一种基于毫米波雷达测试桥梁动挠度自振频率的方法

技术领域

本发明涉及桥梁动力性能测试的技术领域，尤其涉及一种基于毫米波雷达测试桥梁动挠度自振频率的方法。

背景技术

目前，我国关于公路桥梁动力性能评定的主要参数包括振型、阻尼比和自振频率。但振型和阻尼比参数在现行规范中的评定标准不明确，而自振频率反映的桥梁动刚度是桥梁动力性能评价的关键参数。人行天桥对于桥梁自振频率有明确的要求，因此人行天桥的自振频率也是要求测试的关键参数。传统的桥梁结构自振频率的测试常采用脉动试验来进行，即利用加速度和速度传感器进行动力测试，通过模态分析对桥梁自振频率进行测试。在现有技术中，使用毫米波雷达测试桥梁动挠度的方法具有非接触、全天候、多目标和高精度等特点，在桥梁动态测试中可以利用其时程曲线进行自振频率的提取。然而，目前还未见有完整的结合桥梁结构理论分析提取桥梁动挠度自振频率的方法。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提出一种基于毫米波雷达测试桥梁动挠度自振频率的方法，以解决现有技术的以下问题：传统的桥梁结构自振频率的测试需要采用脉动试验来进行，即利用加速度和速度传感器进行动力测试，通过模态分析对桥梁自振频率进行测试，而目前还未见有完整的结合桥梁结构理论分析提取桥梁动挠度自振频率的方法。

本发明实施例的技术方案为：

一种基于毫米波雷达测试桥梁动挠度自振频率的方法，其包括以下步骤：

步骤一，确定要分析的目标桥梁对应的目标振动阶次；步骤二，根据所述目标桥梁对应的结构型式和所述目标振动阶次，确定对所述目标桥梁进行动载测试的目标激励方式；步骤三，根据所述目标激励方式并结合毫米波雷达对所述目标桥梁进行动载测试，得到所述目标桥梁对应的目标动挠度时程曲线；步骤四，基于所述目标振动阶次，使用带通滤波器将所述目标动挠度时程曲线进行带通滤波处理，得到仅包含单一波形的目标振动时程曲线；步骤五，若所述目标振动时程曲线的单一波形为所述目标振动阶次对应的振动波形，则将所述目标振动时程曲线作为提取所述目标桥梁在所述目标振动阶次下的自振频率的目标基准曲线；步骤六，在所述目标基准曲线中获取若干个周期的波形，并根据所述若干个周期的波形得到所述目标桥梁在所述目标振动阶次范围的目标自振频率。

优选地，在所述步骤五中，若所述目标振动时程曲线的单一波形与所述目标振动阶次对应的波形不相同，则按照所述步骤二的方法重新确定所述目标桥梁的激励方式，并按照所述步骤三的方法重新结合毫米波雷达对所述目标桥梁进行动态工况测试，得到所述目标桥梁对应的另一条目标动挠度时程曲线。

优选地，所述确定要分析的目标桥梁对应的目标振动阶次，包括：获取所述目标桥梁对应的目标结构型式和施工模态，并根据目前国家的公路桥梁现行规范，确定要分析的所述目标桥梁对应的所述目标振动阶次。

优选地，所述根据所述目标桥梁对应的结构型式和所述目标振动阶次，确定对所述目标桥梁进行动载测试的目标激励方式，包括：根据所述目标桥梁对应的结构型式，确定若干种适合所述目标桥梁的激励方式；从若干种适合所述目标桥梁的激励方式中选择出能够激起所述目标振动阶次的至少一种激励方式，并将其作为对所述目标桥梁进行动载测试的所述目标激励方式；其中，不同的激励方式对不同结构型式的桥梁所激起的振动阶次不同。

优选地，所述根据所述目标激励方式并结合毫米波雷达对所述目标桥梁进行动载测试，得到所述目标桥梁对应的目标动挠度时程曲线，包括：根据所述目标桥梁的现场条件，在所述目标桥梁的测试截面上布设角反射器，或在所述目标桥梁上采用无线分布式毫米波雷达测试系统；根据所述目标激励方式，通过毫米波雷达对所述目标桥梁对应的动挠度进行动载测试，得到所述目标桥梁对应的所述目标动挠度时程曲线。

优选地，毫米波雷达的采样频率不低于所述目标振动阶次对应的分析频率的10倍。

优选地，所述基于所述目标振动阶次，使用带通滤波器将所述目标动挠度时程曲线进行带通滤波处理，得到仅包含单一波形的目标振动时程曲线，包括：获取所述目标桥梁在所述目标振动阶次下对应的目标自振频率；根据所述目标自振频率，将所述带通滤波器的分析频率带宽设置为目标分析频率带宽，其中所述目标分析频率带宽包括所述目标自振频率在内；使用分析频率带宽设置为所述目标分析频率带宽的所述带通滤波器将所述目标动挠度时程曲线进行带通滤波处理，得到仅包含单一波形的所述目标振动时程曲线。

优选地，所述在所述目标基准曲线中获取若干个周期的波形，包括：通过所述目标基准曲线中的关键特征点选取若干个完整的波形，所述关键特征点包括零点、波峰点和波谷点；根据所述若干个完整的波形，得到在所述目标基准曲线中的若干个周期的波形。

优选地，所述根据所述若干个周期的波形得到所述目标桥梁在所述目标振动阶次范围的目标自振频率，包括：计算出所述若干个周期的波形对应的起点和终点的目标时间差，并将所述目标时间差除以所述若干个周期对应的周期个数，得到所述目标桥梁在所述目标振动阶次范围的目标振动周期；根据所述目标振动周期，得到所述目标桥梁在所述目标振动阶次范围的所述目标自振频率。

优选地，所述根据所述目标振动周期，得到所述目标桥梁在所述目标振动阶次范围的所述目标自振频率，包括：将所述目标振动周期求倒数，得到所述目标桥梁在所述目标振动阶次范围的所述目标自振频率。

采用本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明首先确定要分析的目标桥梁对应的目标振动阶次，然后根据所述目标桥梁对应的结构型式和所述目标振动阶次，确定对所述目标桥梁进行动载测试的目标激励方式，其次根据所述目标激励方式并结合毫米波雷达对所述目标桥梁进行动载测试，得到所述目标桥梁对应的目标动挠度时程曲线，其次基于所述目标振动阶次，使用带通滤波器将所述目标动挠度时程曲线进行带通滤波处理，得到仅包含单一波形的目标振动时程曲线，若所述目标振动时程曲线的单一波形为所述目标振动阶次对应的振动波形，则将所述目标振动时程曲线作为提取所述目标桥梁在所述目标振动阶次下的自振频率的目标基准曲线，最后在所述目标基准曲线中获取若干个周期的波形，并根据所述若干个周期的波形得到所述目标桥梁在所述目标振动阶次范围的目标自振频率。本发明可使用毫米波雷达测试桥梁动挠度，并结合桥梁的结构理论分析提取桥梁动挠度的自振频率，具有非接触、全天候、多目标和高精度等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为一个实施例中基于毫米波雷达测试桥梁动挠度自振频率的方法一实施方式的实施流程图；

图2为一个实施例中基于毫米波雷达的动挠度测试曲线示意图；

图3为一个实施例中跑车试验余振起始点确定的示意图；

图4为一个实施例中基于毫米波雷达的动挠度提取的单一振动波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，结合图1-4可以得到，本发明实施例的一种基于毫米波雷达测试桥梁动挠度自振频率的方法，包括以下几个步骤：

步骤一，确定要分析的目标桥梁对应的目标振动阶次。

其中，本步骤需要基于目标桥梁结构模态分析的结果，并结合目标桥梁具体的结构型式对自振频率的要求，确定目标桥梁需要分析的振动阶次。

其中，不同的桥梁结构需要分析的振动阶次，不同的桥梁结构其要求分析的振动阶次不同。对于公路桥梁现行规范对振动阶次分析的要求为：对于简支梁桥，桥梁结构振动需要测试的振动阶次为1阶；对非简支梁桥二号拱桥，需要测试分析的振动阶次为3阶；对于斜拉桥和悬索桥等大跨径桥梁结构，则需要测试分析的振动阶次为9阶。

步骤二，根据所述目标桥梁对应的结构型式和所述目标振动阶次，确定对所述目标桥梁进行动载测试的目标激励方式。

其中，不同的激励方式会对不同的桥梁结构激起不同的振动阶次，不同的桥梁结构需要分析的桥梁自振频率不同，需要根据桥梁结构型式选择合适的测试方法（激励方式）。其中，本步骤对所述目标桥梁进行动载测试的目标激励方式，理论上是能够让目标桥梁产生所述目标振动阶次的激励方式。

步骤三，根据所述目标激励方式并结合毫米波雷达对所述目标桥梁进行动载测试，得到所述目标桥梁对应的目标动挠度时程曲线。

其中，本步骤采用毫米波雷达测试挠度时程，宜采用跑车试验进行激励，得到车辆过桥后桥梁余振对应的动挠度时程曲线，再根据动挠度时程曲线进行自振频率的分析。

步骤四，基于所述目标振动阶次，使用带通滤波器将所述目标动挠度时程曲线进行带通滤波处理，得到仅包含单一波形的目标振动时程曲线；

其中，在本步骤中，所述目标动挠度时程曲线往往带有多个波形，需要带通滤波器进行滤波，其关键是设置带通滤波器的截止上下限频率，即设置带通滤波器的分析频率带宽。在本步骤中，确定带通滤波器的上下限频率需要根据目标桥梁的结构型式和模态理论计算结果来确定。

步骤五，若所述目标振动时程曲线的单一波形为所述目标振动阶次对应的振动波形，则将所述目标振动时程曲线作为提取所述目标桥梁在所述目标振动阶次下的自振频率的目标基准曲线。

其中，在本步骤中，得到的所述目标振动时程曲线可能不是单一波形，这就需要继续调整带通滤波器的截止上下限频率，进一步使用带通滤波器将所述目标动挠度时程曲线进行带通滤波处理，直至得到仅包含单一波形的目标振动时程曲线。

步骤六，在所述目标基准曲线中获取若干个周期的波形，并根据所述若干个周期的波形得到所述目标桥梁在所述目标振动阶次范围的目标自振频率。

在本实施例中，可选地，在所述步骤五中，若所述目标振动时程曲线的单一波形与所述目标振动阶次对应的波形不相同，则按照所述步骤二的方法重新确定所述目标桥梁的激励方式，并按照所述步骤三的方法重新结合毫米波雷达对所述目标桥梁进行动态工况测试，得到所述目标桥梁对应的另一条目标动挠度时程曲线。

在本实施例中，可选地，所述确定要分析的目标桥梁对应的目标振动阶次，包括：

获取所述目标桥梁对应的目标结构型式和施工模态，并根据目前国家的公路桥梁现行规范，确定要分析的所述目标桥梁对应的所述目标振动阶次。其中，不同桥梁的机构型式和施工模态不同，需要分析的振动阶次也不相同。

在本实施例中，可选地，所述根据所述目标桥梁对应的结构型式和所述目标振动阶次，确定对所述目标桥梁进行动载测试的目标激励方式，包括：

第一，根据所述目标桥梁对应的结构型式，确定若干种适合所述目标桥梁的激励方式。其中，不同的桥梁结构型式需要采用不同的激励方式来激励，还需要根据需要分析的振动阶次来选择激励方式。

第二，从若干种适合所述目标桥梁的激励方式中选择出能够激起所述目标振动阶次的至少一种激励方式，并将其作为对所述目标桥梁进行动载测试的所述目标激励方式；其中，不同的激励方式对不同结构型式的桥梁所激起的振动阶次不同。

在本实施例中，可选地，所述根据所述目标激励方式并结合毫米波雷达对所述目标桥梁进行动载测试，得到所述目标桥梁对应的目标动挠度时程曲线，包括：

第一，根据所述目标桥梁的现场条件，在所述目标桥梁的测试截面上布设角反射器，或在所述目标桥梁上采用无线分布式毫米波雷达测试系统。

其中，在本步骤中，上述两种毫米波雷达的测试方式可根据桥梁的现场条件进行选择，对于桥下有水或桥下对应测试点的下方不方便布设设备的情况，可以采用在所述目标桥梁的测试截面上布设角反射器的测点布设方式；对于桥下容易布设检测设备的情况，可以在所述目标桥梁上采用无线分布式毫米波雷达测试系统进行测试。

第二，根据所述目标激励方式，通过毫米波雷达对所述目标桥梁对应的动挠度进行动载测试，得到所述目标桥梁对应的所述目标动挠度时程曲线。

其中，在本步骤中，需要先制定桥梁自振频率测试方案（激励方法），测试方案是桥梁动载试验的指导性文件，不同的激励方式对不同的桥梁结构会激起不同的振动阶次。根据制定的桥梁自振频率测试方案实施桥梁动力性能现场测试应考虑不同的车速工况以及毫米波雷达挠度测点位置的布设。

桥梁动力性能测试应采集每一跑车试验工况的完整的桥梁振动的动挠度时程曲线，跑车试验前应调试好毫米波雷达设备并在封闭交通情况下开始目标桥梁的动挠度测试，在车辆离开桥梁且余振信号逐渐衰减至零点附近，即处于稳定状态后才能停止采集。每一试验工况采集数据均应按以上要求进行采集，以保证采集数据能包含需要分析的曲线段。由于桥梁动挠度时程曲线包含的频率与车速、平整度和桥梁结构等有直接关系，按照预定的试验工况获得需要分析的振动阶次对应的自振频率，则需要增加跑车试验的工况，如改变行车速度或增加车辆重量等激励方式。

其中，在本实施例中，采用毫米波雷达对桥梁进行动挠度测试时，是利用桥梁跑车试验的余振来进行测试。由于桥梁动挠度时程曲线包含的频率与跑车试验车速、桥面不平整度等因素有直接关系，因此制定桥梁自振频率测试方案时，应设置不同车速进行不同工况的测试，如车速分别采用10km/h、20km/h和30km/h等，动挠度时程曲线应根据不同的测试工况进行采集。

另外，桥梁动力特性试验采用毫米波雷达对桥梁动挠度进行测试时，测试前应调整好仪器设备确保其工作状态正常。由于毫米波雷达发射的电磁波在其波束角范围内呈扇形分布，测试前应根据距离向辅助激光测距仪确定测点位置。

在本实施例中，对于桥梁动力特性测试应采集每一工况的完整的动挠度的振动时程曲线，以便于选择合理的时程曲线段来进行桥梁自振频率的分析，实例中毫米波雷达挠度时程曲线如图2所示。

在本实施例中，利用跑车试验的桥梁动挠度的时程曲线进行自振频率分析，应在振动时程曲线上选择合理的余振信号，应首先确定余振信号的起点位置。采用行车（如跑车试验）激振法激励时，通常要确定车辆驶离桥梁的准确时刻，以免将强迫振动当作自由振动进行处理，导致自振频率误判。一般根据同时采集的振动信号（加速度、动应变、动挠度等）实测信号中静态分量的起始位置判定余振起点（如图3所示），利用数据分析软件中的数据截断功能将强迫振动响应舍弃，截断后的数据块长度通常要满足频率分辨率的要求。

在本实施例中，可选地，毫米波雷达的采样频率不低于所述目标振动阶次对应的分析频率的10倍。

在本实施例中，可选地，所述基于所述目标振动阶次，使用带通滤波器将所述目标动挠度时程曲线进行带通滤波处理，得到仅包含单一波形的目标振动时程曲线，包括：

第一，获取所述目标桥梁在所述目标振动阶次下对应的目标自振频率。

第二，根据所述目标自振频率，将所述带通滤波器的分析频率带宽设置为目标分析频率带宽，其中所述目标分析频率带宽包括所述目标自振频率在内。

第三，使用分析频率带宽设置为所述目标分析频率带宽的所述带通滤波器将所述目标动挠度时程曲线进行带通滤波处理，得到仅包含单一波形的所述目标振动时程曲线。

例如，对于简支梁桥需要测试分析的振动阶次为1阶，需要根据结构理论分析桥梁结构的第1阶振型对应的自振频率来确定带通滤波器的分析频率带宽。如某简支梁采用毫米波雷达对行车激励下的桥梁动挠度进行测试，桥梁结构的理论计算分析得到的第1阶竖向振动频率为4.888Hz。由于桥梁结构的实测自振频率在正常情况下要大于桥梁结构的理论计算的频率，因此可以初步选择带通滤波器的分析频率带宽为4.5 Hz–6Hz对振动信号进行分析。当选择的分析频率带宽不合适，也就是说得到的波形可能含有1个以上自振频率的信号时，需要对带通滤波器的分析频率带宽进行调整，直至得到满意的结果（只含有1个自振频率的信号）后再进行自振频率的计算。其中，该简支梁桥的1个毫米波雷达测点的挠度数据经过带通滤波器滤波后得到1阶振动的波形图如图4所示。

在本实施例中，可选地，所述在所述目标基准曲线中获取若干个周期的波形，包括：

第一，通过所述目标基准曲线中的关键特征点选取若干个完整的波形，所述关键特征点包括零点、波峰点和波谷点；

第二，根据所述若干个完整的波形，得到在所述目标基准曲线中的若干个周期的波形。

在本实施例中，可选地，所述根据所述若干个周期的波形得到所述目标桥梁在所述目标振动阶次范围的目标自振频率，包括：

第一，计算出所述若干个周期的波形对应的起点和终点的目标时间差，并将所述目标时间差除以所述若干个周期对应的周期个数，得到所述目标桥梁在所述目标振动阶次范围的目标振动周期；

第二，根据所述目标振动周期，得到所述目标桥梁在所述目标振动阶次范围的所述目标自振频率。

在本实施例中，可选地，所述根据所述目标振动周期，得到所述目标桥梁在所述目标振动阶次范围的所述目标自振频率，包括：

将所述目标振动周期求倒数，得到所述目标桥梁在所述目标振动阶次范围的所述目标自振频率。

本发明实施例本发明首先确定要分析的目标桥梁对应的目标振动阶次，然后根据所述目标桥梁对应的结构型式和所述目标振动阶次，确定对所述目标桥梁进行动载测试的目标激励方式，其次根据所述目标激励方式并结合毫米波雷达对所述目标桥梁进行动载测试，得到所述目标桥梁对应的目标动挠度时程曲线，其次基于所述目标振动阶次，使用带通滤波器将所述目标动挠度时程曲线进行带通滤波处理，得到仅包含单一波形的目标振动时程曲线，若所述目标振动时程曲线的单一波形为所述目标振动阶次对应的振动波形，则将所述目标振动时程曲线作为提取所述目标桥梁在所述目标振动阶次下的自振频率的目标基准曲线，最后在所述目标基准曲线中获取若干个周期的波形，并根据所述若干个周期的波形得到所述目标桥梁在所述目标振动阶次范围的目标自振频率。本发明可使用毫米波雷达测试桥梁动挠度，并结合桥梁的结构理论分析提取桥梁动挠度的自振频率，具有非接触、全天候、多目标和高精度等优点。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。