適用于中小橋梁快速安全診斷的一體化裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于中小橋梁快速安全診斷的一體化裝置，包括：移動檢測車、沖擊激勵裝置、數據采集裝置以及數據處理裝置，在移動檢測車地盤下端的可伸出的懸臂系統(tǒng)；沖擊激勵裝置包括加載支架以及設置在加載支架上的加載錘；數據處理裝置包括安裝在加載錘的下端面用于測量沖擊橋梁路面形成的力的時程數據的測力傳感器和位于懸臂系統(tǒng)末端的用于測量橋梁加速度反應的加速度計傳感器；數據處理裝置根據測力傳感器測量的力的時程數據和加速度計傳感器測量的橋梁加速度反應數據識別橋梁的位移柔度矩陣。本發(fā)明保證了中小橋移動式沖擊振動測試的順利實施，保證分析所測量沖擊振動數據得出結構性能評價結果的可靠性,比傳統(tǒng)方法具有更高的優(yōu)越性。
【專利說明】適用于中小橋梁快速安全診斷的一體化裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及土木與交通工程的中小橋梁動力測試與安全評估領域。可對橋梁進行 快速沖擊振動測試，達到中小橋梁承載能力評估和安全診斷的目的。

【背景技術】
[0002] 我國國家公路網上中小橋梁數目巨大，如何保證它們的健康安全避免橋梁坍塌事 故的發(fā)生已經成為一項迫切需要的科學問題。結構承載能力為結構安全的重要指標?？ㄜ?靜載試驗為橋梁工程人員廣泛接受的現場測試方法，它通過對所測試橋梁進行靜力加載并 觀測相應的橋梁變形等指標來完成橋梁承載能力的有效評估。我國交通部《公路舊橋承載 能力鑒定方法》對卡車靜載試驗方法進行了詳細的規(guī)定和說明。美國高速公路橋梁狀態(tài)評 估手冊（AASHTO)對卡車靜載試驗也作了類似的說明。卡車靜載試驗結果可靠，且為規(guī)范規(guī) 定的方法，因而在國內外中小橋梁的承載能力評估中得到廣泛應用。但其缺點是試驗費用 昂貴、費時費力，導致試驗時關閉橋梁通車時間長，影響交通，為橋梁管理人員最不樂見。
[0003] 我國中小橋梁為數眾多，其中很大部分年久失修存在安全隱患，但卻面臨管養(yǎng)資 金和人力非常有限的困窘。因此無法廣泛使用上述的費用昂貴效率低下的卡車靜載試驗來 進行安全評估。上述現狀及實際工程中存在的對廣大中小橋梁進行安全評估的迫切性呼喚 新的快速測試評估方法和裝置的出現，以實現方便快捷的廣大中小橋梁的快速測試和安全 普查。


【發(fā)明內容】

[0004] 針對【背景技術】部分介紹的中小橋梁健康診斷的重大工程需求和存在的管養(yǎng)資金 缺乏等問題，本發(fā)明公開了一種中小橋梁快速測試一體化裝置與安全評價系統(tǒng)，其能夠對 中小橋進行方便快捷的移動式沖擊振動測試，并能夠得出和傳統(tǒng)的費力費時的卡車靜載試 驗方法類似的橋梁承載能力和安全性能評估結果。
[0005] 本發(fā)明的技術解決方案如下：
[0006] -種適用于中小橋梁快速安全診斷的一體化裝置，其特征在于，包括：移動檢測 車、沖擊激勵裝置、數據采集裝置以及數據處理裝置，
[0007] 在所述的移動檢測車地盤下端的可伸出的懸臂系統(tǒng)；
[0008] 所述的沖擊激勵裝置包括加載支架以及設置在加載支架上的加載錘；
[0009] 所述的數據采集裝置包括安裝在所述加載錘的下端面用于測量沖擊橋梁路面形 成的力的時程數據的測力傳感器和位于所述懸臂系統(tǒng)末端的用于測量橋梁加速度反應的 加速度計傳感器；
[0010] 所述的數據處理裝置根據所述測力傳感器測量的力的時程數據和加速度計傳感 器測量的橋梁加速度反應數據識別橋梁的位移柔度矩陣。
[0011] 所述數據處理裝置識別橋梁柔度矩陣的方法是：
[0012] 步驟一、建立包含結構特征狀態(tài)矩陣的關系式并計算結構狀態(tài)矩陣：
[0013] xk+1 = Axk+Buk+wk (I)
[0014] yk = Cxk+Duk+vk (2)
[0015] 其中，已知量包括：u-所測量的力的時程數據，y-所測量的橋梁加速度反應數 據；
[0016] 未知量包括：x-結構狀態(tài)向量，為結構響應中的過程量；k一代表時間步長個數； W-輸入白噪音項；V-輸出白噪聲；A，B，C，D-包含結構特征的狀態(tài)矩陣；
[0017] 步驟二、利用結構特征矩陣A, C中得出結構的頻率和振型動力特征；
[0018] 對A進行特征值分解：
[0019] = ^ A (3)
[0020] 其中A =Cliag(Ai)為對角矩陣，對角線上的元素入i為矩陣A的特征值呷為 對
[0021] 應的特征向量組成的矩陣。則結構的頻率和阻尼比為：

【權利要求】
1. 一種適用于中小橋梁快速安全診斷的一體化裝置，包括：移動檢測車、沖擊激勵裝 置、數據采集裝置以及數據處理裝置， 在所述的移動檢測車地盤下端有可伸出的懸臂系統(tǒng)； 所述的沖擊激勵裝置包括加載支架以及設置在加載支架上的加載錘； 所述的數據采集裝置包括安裝在所述加載錘的下端面用于測量沖擊橋梁路面形成的 力的時程數據的測力傳感器和位于所述懸臂系統(tǒng)末端的用于測量橋梁加速度反應的加速 度計傳感器； 所述的數據處理裝置根據所述測力傳感器測量的力的時程數據和加速度計傳感器測 量的橋梁加速度反應數據識別橋梁的位移柔度矩陣。
2. 根據權利要求1所述的一種適用于中小橋梁快速安全診斷的一體化裝置，其特征在 于，所述數據處理裝置識別橋梁柔度矩陣的方法是： 步驟一、建立包含結構特征的狀態(tài)矩陣的關系式并計算結構狀態(tài)矩陣： xk+i=Axk+Buk+wk ⑴ yk =Cxk+Duk+uk (2) 其中，已知量包括：u-所測量的力的時程數據，y-所測量的橋梁加速度反應數據； 未知量包括：x-結構狀態(tài)向量，為結構響應中的過程量；k一代表時間步長個數；《- 輸入白噪音項；u-輸出白噪聲；A，B，C，D-包含結構特征的狀態(tài)矩陣； 步驟二、利用結構狀態(tài)矩陣A，C中得出結構的頻率和振型動力特征； 對A進行特征值分解： AW=WA (3) 其中A=diag(Xi)為對角矩陣，對角線上的元素入，為矩陣A的特征值；W為對應 的特征向量組成的矩陣，則結構的頻率和阻尼比為：
其中，入。^ln^/At，入。iK，入。n分別是入。實部和虛部；《udi為結構的頻率 為 結構的阻尼，結合識別的矩陣C，則結構的模態(tài)陣型為 (^ =cw (6) 步驟三、求解得出結構的加速度頻響函數： H(w) =C(zI-A)_1B+D,z=eJwAt (7) 其中，w代表頻率，At代表離散的時間間隔； 由結構狀態(tài)矩陣A，B，C，D表達的加速度頻響函數解耦為：
其中t代表模態(tài)陣型，Ai為矩陣A的特征值，fcf:是與B有關的向量； 根據識別的加速度頻響函數式（11)求得結構的模態(tài)縮放系數：
其中，qi為第i階模態(tài)陣型所對應的模態(tài)縮放系數； 模態(tài)縮放系數1可以由上式解得：
步驟四、計算結構的位移柔度矩陣：
步驟五、計算結構在任意荷載F作用下的位移反應Disp: Disp=f*F (12)。
3.根據權利要求2所述的一種適用于中小橋梁快速安全診斷的一體化裝置，其特征在 于，所述的計算結構狀態(tài)矩陣A，B，C，D的過程為： a) 利用已知量u和y構建輸入和輸出矩陣：
b) 對上步組合的輸入輸出矩陣進行矩陣投影運算，得到以下矩陣：
c) 將h進行如下的奇異值分解，得到左奇異向量矩陣U、奇異矩陣S和右奇異向量矩 陣V:
其中，WpW2為權重矩陣，用以提高奇異值分解的精度。奇異矩陣S的非零值個數為系 統(tǒng)的階次。 d) ，為權重矩陣，用以提高奇異值分解的精度；奇異矩陣的利用奇異值分解后的矩陣得 到系統(tǒng)的擴展觀測矩陣ri和rh;
其中，ii代表將*矩陣的最后一行去掉； e) 利用最小二乘法求解下式，得到矩陣A、c和K:
其中，Yi,i代表Y1;2i中的第i行；K為狀態(tài)矩陣B和D的組合，從K中可以求出B和D。
【文檔編號】G01M7/02GK104406757SQ201410655711
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月17日 優(yōu)先權日:2014年11月17日
【發(fā)明者】張建, 夏琪, 李攀杰, 吳智深 申請人:東南大學