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原文传递考虑车体结构参数影响的车辆扫描法识别桥梁模态研究

论文题名：	考虑车体结构参数影响的车辆扫描法识别桥梁模态研究
关键词：	公路桥梁;车辆扫描法;车-桥接触响应;车体结构参数
摘要：	2020年末，我国公路桥梁达到91.28万座。面对如此巨大的健康检测需求，推行快速、高效的检测方法十分有必要。基于车-桥耦合原理，Yang等提出了车辆扫描法（Vehiclescanningmethod，VSM）以检测桥梁健康状态。该方法将传感器安置于车体上以间接识别桥梁动态响应，具有机动性好、快速、经济等特点。基于车辆扫描法，本文提出了考虑车体结构参数影响的桥梁频率、振型识别方法，主要内容如下：　　（1）建立了考虑车体阻尼情况下的车-桥测量模型，得到了单轴测量车通过桥梁时的理论解，并基于车体动力方程建立了车-桥接触响应算法以滤除车体自身频率干扰。研究中，测量车被模拟为单自由度体系，分别得到了桥梁响应、车体响应及车-桥接触响应理论解。研究建立了车体与桥梁间的振动传递关系，其结果对测量车设计有指导作用。建立了充分考虑了车体阻尼的影响的车-桥接触响应算法，其可有效消除车体响应中车体频率的干扰，提高了桥梁动态响应识别效果。　　（2）开展实验研究验证了车辆扫描法的可行性，同时验证了所提出的车-桥接触响应算法。研究中，自行设计、制造了一辆单轴、两轮测量车，用于近似模拟理论上的单自由度系统。分别研究了测量车自身动力特性、车桥间的振动传递关系，以及静止与运动状态下其对桥梁频率识别的效果。基于车体响应，验证了所提出的车-桥接触响应算法，结果显示该算法能够有效消除测量车车体自身频率的干扰。　　（3）揭示了单轴车摇摆运动机理，建立了单轴车摇摆运动影响下的车-桥接触响应算法。以往理论研究中单轴测量车往往被简化为单自由度系统，然而实际中单轴测量车是由一个车轴和两个车轮组成的三维结构。当测量车通过桥梁时，其两个车轮会受到不同道路粗糙度的激励，且桥梁自身振动传递到每个车轮的信号亦有所不同，此将引起车体沿车轴的摇摆运动，而这是过往研究没有考虑的。研究建立了车体摇摆运动模型，提出了摇摆运动状态下的车-桥接触响应算法以消除单轴车竖向和摇摆运动干扰，并开展了实验研究。　　（4）提出了变分模态分解与带通滤波相结合的技术（Variationalmodedecompositionwithband-passfilter，VMD-BPF）以增强车辆扫描法对桥梁频率的识别效果。研究中，VMD用于桥梁模态分解，带通滤波用于预先滤除部分粗糙度频率以提高VMD的分解效率及结果。数值和实验研究表明，基于车-桥接触响应的VMD-BPF技术可提高桥梁频率识别结果。　　（5）提出利用双轴车同时消除车体频率及道路粗糙度影响。双轴车相较于单轴车而言，有更高的稳定性，且其与桥梁的接触点更多，因此能够获取更多桥梁动态响应。然而在双轴测量车过桥识别桥梁动力特性的过程中，车体除了存在竖向响应，其转动响应亦会带来额外干扰。本研究充分考虑了双轴车的竖向运动和转动，并利用竖向和转动响应计算得到车体前、后车轮车-桥接触响应以消除车体竖向和转动频率，同时利用前、后车轮车-桥接触响应的残差来降低道路粗糙度影响。研究中，基于双轴车车-桥接触响应，同时结合变分模态分解与希尔伯特变换相结合的技术（VariationalmodaldecompositionwithHilberttransformation，VMD-HT）得到桥梁振型识别理论方法。
作者：	徐昊
专业：	土木工程
导师：	杨永斌
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2021