)構(gòu)作為連接交通工程的“咽喉”，其重要性不言而喻。橋梁結(jié)構(gòu)作為“生命線”工程中的重要一環(huán)，對(duì)正常的交通運(yùn)輸以及防災(zāi)救災(zāi)至關(guān)重要，因此對(duì)其安全性、耐久性與正常使用功能的要求也越來(lái)越高。但一方面，在橋梁結(jié)構(gòu)的施工過程中，由于材料的不均勻性和施工精度等問題，會(huì)使得實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和設(shè)計(jì)預(yù)想存在偏差；另一方面，在橋梁的運(yùn)營(yíng)過程中，會(huì)受到地震、強(qiáng)風(fēng)、車輛超載等因素的影響，加上材料自身性能的不斷退化、老化，結(jié)構(gòu)構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷，如果這些損傷未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)，那么隨著損傷積累，結(jié)構(gòu)的正常使用就會(huì)受到影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸾Y(jié)構(gòu)的斷裂、倒塌，對(duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。所以，在橋梁結(jié)構(gòu)等工程項(xiàng)目中，無(wú)論施工階段，還是運(yùn)營(yíng)服役階段，都需要對(duì)其定期檢測(cè)，了解結(jié)構(gòu)的性態(tài)，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)生的一些工程事故，更進(jìn)一步說(shuō)明了對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測(cè)的必要性。除去可能存在的設(shè)計(jì)不當(dāng)、施工質(zhì)量問題外，有很大部分的原因在于其橋梁在服役階段，并無(wú)及時(shí)的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)可能存在的安全隱患，進(jìn)而采取相應(yīng)的維護(hù)措施。但現(xiàn)行的檢測(cè)工作往往需要監(jiān)測(cè)人員定期對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)，且這種人工檢測(cè)工作往往具有盲目性，工作量巨大；或者在橋梁結(jié)構(gòu)上安裝傳感器，通過采集信號(hào)對(duì)橋梁狀態(tài)進(jìn)行評(píng)定，這樣需要大量傳感器布置，且面臨著海量的數(shù)據(jù)處理工作，極大地耗費(fèi)了人力物力。所以急需一種可以快速、有效、經(jīng)濟(jì)的方法對(duì)橋梁的動(dòng)力特性進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)也可以在一定程度上對(duì)橋梁是否損傷、哪里損傷、損傷多少進(jìn)行評(píng)定，來(lái)指導(dǎo)、協(xié)助橋梁的檢測(cè)維護(hù)人員盡早發(fā)現(xiàn)橋梁病害，制定養(yǎng)護(hù)方案。

間接量測(cè)法是利用采集通過橋面的測(cè)試車輛的振動(dòng)響應(yīng)，再通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)轉(zhuǎn)換程序，即可分析出橋梁的動(dòng)態(tài)特性的方法，相對(duì)于傳統(tǒng)的直接量測(cè)法，間接量測(cè)法具有更安全、更便捷、更經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)。但間接量測(cè)法在實(shí)際工程的應(yīng)用中，許多因素如路面粗糙度、車橋阻尼等的影響都難以解決，嚴(yán)重制約了間接量測(cè)法在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的提供一種基于車橋耦合系統(tǒng)的橋梁損傷診斷方法，作為橋梁常規(guī)檢測(cè)方法，具有安全經(jīng)濟(jì)、方便便捷等特點(diǎn)，能夠簡(jiǎn)便、高效且高精度地檢測(cè)橋梁損傷

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于車橋耦合系統(tǒng)的橋梁損傷診斷方法，包括：車橋耦合系統(tǒng)信號(hào)采集子系統(tǒng)，其利用兩輛檢測(cè)車分別從橋梁不同位置出發(fā)通過橋梁，并采集檢測(cè)車的豎向加速度信號(hào)；進(jìn)一步，所述兩輛移動(dòng)小車，車體質(zhì)量、車體豎向剛度以及車輛阻尼的比值需保證相同；信號(hào)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，對(duì)檢測(cè)車采集的實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，最終得到橋梁各節(jié)點(diǎn)的反演剛度結(jié)果；損傷判斷子系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)處理后得到的橋梁各節(jié)點(diǎn)反演剛度結(jié)果，判斷橋梁各節(jié)點(diǎn)是否存在損傷，從而達(dá)到損傷診斷的目的。

本發(fā)明所提供的一種基于車橋耦合系統(tǒng)的橋梁損傷診斷方法，包括以下具體步驟：a.兩輛檢測(cè)車分別從橋梁不同位置出發(fā)向1#橋臺(tái)方向通過橋梁，信號(hào)采集子系統(tǒng)同步采集小車各次通過橋梁過程中的豎向加速度響應(yīng)；b.兩輛檢測(cè)車分別從橋梁不同位置出發(fā)向向0#橋臺(tái)方向通過橋梁，信號(hào)采集子系統(tǒng)同步采集小車各次通過橋梁過程中的豎向加速度響應(yīng)；c.利用步驟a與步驟b所測(cè)得小車豎向加速度響應(yīng)，分別對(duì)時(shí)間t作二次積分處理，獲得對(duì)應(yīng)小車近似的豎向位移響應(yīng)；d.利用步驟c所獲得小車近似的豎向位移響應(yīng)，將兩輛檢測(cè)車對(duì)應(yīng)位移信號(hào)相減，獲得處理后小車近似的豎向位移響應(yīng)，消除了路面粗糙度的影響；e.利用步驟d所獲得處理后小車近似的豎向位移響應(yīng)，對(duì)時(shí)間t作二次微分處理，獲得對(duì)應(yīng)處理后小車豎向加速度響應(yīng)；f.利用已提前測(cè)得的待測(cè)橋梁模態(tài)阻尼比，分別按檢測(cè)車采集信號(hào)的采樣頻率計(jì)算每一采樣時(shí)間橋梁模態(tài)阻尼比影響下信號(hào)衰減系數(shù)g.利用步驟e所獲得處理后小車豎向加速度響應(yīng)除以步驟f計(jì)算所得每一時(shí)間對(duì)應(yīng)的信號(hào)衰減系數(shù)進(jìn)行信號(hào)還原處理，獲得處理后小車豎向加速度響應(yīng)，消除了橋梁模態(tài)阻尼比的影響；h.利用步驟g所獲得處理后小車豎向加速度響應(yīng)，通過Matlab帶通濾波器濾去除所需橋梁頻率信號(hào)外其余干擾信號(hào)，獲得濾波后小車豎向加速度響應(yīng)，僅包含所需橋梁頻段信號(hào)；i.利用步驟h所獲得處理后小車豎向加速度響應(yīng)，加窗作短時(shí)傅里葉變化，變時(shí)域信號(hào)為頻域信號(hào)，提取每一窗頻域信號(hào)中橋梁頻率對(duì)應(yīng)幅值開根號(hào)作比，計(jì)算所需橋梁各階模態(tài)；或可對(duì)所獲得處理后加速度信號(hào)作希爾伯特轉(zhuǎn)換作瞬時(shí)振幅，提取瞬時(shí)振幅包絡(luò)線求得所需橋梁各階模態(tài)；j.利用步驟i所獲得橋梁各位置點(diǎn)模態(tài)振型，利用改進(jìn)的直接剛度法，計(jì)算出橋梁各位置點(diǎn)剛度。并可向橋梁兩端外作數(shù)據(jù)延拓，利用延拓所得數(shù)值重新計(jì)算邊單元對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的曲率，重新計(jì)算對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)剛度，可有效提高剛度反演精度。利用最后獲得的橋梁剛度反演結(jié)果，也可進(jìn)一步求取橋梁結(jié)構(gòu)在任意荷載下的撓度，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)損傷診斷。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明的一種基于車橋耦合系統(tǒng)的橋梁損傷診斷方法具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)，其在待測(cè)橋梁上通過檢測(cè)車輛即可獲得檢測(cè)信號(hào)，并可根據(jù)檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的處理轉(zhuǎn)換得到橋梁的損傷信息，不需要預(yù)先知道橋梁損傷的大致位置，操作簡(jiǎn)單易行，效率高。通過本發(fā)明的基于車橋耦合系統(tǒng)的損傷診斷方法，即可方便快捷地掌握橋梁損傷情況，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁隱患，避免橋梁事故的發(fā)生。2、本發(fā)明的一種基于車橋耦合系統(tǒng)的橋梁損傷診斷采用具有明確物理意義的損傷剛度識(shí)別，對(duì)損傷位置識(shí)別的同時(shí)也可以對(duì)損傷程度進(jìn)行識(shí)別。3、本發(fā)明的一種基于車橋耦合系統(tǒng)的橋梁損傷診斷方法，解決了實(shí)際工程中路面粗糙度以及橋梁阻尼比的影響，為間接量測(cè)法在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有很大的指導(dǎo)意義。4、本發(fā)明的一種基于車橋耦合系統(tǒng)的橋梁損傷診斷方法，檢測(cè)時(shí)無(wú)需在橋上架設(shè)任何輔助設(shè)備，不受天氣及時(shí)間限制，且對(duì)橋梁正常交通運(yùn)營(yíng)影響極低。5、本發(fā)明的一種基于車橋耦合系統(tǒng)的橋梁損傷診斷方法，檢測(cè)車通過橋梁即能實(shí)施對(duì)橋梁的損傷檢測(cè)，使檢測(cè)一座橋梁的時(shí)間大大縮短，可增加橋梁檢測(cè)的頻次，實(shí)現(xiàn)橋梁的相對(duì)高頻檢測(cè)，以此達(dá)到安全監(jiān)測(cè)的目的，提高橋梁安全預(yù)警能力。6、本發(fā)明的一種基于車橋耦合系統(tǒng)的橋梁損傷診斷方法，檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理已在Matlab上編程，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的處理過程，不僅降低了傳統(tǒng)檢測(cè)方法要求檢測(cè)人員素質(zhì)比較高的缺點(diǎn)，降低了人力成本，還能最大化的避免人為的主觀因素對(duì)橋梁安全性判斷的影響。7、本發(fā)明的一種基于車橋耦合系統(tǒng)的橋梁損傷診斷方法，靈敏度很高，檢測(cè)時(shí)間短且不需要特殊的檢測(cè)條件，檢測(cè)精度高，成本低廉，與現(xiàn)有的橋梁檢測(cè)方法相比，集合了各種現(xiàn)有檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)，且避免了其缺陷。

進(jìn)一步，所采用的兩輛檢測(cè)車車輛頻率相同，但檢測(cè)車質(zhì)量不同，需保證兩車車體質(zhì)量，車體豎向剛度以及車輛阻尼的比值相同。

進(jìn)一步，檢測(cè)車分別橋梁不同位置向1#橋臺(tái)方向通過橋梁，再分別從橋梁不同位置向0#橋臺(tái)方向通過橋梁。

進(jìn)一步，經(jīng)推導(dǎo)，路面粗糙度對(duì)車輛豎向位移信號(hào)的影響部分q_v,r(t)具體可表示如下：

其中，m_v為檢測(cè)車質(zhì)量，k_v為檢測(cè)車豎向剛度，c_v為車輛阻尼，v為檢測(cè)車勻速通過橋梁的速度。當(dāng)車輛的車體質(zhì)量、豎向剛度以及車輛阻尼等比值變化時(shí)，路面粗糙度對(duì)車輛豎向位移的影響部分q_v,r(t)不發(fā)生改變，因此通過對(duì)兩車豎向位移信號(hào)相減，可以有效消除路面粗糙度影響。

進(jìn)一步，通過理論分析可知，橋梁的模態(tài)信息包含在小車動(dòng)力反應(yīng)的瞬態(tài)項(xiàng)中，經(jīng)推導(dǎo)，考慮橋梁阻尼比影響的車輛豎向位移信號(hào)中與本方法提取的頻率與模態(tài)相關(guān)部分的q_v,c(t)具體可以表達(dá)如下：

其中ξ_n為橋梁模態(tài)阻尼比，L為橋梁跨徑長(zhǎng)度，w_n為橋梁基頻，w_v為車輛頻率。與不考慮橋梁阻尼比影響的車輛豎向位移信號(hào)的瞬態(tài)項(xiàng)部分相比，僅多了信號(hào)衰減項(xiàng)通過信號(hào)還原處理，可以有效消除橋梁模態(tài)阻尼比的影響。

進(jìn)一步，濾波處理具體如下：對(duì)處理后加速度信號(hào)，利用Matlab帶通濾波器去除所需橋梁頻率信號(hào)外一切信號(hào)，僅保留所需橋梁頻率及鄰近范圍內(nèi)信號(hào)。

進(jìn)一步，計(jì)算所需橋梁各階模態(tài)方法具體如下：可對(duì)所獲得處理后加速度信號(hào)加窗作短時(shí)傅里葉變化，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)，提取每一窗所需橋梁頻率對(duì)應(yīng)幅值后開根號(hào)作對(duì)比，從而獲得所需橋梁各階模態(tài)；或可對(duì)所獲得處理后加速度信號(hào)作希爾伯特轉(zhuǎn)換作瞬時(shí)振幅，提取瞬時(shí)振幅包絡(luò)線求得所需橋梁各階模態(tài)。

進(jìn)一步，進(jìn)行橋梁剛度反演的方法具體如下：利用所獲得的橋梁各階模態(tài)，采用改進(jìn)的直接剛度法，計(jì)算橋梁各位置點(diǎn)剛度；向橋梁兩端外作數(shù)據(jù)延拓，利用延拓所得數(shù)值重新計(jì)算邊單元對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的曲率，重新計(jì)算對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)剛度，可有效提高剛度反演精度。

進(jìn)一步，基于最后獲得的橋梁剛度反演結(jié)果，也可計(jì)算獲取橋梁結(jié)構(gòu)在任意荷載下的撓度，進(jìn)而綜合評(píng)估橋梁的損傷情況。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種基于車橋耦合系統(tǒng)的橋梁損傷診斷方法實(shí)施流程圖；

圖2為本發(fā)明的一種基于車橋耦合系統(tǒng)的橋梁損傷診斷方法車橋系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例橋梁模型選用的臺(tái)灣大武侖橋示意圖(a)立面圖,(b)剖面圖,(c)梁剖面圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例橋梁模型單元節(jié)點(diǎn)編號(hào)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例ABCD四級(jí)粗糙度下無(wú)損工況節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)比圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例ABCD四級(jí)粗糙度下47單元30％損傷工況節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)比圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例ABCD四級(jí)粗糙度下56單元30％損傷工況節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)比圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例ABCD四級(jí)粗糙度下6單元30％損傷工況節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)比圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例ABCD四級(jí)粗糙度下2單元30％損傷工況節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)比圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例D級(jí)粗糙度下47單元不同損傷程度工況節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)比圖；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例D級(jí)粗糙度下56單元不同損傷程度工況節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)比圖；

圖12為本發(fā)明實(shí)施例D級(jí)粗糙度下6單元不同損傷程度工況節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)比圖；

圖13為本發(fā)明實(shí)施例D級(jí)粗糙度下2單元不同損傷程度工況節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種基于車橋耦合系統(tǒng)的橋梁損傷診斷方法，包括以下具體步驟：a.兩輛檢測(cè)車分別從橋梁不同位置出發(fā)向1#橋臺(tái)方向通過橋梁，信號(hào)采集子系統(tǒng)同步采集小車各次通過橋梁過程中的豎向加速度響應(yīng)；b.兩輛檢測(cè)車分別從橋梁不同位置出發(fā)向向0#橋臺(tái)方向通過橋梁，信號(hào)采集子系統(tǒng)同步采集小車各次通過橋梁過程中的豎向加速度響應(yīng)；c.利用步驟a與步驟b所測(cè)得小車豎向加速度響應(yīng)，分別對(duì)時(shí)間t作二次積分處理，獲得對(duì)應(yīng)小車近似的豎向位移響應(yīng)；d.利用步驟c所獲得小車近似的豎向位移響應(yīng)，將兩輛檢測(cè)車對(duì)應(yīng)位移信號(hào)相減，獲得處理后消除了路面粗糙度影響的小車近似豎向位移響應(yīng)；e.利用步驟d所獲得處理后小車近似的豎向位移響應(yīng)，對(duì)時(shí)間t作二次微分處理，獲得對(duì)應(yīng)處理后小車豎向加速度響應(yīng)；f.利用已提前得知的待測(cè)橋梁阻尼比，分別按檢測(cè)車采集信號(hào)的采樣頻率計(jì)算每一采樣時(shí)間橋梁模態(tài)阻尼比影響下信號(hào)衰減系數(shù)g.利用步驟e所獲得處理后小車豎向加速度響應(yīng)除以步驟f計(jì)算所得每一時(shí)間對(duì)應(yīng)的信號(hào)衰減系數(shù)進(jìn)行信號(hào)還原處理，獲得處理后小車豎向加速度響應(yīng)，消除了橋梁模態(tài)阻尼比的影響；h.利用步驟g所獲得處理后小車豎向加速度響應(yīng)，通過Matlab帶通濾波器濾去除所需橋梁頻率信號(hào)外其余干擾信號(hào)，獲得濾波后小車豎向加速度響應(yīng)，僅包含所需橋梁頻段信號(hào)；i.利用步驟h所獲得處理后小車豎向加速度響應(yīng)，加窗作短時(shí)傅里葉變化，變時(shí)域信號(hào)為頻域信號(hào)，提取每一窗頻域信號(hào)中橋梁頻率對(duì)應(yīng)幅值開根號(hào)作比，計(jì)算所需橋梁各階模態(tài)；或可對(duì)所獲得處理后加速度信號(hào)作希爾伯特轉(zhuǎn)換作瞬時(shí)振幅，提取瞬時(shí)振幅包絡(luò)線求得所需橋梁各階模態(tài)；j.利用步驟i所獲得橋梁各位置點(diǎn)模態(tài)振型，利用改進(jìn)的直接剛度法，計(jì)算出橋梁各位置點(diǎn)剛度。并可向橋梁兩端外作數(shù)據(jù)延拓，利用延拓所得數(shù)值重新計(jì)算邊單元對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的曲率，重新計(jì)算對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)剛度，可有效提高剛度反演精度。利用最后獲得的橋梁剛度反演結(jié)果，也可進(jìn)一步求取橋梁在任意荷載下的撓度，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)損傷診斷。

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

請(qǐng)參考圖1，為本發(fā)明的一種基于車橋耦合系統(tǒng)的橋梁損傷診斷方法實(shí)施流程圖，如圖所示，包括：車橋耦合系統(tǒng)信號(hào)采集子系統(tǒng)，請(qǐng)參見圖2，為本發(fā)明的一種基于車橋耦合系統(tǒng)的橋梁損傷診斷方法車橋系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型示意圖，其利用兩輛檢測(cè)車分別從橋梁不同位置出發(fā)通過橋梁，并采集檢測(cè)車的豎向加速度信號(hào)；信號(hào)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，對(duì)檢測(cè)車采集的實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，最終得到橋梁各節(jié)點(diǎn)的反演剛度結(jié)果；損傷判斷子系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)處理后得到的橋梁各節(jié)點(diǎn)反演剛度結(jié)果，判斷橋梁各節(jié)點(diǎn)是否存在損傷，可進(jìn)一步求取橋梁結(jié)構(gòu)在任意荷載下的撓度，從而達(dá)到損傷診斷的目的。車橋耦合系統(tǒng)信號(hào)采集子系統(tǒng)，包括：大小兩輛檢測(cè)車，兩車車體質(zhì)量，豎向剛度以及車輛阻尼的比值相同。兩車分別從橋梁不同位置出發(fā)向1#橋臺(tái)方向通過橋梁，信號(hào)采集子系統(tǒng)同步采集小車各次通過橋梁過程中的豎向加速度響應(yīng)；兩車再分別從橋梁不同位置出發(fā)向0#橋臺(tái)方向通過橋梁，信號(hào)采集子系統(tǒng)同步采集小車各次通過橋梁過程中的豎向加速度響應(yīng)。信號(hào)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，參見圖1，包括：消除路面粗糙度影響處理，通過對(duì)檢測(cè)車采集到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間t作二次積分，獲得相應(yīng)近似位移響應(yīng)，對(duì)兩車對(duì)應(yīng)近似位移響應(yīng)作相減處理，獲得處理后無(wú)粗糙度的車輛近似豎向位移響應(yīng)，再對(duì)時(shí)間t作二次微分，獲得處理后車輛豎向加速度響應(yīng)，從而消除路面粗糙度影響；消除橋梁模態(tài)阻尼比影響處理，利用已知的待測(cè)橋梁模態(tài)阻尼比，計(jì)算每一采樣間隔下信號(hào)衰減系數(shù)將上一步所獲得處理后車輛豎向加速度響應(yīng)除以對(duì)應(yīng)的信號(hào)衰減系數(shù)，獲得處理后車輛豎向加速度響應(yīng)，從而消除橋梁模態(tài)阻尼比影響；濾波處理，利用Matlab帶通濾波器，去除所需橋梁頻率信號(hào)外一切信號(hào)，從而得到處理后車輛豎向加速度響應(yīng)，僅包含所需橋梁頻段信號(hào)；計(jì)算橋梁各階模態(tài)，對(duì)上一步所獲得處理后車輛豎向加速度響應(yīng)加窗作短時(shí)傅里葉變化，提取每一窗口橋梁頻率對(duì)應(yīng)幅值后開根號(hào)作對(duì)比，計(jì)算所需的橋梁各階頻率；或可對(duì)所獲得處理后加速度信號(hào)作希爾伯特轉(zhuǎn)換作瞬時(shí)振幅，提取瞬時(shí)振幅包絡(luò)線求得所需的橋梁各階模態(tài)剛度反演，利用所獲得橋梁模態(tài)，采用改進(jìn)的直接剛度法，計(jì)算橋梁各位置點(diǎn)剛度。向橋梁兩端外作數(shù)據(jù)延拓，利用延拓所得數(shù)值重新計(jì)算邊單元對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的曲率，重新計(jì)算對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)剛度，可有效提高剛度反演精度。損傷判斷子系統(tǒng)，利用所獲得的橋梁各位置點(diǎn)剛度，判斷橋梁各節(jié)點(diǎn)是否存在損傷，也可進(jìn)一步計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)在任意荷載下的撓度，判斷橋梁結(jié)構(gòu)損傷狀況。

經(jīng)推導(dǎo)，路面粗糙度對(duì)車輛豎向位移的影響部分q_v,r(t)具體可表示如下：

其中，m_v為檢測(cè)車質(zhì)量，k_v為檢測(cè)車豎向剛度，c_v為車輛阻尼，v為檢測(cè)車勻速通過橋梁的速度。當(dāng)車輛的車體質(zhì)量、豎向剛度以及車輛阻尼等比值變化時(shí)，路面粗糙度對(duì)車輛豎向位移的影響部分q_v,r(t)不發(fā)生改變，通過對(duì)兩車豎向位移信號(hào)相減，可以有效消除路面粗糙度影響。

進(jìn)一步，通過理論分析可知，橋梁的模態(tài)信息包含在小車動(dòng)力反應(yīng)的瞬態(tài)項(xiàng)中，經(jīng)推導(dǎo)，考慮橋梁模態(tài)阻尼比影響的車輛豎向位移信號(hào)的瞬態(tài)項(xiàng)部分q_v,c(t)具體可以表達(dá)如下：

其中ξ_n為橋梁阻尼比，L為橋梁跨徑長(zhǎng)度，w_n為橋梁基頻，w_v為車輛頻率。與不考慮橋梁阻尼比影響的車輛豎向位移信號(hào)的瞬態(tài)項(xiàng)部分相比，僅多了信號(hào)衰減項(xiàng)通過信號(hào)還原處理，可以有效消除橋梁阻尼比的影響。

下面以一簡(jiǎn)支梁橋?yàn)槔?，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的損傷診斷方法做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

本實(shí)施例使用的簡(jiǎn)支梁橋模型模擬對(duì)象為臺(tái)灣大武侖橋，橋梁示意圖如圖3所示，程序截取橋梁中一跨作為測(cè)試跨。橋梁長(zhǎng)度L＝30m，截面面積A＝7.965m²，截面慣性矩I＝2.9597m⁴，橋梁彈性模量E＝2.9×10¹⁰N/m²，無(wú)損橋梁節(jié)點(diǎn)剛度理論值為8.58×10¹⁰N.m²。

將該跨分為10個(gè)單元，模型示意圖如圖4所示，其中圓圈中數(shù)字為單元編號(hào)，無(wú)圓圈數(shù)字為節(jié)點(diǎn)編號(hào)，本方法識(shí)別的剛度結(jié)果即為各節(jié)點(diǎn)的剛度反演值。

本實(shí)施案例粗糙度采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)標(biāo)準(zhǔn)建議的功能密度函數(shù)(PSD)模擬，各級(jí)位移功能密度函數(shù)值G_d(n₀)取值分別為：A級(jí)4×10^-6m³、B級(jí)8×10^-6m³、C級(jí)16×10^-6m³、D級(jí)32×10^-6m³。

為保證該方法對(duì)不同損傷位置均具有損傷診斷效果，在考慮各級(jí)路面粗糙度及車輛阻尼c_v＝1000與橋梁模態(tài)阻尼比ξ_n＝0.01影響時(shí)，在模型不同位置加入損傷，模擬工況如下：

工況1：結(jié)構(gòu)未發(fā)生損傷；

工況2：設(shè)置結(jié)構(gòu)第4、7單元存在損傷；

工況3：設(shè)置結(jié)構(gòu)第5、6單元存在損傷；

工況4：設(shè)置結(jié)構(gòu)第6單元存在損傷；

工況5：設(shè)置結(jié)構(gòu)第2單元存在損傷。

1.各級(jí)粗糙度影響數(shù)值分析

為驗(yàn)證本發(fā)明方法對(duì)損傷位置的敏感性，分別進(jìn)行ABCD四級(jí)粗糙度影響下各工況的數(shù)值模擬，并對(duì)所得車輛加速度響應(yīng)按本發(fā)明方法進(jìn)行處理。限于篇幅，各損傷工況均采用30％大小損傷，彎曲剛度(EI)識(shí)別結(jié)果如圖5-圖9所示。

從圖5-圖9中可看出，A、B、C、D級(jí)粗糙度下?lián)p傷工況與無(wú)損工況相比，損傷單元節(jié)點(diǎn)剛度反演結(jié)果均明顯降低，可以較為精確判定損傷位置。綜合而言，采用本文所提出方法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)損傷診斷工作，可以較好解決路面粗糙度對(duì)識(shí)別工作的影響，包括邊單元在內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)識(shí)別精度均在工程允許范圍以內(nèi)，達(dá)到了準(zhǔn)確識(shí)別損傷位置的目的。

2.粗糙度影響下?lián)p傷程度數(shù)值分析

為驗(yàn)證本發(fā)明方法對(duì)損傷程度的敏感性，對(duì)各損傷工況損傷程度分別調(diào)整為15％、30％、50％三種后進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)所得車輛加速度響應(yīng)按上述步驟進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)損傷剛度識(shí)別工作。限于篇幅，各工況均選用D級(jí)粗糙度情況，剛度識(shí)別結(jié)果如圖10-圖13所示。

從圖10-圖13中可看出，模型定義的損傷程度越大，則各損傷工況的損傷單元節(jié)點(diǎn)剛度反演結(jié)果越小，且損傷單元節(jié)點(diǎn)識(shí)別剛度與實(shí)際損傷相比，誤差在5％以內(nèi)，可以較為準(zhǔn)確確定橋梁損傷大小。

綜上所述，采用本發(fā)明方法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)損傷診斷工作，可以有效解決路面粗糙度的影響，在能精確確定損傷位置的同時(shí)，也可以有效識(shí)別損傷程度，對(duì)間接量測(cè)法在實(shí)際工程中損傷診斷的應(yīng)用具有一定促進(jìn)作用。

最后說(shuō)明的是：以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明結(jié)構(gòu)的前提下，還可以作出若干變形和改進(jìn)，也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍，這些都不會(huì)影響本發(fā)明實(shí)施的效果和專利的實(shí)用性。