[发明专利]一种利用有限振动响应快速反演桥梁荷载的方法

说明书

本发明公开了一种利用有限振动响应快速反演桥梁荷载的方法。包括1)根据桥梁荷载的速度和位置建立荷载的识别方程；2)利用截断形函数与相应的形函数系数拟合荷载，将荷载识别方程转化形函数系数的识别方程；3)基于结构响应的频域分析确定截断形函数的步长和数量；3)根据形函数响应的衰减速率确定截断形函数的有效长度，建立截断形函数响应矩阵；4)通过桥梁振动响应与截断形函数响应矩阵求逆获得形函数系数；5)以形函数系数和截断形函数矩阵重构桥梁荷载。本发明的方法以极低的成本和较高的精度，识别桥梁的集中、移动荷载，可以较高的时效性监测不同类型的桥梁荷载，预警超限车载，为桥梁健康监测的后续分析工作提供依据。

技术领域

本发明涉及一种仅通过有限振动响应快速反演桥梁荷载的技术，属于结构健康监测技术领域。

背景技术

我国交通体系经过飞速的发展和壮大，多数桥梁的使用寿命已进入中龄，其承载能力不可避免地降低，超重荷载时刻挑战桥梁结构的安全性。移动荷载是影响桥梁使用寿命的主要因素之一，对其准确的监测与识别是提供“养桥”的依据，更是预防灾难性事故的关键。实际工程中，多数桥梁采用动态称重设备采集车辆质量，然而这种设备的安装与养护费用较高，且需要预安装于调查路段上，具有很大的局限性。事实上，移动车辆对桥梁的真实荷载是自身车重与车-桥梁耦合力的叠加，仅将车重作为移动荷载会产生较大的误差。因此，亟需发展一种快速、易操作的桥梁荷载识别方法，以保障桥梁结构的安全运行。

发明内容

本发明提出了一种通过有限振动响应快速反演桥梁荷载的技术。所采取的技术方案如下：

步骤1、在目标桥梁设置2个竖向位移传感器或轴向应变传感器，布于桥梁的1/2跨和1/4跨；

步骤2、通过结构振动响应的频域分析确定截断形函数的频率，以此计算截断形函数的步长与数量；

步骤3、利用截断形函数与的相应的形函数系数拟合桥梁荷载，基于离散化杜哈梅积分建立未知桥梁荷载的识别方程；

步骤4、依据结构振动响应的衰减速率确定截断形函数响应的有效步长，通过目标桥梁的有限元分析建立截断形函数响应矩阵；

步骤5、通过识别方程反演形函数系数，接着与截断形函数矩阵重构未知荷载。

进一步地，在步骤1中，在目标桥梁设置2个竖向位移传感器或轴向应变传感器，布于桥梁的1/2跨和1/4跨，包括以下步骤：

第一步，在桥的1/2跨和1/4跨处各布置1个竖向位移传感器(轴向应变传感器)，如图1，用于采集桥梁振动响应。

第二步，利用两个传感器的峰值时差计算荷载的移动速度，如式(1)。其中v为移动荷载速度，l为桥跨长度，Δt为峰值时间差。利用两个传感器的峰值时差计算荷载的移动速度，如式(1)。

进一步地，在步骤2中，通过结构振动响应的频域分析确定截断形函数的频率，计算截断形函数的步长与数量。包括以下步骤：

第一步，定义截断形函数的频率为：

其中f_LSF为截断形函数频率，f_s为采样频率。l为截断形函数的单元步长，该步长与形函数个数m存在以下关系：

T＝l×m (3)

第二步，为能准确逼近荷载，要求f_LSF不小于荷载的最高分析频率。对于未知荷载而言，由于线性结构的响应线性依赖于外荷载，因此f_LSF的确定可以通过对结构实测响应的频谱分析决定。即对步骤1中采集的振动响应作快速傅里叶变换，以频谱最高频率作为f_LSF。