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原文传递基于车辆扫描法和经验小波变换的桥梁损伤识别研究

论文题名：	基于车辆扫描法和经验小波变换的桥梁损伤识别研究
关键词：	桥梁损伤识别;车辆扫描法;经验小波变换;驱车频率;本征模态函数
摘要：	随着我国基础建设的快速推进，一大批中小跨径桥梁服役年限超过20年。由于交通量快速增长，超载现象长期存在，导致中小跨径桥梁健康状况面临严峻考验。目前，基于人工巡检的中小跨径桥梁健康状况评估存在费时费力的缺陷。为此，Yang等提出了车辆扫描法（VehicleScanningMethod，VSM）；该方法通过在车辆上安装加速度传感器，记录车辆在桥梁上行驶过程中的加速度响应，结合车桥耦合分析识别桥梁模态参数，并进一步识别桥梁损伤。基于VSM的桥梁损伤识别方法具有快速、高效，节省人力物力的优点。　　论文提出了一种新的基于VSM的桥梁损伤识别方法。该方法首先获得车辆通过无损桥梁和损伤桥梁的车辆加速度响应和接触点加速度响应；然后利用经验小波变换（EmpiricalWaveletTransform，EWT）处理加速度响应，得到驱车频率对应的本征模态函数（Intrinsicmodefunction，IMF）；最后利用IMF的差值构建损伤指标，识别桥梁损伤。论文将分别利用车辆加速度响应和接触点加速度响应进行损伤识别。论文的主要研究内容及结论如下：　　首先，以单轴车模型为例，介绍了基于VSM的桥梁损伤识别理论基础。推导了单轴车-桥梁耦合振动模型的桥梁、车辆和接触点响应的理论表达式，分析接触点响应中各频率成分，并介绍了EWT的原理和新的损伤指标。结果表明：接触点响应中仅包含驱车频率和桥梁频率成分，无车辆频率成分，避免了车辆频率对损伤识别的干扰。　　其次，利用所提损伤指标，基于单轴车模型识别桥梁损伤。计算单轴车-桥梁耦合振动系统的响应，分析所提损伤指标识别简支梁桥单一损伤、多损伤和微小损伤的能力；然后，分析桥梁阻尼、车辆阻尼、车桥质量比、车速、测量噪声、路面粗糙度等参数对损伤识别的影响。结果表明：基于车辆响应和接触点响应的损伤识别结果一致；构建的损伤指标可以识别不同位置的单一损伤和多损伤；损伤位置不同，对应损伤指标峰值大小不同。损伤指标敏感性较高，可识别1%的微小损伤。桥梁和车辆阻尼对损伤识别结果有一定影响，测量车阻尼越小，损伤指标识别效果越好；对于不同的车桥质量比，车辆频率越接近桥梁自振频率，损伤识别效果越好。考虑到实际车辆频率高于桥梁基频；因此，在实际测试中可以通过增加车辆质量的方式来获得更好的识别效果；在20%等级测量噪声和A等级路面粗糙度情况下，所提损伤指标仍可以清晰识别损伤位置，具有一定的抗噪性。　　再次，将车辆模型推广至双轴车，进一步考察所提损伤指标识别简支梁损伤的能力，并与单轴车损伤识别结果进行对比。结果表明：基于双轴车-桥梁耦合振动模型，所提损伤指标可以识别简支梁多损伤和微小损伤，具有较好的损伤识别效果。车桥质量比、车速、噪声和路面粗糙度等因素对双轴车损伤识别效果的影响同单轴车一致，需要注意的是：由于双轴车前后轴的依次上下桥，导致驱车频率的滤波范围选择会影响损伤识别精度。若滤波范围选择较大，则损伤位置更容易暴露，识别结果更为准确；然而，滤波范围选择过大，会引入更多的干扰。因此，为得到最好的识别效果，需要对滤波范围进行选择调整。　　最后，设计简支梁桥损伤识别模型实验，验证所提损伤指标在实际应用中的可行性。实验结果表明：基于VSM可以准确识别车桥系统的自振频率，且基于自振频率的变化可以判断损伤存在；通过增加小车质量和车速，可以提高驱车频率幅值，增加驱车频率的可视性；所提损伤指标可以成功识别简支梁单一损伤和多损伤，但车辆自身局部振动和测量噪声对损伤识别效果的干扰较为严重。
作者：	冯嘉诚
专业：	土木工程
导师：	秦世强
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022