專利名稱：測量橋梁下部結(jié)構(gòu)自振頻率的沖擊振動法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量橋梁下部結(jié)構(gòu)自振頻率的方法。
背景技術：
自振頻率是橋梁下部結(jié)構(gòu)的固有特性，由橋墩系統(tǒng)的剛度和質(zhì)量決定。當橋墩發(fā)生病害時，一般認為病害只改變系統(tǒng)的剛度，而不改變系統(tǒng)的質(zhì)量，所以自振頻率的變化能反映橋墩剛度的變化，即能反映病害。橋墩橫向振動時，梁和軌道的約束作用很小，可以忽略不計，所以橫向自振頻率對病害非常敏感?；谝陨显?，用自振頻率指標評判橋墩的健全度一直是國內(nèi)外研究的熱點。這種方法的基本思路是給定橋墩的基準自振頻率，若實測橋墩的自振頻率高于基準值，則認為橋墩沒有問題，滿足要求；反之，則認為橋墩出現(xiàn)了病害，必須進行詳細檢查，如有必要還要進行維修加固。因此，應用這種方法的關鍵是要準確測量橋墩的自振頻率。
2005年2月出版的《北京交通大學學報》29卷、第一期《既有橋梁墩臺自振頻率測試的沖擊振動試驗法》對沖擊振動測量橋墩自振頻率的基本原理和實施步驟進行了簡單的介紹并給出了應用實例，但是該文獻并未給出對時域信號截取及疊加消除信號噪聲的具體措施，也未給出實現(xiàn)沖擊響應信號相位譜的具體方。單純依據(jù)該文獻公開的內(nèi)容，本行業(yè)的技術人員無法用該方法測量出橋墩的自振頻率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題克服了現(xiàn)有技術存在的問題，提供一種測量橋梁下部結(jié)構(gòu)自振頻率的方法。
本發(fā)明的技術方案1.測量橋梁下部結(jié)構(gòu)自振頻率的沖擊振動法，其實施步驟為(1)布置傳感器、線路及信號采集設備當僅需要測量橋墩的自振頻率時，在墩頂和相鄰的兩跨梁跨中分別布置一個傳感器；當需要測量橋墩的振型時，除了在相鄰的兩跨梁跨中分別布置一個傳感器外，在橋墩上布置三個傳感器墩頂一個，墩中間一個，墩底部一個；布置好傳感器后，用信號線將傳感器及信號采集設備連接起來；
(2)布置重錘用繩子將重錘固定在橋梁護欄欄桿或者上人梯上；(3)操作重錘及信號采集操作人員在墩頂或陸地上操作重錘，啟動信號采集系統(tǒng)，在2～5秒后，用重錘敲擊橋墩，在觀察到全部信號衰減完畢后，關閉信號采集系統(tǒng)，并對采集到的數(shù)據(jù)進行存盤，用同樣的方法采集10次信號；(4)進行信號處理用編制的分析程序?qū)Σ杉降亩枕敽土嚎缰械?0次沖擊響應信號進行截取、疊加處理，然后進行傅立葉分析得到響應的幅值譜和相位譜；(5)確定橋墩的自振頻率對于速度傳感器記錄的速度響應信號，相位差為180度或360度的幅值譜峰值點對應的頻率確定為橋墩的自振頻率；對于加速度傳感器記錄的加速度響應信號，相位差為90度或270度的幅值譜峰值點對應的頻率確定為橋墩的自振頻率。
確定響應信號相位譜的具體方法對疊加后的2048個時域響應數(shù)據(jù)進行快速傅立葉變換得到復數(shù)列am+bm(m＝1，2，…，2048)。按照公式(1)計算反正切角θ‾m=tan-1|bmam|---(1)]]>根據(jù)下列原則確定各個數(shù)據(jù)點的相位角(a)若am＞0，bm＞0，數(shù)據(jù)點位于第一象限，θm＝θm；(b)若am＜0，bm＞0，數(shù)據(jù)點位于第二象限，θm＝180-θm；(c)若am＜0，bm＜0，數(shù)據(jù)點位于第三象限，θm＝180+θm；(d)若am＞0，bm＜0，數(shù)據(jù)點位于第四象限，θm＝360-θm；按照上述原則確定相位角后，將其按照下式進行計算θ′m＝θm(2)按照公式(3)計算幅值rm′=am2+bm2---(3)]]>以頻率為橫軸、公式(2)計算的相位角為縱軸繪制出來的相位角—頻率關系曲線稱為相位譜。
本發(fā)明和已有技術相比所具有的有益效果
沖擊振動法操作簡單，利用列車通行間隔進行試驗，不需要中斷線路的正常運營，可以方便快捷地對大量橋墩進行測試。該方法利用幅值譜和相位譜雙重因素可以排除外界噪聲和體系中其它構(gòu)件的影響，準確判斷橋墩的自振頻率。由于沖擊振動法的有效性及快捷性，可以利用該方法對大量狀態(tài)完好的橋墩進行自振頻率測量，并利用回歸分析得到橋墩自振頻率的回歸標準，然后通過將某一橋墩測量的自振頻率與回歸標準進行比較判定該橋墩的技術狀態(tài)。


圖1是墩身傳感器布置圖；圖2是墩頂操作重錘方法圖；圖3是陸地上操作重錘方法圖；圖4是沖擊振動響應信號截取及疊加示意圖；圖5是相位角確定原理圖；圖6是利用速度響應信號的傅立葉頻譜確定自振頻率的原理圖；圖7是利用加速度響應信號的傅立葉頻譜確定自振頻率的原理圖；圖8是某橋6P號墩頂部測點經(jīng)過疊加處理后的速度響應時域圖；圖9是某橋6P號墩頂部測點響應信號的傅立葉頻譜圖；圖10是橋6P號墩相鄰梁跨中測點響應信號的傅立葉頻譜圖；圖11是吉林市附近某橋4號墩頂部測點第1次沖擊振動速度響應時域圖；圖12是吉林市附近某橋4號墩頂部測點第2次沖擊振動速度響應時域圖；圖13是吉林市附近某橋4號墩頂部測點第3次沖擊振動速度響應時域圖；圖14是吉林市附近某橋4號墩頂部測點第4次沖擊振動速度響應時域圖；圖15是吉林市附近某橋4號墩頂部測點第5次沖擊振動速度響應時域圖；圖16是吉林市附近某橋4號墩頂部測點第6次沖擊振動速度響應時域圖；圖17是吉林市附近某橋4號墩頂部測點第7次沖擊振動速度響應時域圖；圖18是吉林市附近某橋4號墩頂部測點第8次沖擊振動速度響應時域圖；圖19是吉林市附近某橋4號墩頂部測點第9次沖擊振動速度響應時域圖；圖20是吉林市附近某橋4號墩頂部測點第10次沖擊振動速度響應時域圖；圖21是圖13～22中所述橋墩響應信號經(jīng)過疊加處理過的速度響應時域圖；圖22是圖21中響應信號的傅立葉頻譜圖。
具體實施例方式
結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
1.沖擊振動法概述。
沖擊振動法的基本原理是用重錘擊打橋墩，通過測量橋墩的振動響應并對其進行分析求得其自振頻率。用重錘擊打橋墩頂部，測量橋梁的速度、加速度等響應。為了提高信號的信噪比，通常進行多次擊打，通過記錄波形的疊加消除噪音，獲得準確響應波形。進行數(shù)據(jù)的處理分析讀取響應波形，進行傅立葉解析，確定傅立葉頻譜，然后結(jié)合幅值譜和相位譜確定橋梁的自振頻率。
信號采集設備要求采用高靈敏度速度傳感器或加速度傳感器，與傳感器配套的信號放大器要采用直通檔，避免采用微分或者積分檔。
2.沖擊振動法的實施步驟2.1布置傳感器、線路及信號采集設備。
測量時在橋墩上布置速度傳感器或者加速度傳感器當僅需要測量自振頻率時，在墩頂和相鄰的兩跨梁跨中分別布置一個傳感器；當需要同時測量振型和頻率時，除了在相鄰的兩跨梁跨中分別布置一個傳感器外，在橋墩上布置三個傳感器墩頂一個，墩中間一個，墩底部一個。傳感器的布置方向為垂直于線路方向。橋墩頂部的傳感器可以直接固定在橋墩頂面混凝土上。安置沿墩身的傳感器時，需要事先在安裝傳感器的位置粘貼木塊，然后將傳感器固定在木塊上，如圖1所示。實際應用中，一般用橡皮泥或石膏粉固定傳感器的位置，一方面可以迅速凝固，另一方面也能保證傳感器的可靠連接。布置好傳感器后，用信號線將傳感器及信號采集設備連接起來。
2.2布置重錘。
為了能有效激起橋墩的振動，并考慮到操作的方便，選用30kg的重錘。重錘由鑄鐵制成，直徑20厘米。為了避免對墩身混凝土造成結(jié)構(gòu)性損傷，在重錘表面外包硬質(zhì)橡膠，橡膠的硬度和舊輪胎接近。為操作方便，重錘可以被拆分以便于試驗之后搬運。
一般鐵路橋梁都設有人行道及護欄，可以將重錘用繩子固定在護欄欄桿或者上人梯上，如圖4所示。
2.3操作重錘及信號采集。
對陸地上的高橋墩或位于水中的橋墩實施沖擊振動時，工作人員站在墩頂操作重錘，如圖2所示。對陸地上的低橋墩實施沖擊振動時，工作人員站在陸地上操作重錘，如圖3所示。注意每次敲錘的力度要大概一致，并避免連擊，即避免重錘敲擊橋墩后再次碰撞橋墩，同時要盡量使敲擊方向和橋梁線路方向垂直。
用隨機采樣的方式采集橋墩的沖擊響應信號。啟動信號采集系統(tǒng)，在2～5秒后，用重錘敲擊橋墩，在觀察到全部信號衰減完畢后，關閉信號采集系統(tǒng)，并對采集到的數(shù)據(jù)進行存盤。用同樣的方法采集10次信號。為了避免頻率混疊，對于中國一般常用跨度橋梁的橋墩，信號采樣頻率可設為500Hz。
2.4進行信號處理。
由于外界干擾是隨機的，為消除響應信號中的噪聲，減少響應信號幅值譜和相位譜的誤差，采取多次信號疊加的方法。
2.4.1信號截取和疊加處理。
對采集到的橋墩的10次響應信號，從最大響應峰值點前的0.02秒處開始，截取2048個響應信號點，把截取的10個信號疊加，就得到了沖擊響應的波形。信號截取和疊加方法如圖4所示。
2.4.2傅立葉分析。
對疊加后的2048個時域響應數(shù)據(jù)進行快速傅立葉變換得到復數(shù)列am+bm(m＝1，2，…，2048)。按照公式(1)計算反正切角θ‾m=tan-1|bmam|---(1)]]>然后參照圖5，根據(jù)下列原則確定各個數(shù)據(jù)點的相位角(a)若am＞0，bm＞0，數(shù)據(jù)點位于第一象限，θm＝θm；(b)若am＜0，bm＞0，數(shù)據(jù)點位于第二象限，θm＝180-θm；(c)若am＜0，bm＜0，數(shù)據(jù)點位于第三象限，θm＝180+θm；(d)若am＞0，bm＜0，數(shù)據(jù)點位于第四象限，θm＝360-θm；按照上述原則確定相位角后，將其按照下式進行計算θ′m＝θm(2)按照公式(3)計算幅值rm′=am2+bm2---(3)]]>以頻率為橫軸、公式(2)計算的相位角為縱軸繪制出來的相位角—頻率關系曲線稱為相位譜；以頻率為橫軸、公式(3)計算的幅值為縱軸繪制出來的幅值—頻率關系曲線稱為幅值譜。參見圖6。
2.4.3確定橋墩自振頻率。
橋墩的自振頻率根據(jù)響應的幅值譜和相位譜確定對于速度傳感器記錄的速度響應信號，相位差為180度或360度的幅值譜峰值點對應的頻率確定為橋墩的自振頻率；對于加速度傳感器記錄的加速度響應信號，相位差為90度或270度的幅值譜峰值點對應的頻率確定為橋墩的自振頻率；例如，對速度響應信號進行傅立葉分析，得到圖6所示的傅立葉頻譜，利用沖擊振動法的原理確定橋墩的自振頻率為f1；對加速度響應信號進行頻譜分析，得到圖7所示的傅立葉頻譜，利用沖擊振動法的原理確定橋墩的自振頻率也為f1。
2.4.4橋墩響應頻譜中其它構(gòu)件干擾的判別和消除。
沖擊振動試驗中，敲擊橋墩的同時也激起相鄰梁和橋墩等其它構(gòu)件的振動，因此信號頻譜可能會受到這些構(gòu)件的干擾，需要加以判別和消除。方法主要有兩種(1)根據(jù)響應的相位判別敲擊橋墩頂部時，橋墩的基階振型表現(xiàn)為其各測點的同向搖擺，所以各點相位相同。對于由橋墩和梁組成的結(jié)構(gòu)體系中的其它構(gòu)件，其相位角往往和橋墩不同。對相鄰梁和橋墩的響應分別進行分析，可根據(jù)前述的相位角理論確定自振頻率。若相鄰梁或橋墩的自振頻率比測量橋墩的自振頻率低，也就是比測量橋墩柔度大時，可能會對測量橋墩的自振頻率判定產(chǎn)生影響反映到測量橋墩的頻譜中，在相鄰梁或橋墩的自振頻率處，幅值譜中可能會出現(xiàn)峰值點。但是由于該頻率不是測量墩的自振頻率，所以相位角往往不滿足2.4.3中所述的判定條件，從而可據(jù)此對幅值譜中測量橋墩自振頻率以外的峰值點進行鑒別，得到測量橋墩的自振頻率。
(2)在相應構(gòu)件上布置傳感器判別為了有效地判別和消除相鄰梁或橋墩等其它構(gòu)件的干擾，可在在相應構(gòu)件上布置傳感器，以幫助確定這些構(gòu)件的自振頻率。
例如，在對某橋6P號橋墩的沖擊振動試驗中，在橋墩頂部和相鄰梁跨中布置了傳感器，記錄了速度響應信號，并進行了頻譜分析，見圖8～10。
橋墩的自振頻率用傅里葉幅值譜和相位譜進行確定。確定自振頻率的條件是速度信號傅立葉頻譜的卓越頻率處相位角為180度或360度。
由圖9可見，該橋墩傅立葉頻譜的第一個卓越頻率為3.4Hz，但3.4Hz處峰值點對應的相位差不是180度或者360度，所以可以判斷這個頻率不是橋墩的自振頻率。通過對相鄰梁響應信號進行分析，可確認3.4Hz為梁的自振頻率，見圖10。如果僅分析幅值譜，就有可能把3.4Hz誤判為橋墩的自振頻率。
圖9中傅立葉頻譜的第二個卓越頻率為5.6Hz，相位角為180度，故本橋墩的自振頻率確定為5.6Hz。
3.沖擊振動法的工程應用實例。
為了檢驗沖擊振動法的有效性，于2005年6月對吉林市附近的一座鐵路橋的4號橋墩進行了試驗。該橋為單線橋，基礎為沉井基礎，地基為砂礫層，上部結(jié)構(gòu)為31.7米的簡支混凝土T梁。
對橋墩進行了10次敲擊，敲擊信號如圖11～20所示。按照2.4.1所述的方法對10個信號進行截取和疊加，得到了圖21所示的速度沖擊響應信號。對該信號進行傅立葉分析就得到了響應信號的幅值譜和相位譜，如圖20所示。
試驗使用的是速度傳感器，從圖22可以看出，在6.35Hz處，幅值譜中出現(xiàn)峰值點，相位譜中對應的相位角為180度。根據(jù)2.4.3中所述的確定自振頻率的基本原理，可以明確斷定該橋墩的自振頻率為6.35Hz。
權(quán)利要求
1.測量橋梁下部結(jié)構(gòu)自振頻率的沖擊振動法，該方法的實施步驟步驟1，布置傳感器、線路及信號采集設備；步驟2，布置重錘；步驟3，操作重錘及信號采集；步驟4，進行信號處理；步驟5，確定橋墩的自振頻率；其特征在于上述步驟1當僅需要測量橋墩的自振頻率時，在墩頂和相鄰的兩跨梁跨中分別布置一個傳感器；當需要測量橋墩的振型時，除了在相鄰的兩跨梁跨中分別布置一個傳感器外，在橋墩上布置三個傳感器墩頂一個，墩中間一個，墩底部一個；布置好傳感器后，把信號放大器置直通檔，用信號線將傳感器及信號采集設備連接起來；上述步驟3操作人員在墩頂或陸地上操作重錘，啟動信號采集系統(tǒng)，然后用重錘敲擊橋墩，在觀察到全部信號衰減完畢后，關閉信號采集系統(tǒng)，并對采集到的數(shù)據(jù)進行存盤，用同樣的方法采集10次信號；上述步驟4對響應信號進行截取、疊加處理對采集到的橋墩的10次響應信號，從最大響應峰值點前的0.02秒處開始，截取2048個響應信號點，把截取的10個信號疊加，就得到了消除噪聲后的沖擊響應的波形；確定響應信號相位譜的具體方法對疊加后的2048個時域響應數(shù)據(jù)進行快速傅立葉變換得到復數(shù)列am+bm(m＝1，2，…，2048)。按照公式(1)計算反正切角θ‾m=tan-1|bmam|----(1)]]>根據(jù)下列原則確定各個數(shù)據(jù)點的相位角(a)若am＞0，bm＞0，數(shù)據(jù)點位于第一象限，θm＝θm；(b)若am＜0，bm＞0，數(shù)據(jù)點位于第二象限，θm＝180-θm；(c)若am＜0，bm＜0，數(shù)據(jù)點位于第三象限，θm＝180+θm；(d)若am＞0，bm＜0，數(shù)據(jù)點位于第四象限，θm＝360-θm；按照上述原則確定相位角后，將其按照下式進行計算θ′m＝θm(2)按照公式(3)計算幅值rm′=am2+bm2----(3)]]>以頻率為橫軸、公式(2)計算的相位角為縱軸繪制出來的相位角—頻率關系曲線稱為相位譜。
全文摘要
測量橋梁下部結(jié)構(gòu)自振頻率的沖擊振動法，其基本原理是用重錘擊打橋墩，通過測量橋墩的振動響應并對其進行分析求得其自振頻率。用重錘擊打橋墩頂部，測量橋梁的速度、加速度等響應。為了提高信號的信噪比，通常進行多次擊打，通過對記錄波形的疊加消除噪音，獲得準確響應波形。讀取響應波形，進行傅立葉解析，確定傅立葉頻譜，結(jié)合幅值譜和相位譜確定橋梁的自振頻率對于速度響應信號，相位差為180度或360度的幅值譜峰值點對應的頻率確定為橋墩的自振頻率；對于加速度響應信號，相位差為90度或270度的幅值譜峰值點對應的頻率確定為橋墩的自振頻率。該方法的優(yōu)點是通過相位角條件排除外界干擾或橋梁體系中其它構(gòu)件的頻率，精確確定橋墩的自振頻率。
文檔編號G01M7/00GK1804563SQ20051008660
公開日2006年7月19日 申請日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月14日
發(fā)明者夏禾, 西村昭彥, 戰(zhàn)家旺, 齊琳 申請人:北京交通大學