基于曲率包络面积和微波雷达的桥梁分布刚度识别方法

摘要

本发明公开了一种基于曲率包络面积和微波雷达的桥梁分布刚度识别方法，基于微波干涉雷达具有多点变形同步监测的优点，应用雷达实现标定移动荷载通过桥梁时观测区域多测点变形位移影响线的同步测量，然后基于曲率、转角和位移之间的本质关系通过实测位移影响线计算得到测试区域的曲率包络面积影响线，通过结构力学计算得到标定移动荷载引起的弯矩包络面积影响线，最后通过对弯矩包络面积和曲率包络面积之商在时间尺度取均值即可得到桥梁测试区域的单元刚度。本发明具有设备安装方便、测量快速便捷、鲁棒性好和非接触的优势，克服了已有方法传感器布设困难稳定性差的问题，有广泛应用于实际桥梁刚度识别的良好前景。

说明书

技术领域

本发明属于建筑结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于曲率包络面积和微波雷达的桥梁分布刚度识别方法，能够实现桥梁的刚度识别。

背景技术

桥梁是现代交通网络中极为重要的组成部分。但在长期的服役过程中，存在结构材料老化、环境腐蚀、普遍超载以及各种人为或自然灾害(如船撞、地震、飓风等)等问题。因此，桥梁的承载力会随着使用寿命的延长而逐渐降低。其结构完整性与其结构刚度密切相关，可以认为是其对结构变形的抗力。结构刚度通常与材料参数(如弹性模量E)和几何参数(如惯性矩I)相关联。因此，有必要定期对桥梁结构的真实刚度进行评估，以确保桥梁的安全运行。

过去的基于振动法的刚度识别已经有了一定的进展，主要包括时域法和频域法。然而，基于振动的方法需要沿着桥梁密集排列传感器，如加速度计、应变计和线性可变差动变压器(LVDT)，这些工作成本高、费时费力且需要交通中断。相比较，静力荷载试验也是目前评估桥梁实际状况的有效手段，且刚度可以从荷载作用下的位移测量间接估计。然而，对整座桥梁的每一跨进行重复的荷载测试成本高。因此，有必要采用某种快速无损检测方法来评估桥梁的状况。由于测量相对简单快捷，基于影响线的损伤识别方法最近有广泛的应用。并且，最近提出了一种基于旋转影响线的鲁棒和新颖的损伤识别方法，这种方法仅使用桥梁两端的两个测点。结果表明，基于转角影响线的损伤识别方法即使距离传感器位置较远也能识别损伤，且转角影响线变化对局部损伤敏感性高。虽然这些损伤识别方法可以表征损伤位置的刚度变化，但它们不能识别桥梁的真实刚度，更不能估计的分布刚度。传统的影响线的测量需要布置接触式传感器，费时费力，并存在一定的风险。作为一种非接触式位移测量方法，基于视觉的位移测量技术克服了这一缺点，但在弱光条件下远程测量存在困难。基于微波干扰雷达技术的传感器系统主要通过对不同时间的微波电磁信号进行干扰处理，为位移测量提供了一种有潜力的非接触式位移测量方法。与目前广泛使用的点式传感器不同，微波干扰雷达设备可以看作是一种非接触式分布式传感技术。基于以上所述背景，有必要发明一种快速便捷、安全高效的桥梁刚度识别方法，以实现桥梁性能的无损评估。

发明内容

解决的技术问题：本发明公开了一种基于曲率包络面积和微波雷达的桥梁分布刚度识别方法，具有设备安装方便、测量快速便捷、鲁棒性好和非接触的优势，克服了已有方法传感器布设困难稳定性差的问题，有广泛应用于实际桥梁刚度识别的良好前景。

技术方案：

一种基于曲率包络面积和微波雷达的桥梁分布刚度识别方法，所述桥梁单元分布刚度识别方法包括以下步骤：

S1，在标定移动荷载p通过测试桥梁时，利用雷达对测试桥梁区域内各个测试单元节点的位移影响线y(x

S2，对距离为Ax的测试单元i的前端节点位置x

S3，计算标定移动荷载p引起的观测区域内测试单元i的弯矩包络面积影响线A

S4，对A

进一步地，步骤S1中，利用雷达对测试桥梁区域内各个测试单元节点的位移影响线y(xi，t)进行同步监测的过程包括以下子步骤：

S11，调整雷达参数，将观测区域设置在雷达的主瓣范围内；驱使雷达对测试桥梁持续发射信号，捕捉主瓣范围内桥梁底面的回波信号；

S12，通过相位干涉法测得观测区域内移动荷载作用下所有距离单元测点的位移影响线在雷达和测点连线方向的分量，通过雷达自带的辅助定位装置推算出雷达距离桥梁底部距离H；

S13，通过几何关系转换得到测点单元i所属节点位置的真实竖向的位移影响线y(x

式中，y

进一步地，步骤S2中，采用下述公式计算得到转角影响线θ(x

式中，y(x

进一步地，步骤S3中，根据第t时刻移动荷载位置x

其中，x

进一步地，步骤S4中，采用下述公式计算得到测试单元i的均匀刚度EI(x

式中，T是标定移动荷载p通过测试单元i的总时长。

进一步地，采用下述公式计算得到总弯矩包络面积影响线：

式中A

本发明提供了一种基于微波干涉雷达技术和曲率包络面积的桥梁单元分布刚度识别方法：首先，利用非接触同步测量的特点，提出的微波推理雷达实现了多点位移影响线的采集；然后，基于曲率包络面积与单元刚度一对一的精确对应关系，利用曲率、旋转和位移之间的本质关系，通过标定的移动荷载计算出弯矩包络面积和观测的位移影响线计算出桥梁单元刚度；最后，利用雷达可通过同时测量实现多点位移影响线的特点，参照所提出的单元刚度识别方法，进一步获得被监测段的桥梁单元刚度识别。

有益效果：

第一，本发明的基于曲率包络面积和微波雷达的桥梁分布刚度识别方法，解决了传统的桥梁多测点位移影响线测量需要大量接触式传感器安装费时费力、测试成本高的不足。

第二，本发明的基于曲率包络面积和微波雷达的桥梁分布刚度识别方法，具有快速便捷、鲁棒性好和测试精度高的优势，适用于桥梁的分布刚度识别以进行桥梁性能评估。

附图说明

图1为本发明实施例的基于曲率包络面积和微波雷达的桥梁分布刚度识别方法原理示意图；

图2为多测点位移影响线观测原理示意图；

图3为弯矩包络面积影响线的计算原理示意图；

图4为弯矩包络面积影响线在多轴移动荷载作用下的计算原理示意图；

图5为应用于试验桥梁计算结果示意图；

图6为观测区域内M5-6、M6-7、M7-8的曲率包络面积影响线示意图；

图7为每个轴引起的弯矩包络面积影响线和总的弯矩包络面积影响线示意图。

具体实施方式

下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

参见图1，本实施例公开了一种基于曲率包络面积和微波雷达的桥梁分布刚度识别方法，所述桥梁单元分布刚度识别方法包括以下步骤：

S1，在标定移动荷载p通过测试桥梁时，利用雷达对测试桥梁区域内各个测试单元节点的位移影响线y(x

S2，对距离为Δx的测试单元i的前端节点位置xi和后端节点位置x

S3，计算标定移动荷载p引起的观测区域内测试单元i的弯矩包络面积影响线A

S4，对A

具体包括如下步骤：

步骤1：观测区域的多测点位移影响线。

雷达设备对测试桥梁持续发射信号，其中雷达天线只能捕捉主瓣范围内桥梁底面的回波信号，所以主瓣内的桥梁属于观测区域，通过相位干涉法可以测得观测区域内移动荷载作用下所有距离单元测点的位移影响线在雷达和测点连线方向的分量，然后通过雷达自带的辅助定位装置推算出雷达距离桥梁底部距离，最后可以通过几何关系转换得到所有测点单元测点真实竖向的位移影响线y(x

步骤2：曲率包络面积的计算。

对观测区域内相邻第i和第i+1个测点的位移影响线做一阶差分，可以得到第i个测点的转角影响线，对相邻第i和第i+1个测点的转角影响线做差，可计算得到测试单元i的曲率包络面积影响线。

其中，θ(x，t)为转角影响线，A

步骤3：弯矩包络面积影响线的计算。

如图移动荷载位置与区间[x

式中，v为移动荷载的速度，l为桥梁的跨径，P为车辆的重量。

如图4所示，在实际中，车辆在桥上运动时，载荷输入为各轴载荷之和，因此总弯矩包络面积影响线等于各轴诱导的弯矩包络面积影响线之和：

式中A

步骤4：桥梁观测区域分布刚度识别。

如图5所示，结合基于位移影响线的单元刚度识别方法，可得到区间[x

其中，

将计算得到的弯矩包络面积影响线和曲率包络面积影响线代入上式可以得到

其中，R＝v*Δx/l。

下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，测试例为一个两轴小车移动荷载作用下的钢梁区域分布刚度识别。

试验测试系统由车辆系统、模型桥系统、监控系统三部分组成。模型车辆为双轴间距为20cm的钢制的车辆重约20kg，车速通过人力缓慢手拉控制，所以可以认为车辆时匀速形式的。模型桥截面为hxb＝10cmx15cm的壁厚为3.5mm的开口矩形钢管。试验墩台高度为1.2m，试验梁底部距离地面为1.3m。对矩形钢管梁事先进行了材性实验，通过应力-应变曲线可以得到被试钢的杨氏模量为2.1GPa。作为对比的，利用光学相机和接触式倾角仪同时测量节点的变形和转角用于验证测量识别的结果。

本实施例的桥梁单元分布刚度识别方法的具体步骤如下：

步骤1：为了更准确地定位测量点，减少来自周围杂物的回波信号，在桥下放置了5个角反射器(M5-M8)，通过雷达自带的罗盘测得的俯仰角为20.5°，激光指示器测得的波束中心线距离为2.5m。小车移动时测得观测区域内M5-M9的位移影响线，其中所采用的雷达为自制研发的雷达设备，距离分辨率为0.5m，并通过一阶差分法计算得到观测区域内M5-M8的转角影响线，进一步做差可以得到观测区域内M5-6、M6-7、M7-8的曲率包络面积影响线，结果如图6所示，通过对比可以看出雷达设备测得的位移影响线与光学相机测得的结果吻合良好，并结通过一阶差分法计算得到的转角也与接触式倾角仪测得的结果吻合较好。

步骤2：小车的重量是20kg，假定每个轴重10kg，采用本实施例的桥梁单元分布刚度识别方法计算得到的每个轴引起的弯矩包络面积影响线和总的弯矩包络面积影响线如图7所示，结合本实施例的桥梁单元分布刚度识别方法可以计算得到观测区域内测试单元的刚度，与真实结果的误差小于5％，满足要求。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。