[发明专利]一种桥梁人致冲击荷载光学测量方法及其快速测试系统有效

专利信息
申请号: 201810004467.1 申请日: 2018-01-03
公开(公告)号: CN108458847B 公开(公告)日: 2019-11-12
发明(设计)人: 张建;田永丁;于姗姗 申请(专利权)人: 东南大学
主分类号: G01M7/08 分类号: G01M7/08;G01M7/02
代理公司: 南京苏高专利商标事务所(普通合伙) 32204 代理人: 向文
地址: 210018 江苏省*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 冲击荷载 荷载 冲击振动测试 快速测试系统 动态冲击 光学测量 竖向 桥梁 跳跃 非接触式测量 步行 加速度信息 测试 参数识别 高速相机 结构参数 结构性能 人工激励 速度信息 图像采集 性能评估 传统的 激励源 天桥 估算 测量 评估
【说明书】:

发明公开了一种桥梁人致冲击荷载光学测量方法及其快速测试系统,包括如下步骤:图像采集、行人跳跃时竖向速度信息计算、行人竖向跳跃时的加速度信息计算、人致动态冲击荷载估算和结构参数识别及性能评估。本发明基于高速相机非接触式测量的人致冲击荷载的测试方法,不同于传统的基于人工激励装置的冲击振动测试,本发明的测试方法直接将步行天桥的行人荷载作为激励源,可以更加方便快捷的实现城市步行桥梁的冲击振动测试,同时基于测量的人致动态冲击荷载,可以实现结构深层次参数识别,能够切实有效的实现结构性能评估。

技术领域

本发明属于结构健康监测技术领域,具体涉及一种桥梁人致冲击荷载光学测量方法及其快速测试系统,可实现桥梁输入冲击荷载的快速测量和安全状态评估。

背景技术

世界各国基础设施体量庞大,在国民经济生活中起到了很重要的作用。另一方面,基础设施在漫长服役周期内,由于环境侵蚀、日常服役荷载甚至超载的作用导致结构的性能逐渐发生退化并且随时可能遭遇地震、台风等极端自然灾害的侵袭因此,如何实现公路网上为数众多桥梁的性能评估,以保障结构安全并最优化维护管理费用是国内外迫切需要解决的共同课题。冲击振动测试是结构健康监测的一种重要方法,它有潜力实现桥梁快速测试与可靠诊断。首先,与传统的环境振动测试相比,冲击振动测试同时采集结构输入冲击力时程和输出响应,不仅能够得出结构频响函数形状,而且能够得出频响函数的幅值。因此,它能够识别出更为完备的结构信息,比如结构振型缩放系数和位移柔度等深层次参数。其次,冲击振动测试装置可集成于移动车辆实现桥梁快速测试。冲击振动很早就有研究,但是由于激励方式等方面的限制在实际工程中应用不广泛。

在冲击振动的研究初期,使用大力锤对桥梁进行冲击激振,它产生的冲击力具有较好的宽频域特性,但幅值低(小于20kN),无法充分激励桥梁结构的动力特征。此后,国内外学者开发了可车载的落锤式激励装置,它可以产生大幅值(100kN)和宽频域(0~200Hz)的冲击力,能够有效激振桥梁,但是该装置在现场测试过程中需要“停下激振”,即需将该冲击装置移动到一个测量点停稳后进行冲击测试,完成之后再移动到下一个测点,从而降低了桥梁快速测试的效率。

为避免上述“停下激振”的局限性,一个理想的方式是直接利用车辆本身作为激励方式“边移动边激振”,即在正常行驶过程中对桥梁结构进行激励,从而方便快捷的进行桥梁冲击振动测试。但其带来的挑战性问题是如何实时测量车桥界面的连续竖向车轮力即车桥耦合作用力。竖向车轮力测量的第一个手段就是基于车辆整体响应的方法,通过在车轴和车身安装加速度计和陀螺仪等传感器测量卡车运动尝试得出竖向车轮力,但其精度受到车辆模型精确建立的影响。另外一种手段是直接测量车辆轮胎响应。车轮六分力传感器通过安装特制轮毂并监测其应变实现各方向车轮力的精确反演,但其售价高昂。另外,有学者提出将应变片安装在轮毂边缘计算竖向车轮力,但是只有当应变片靠近地面时才能计算出车轮力。为了克服此问题,采取将加速度计或激光传感器安装入轮胎空腔内侧的思路进行路面不平整度的监测而不是以车轮力的计算为目的。

上述快速测量方法或者设备都是针对公路桥梁,对于步行桥而言,使用激励装置或者移动车辆车不方便。行人激励荷载是步行桥设计的一个主要考虑因素,如果能够直接测量得到行人激励对结构施加的动态冲击荷载,可以实现步行桥的快速冲击振动测试。测量人体跳跃时作用于结构的冲击荷载一般的方法是根据作用与反作用原理,直接利用测力板或者测力鞋垫技术测量得到人体跳跃作用于地面的激振力。然而,测力板技术并不适合日常现场使用,因为其沉重而繁琐,需要一定长度的专用电缆和适配自身功率和信号调节的连接。为了克服此问题,国外学者提出使用无线惯性测量单元(IMU)固定于人体的各个部位,通过利用体重和垂直加速度数据得到跳跃力,并在跳跃位置测得桥面加速度,可以生成频响函数并估算模态质量,该方法在现场试验中得到了验证。但是,该方法需要在人体各个部位安装加速度传感器,在一定程度上影响了桥梁快速测试的要求。

发明内容

发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,提供一种测试方便快速且精度高的人致冲击荷载快速测量方法和桥梁快速测试系统。

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