一种基于高速列车激励动力响应的桥梁影响线识别方法

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1.本发明属于结构安全性检测领域，具体涉及一种基于高速列车激励动力响应的桥梁影响线识别方法。

背景技术：

2.高速铁路桥梁是基础设施的重要组成部分，基于影响线的桥梁状态评估和车辆荷载识别技术可以及时发现其异常运营状态，从而以较小的成本避免造成较大的生命财产损失。由于高铁列车速度远大于其他车辆速度，且受到车-桥耦合作用的影响，列车激励的桥梁动力效应往往难以剔除，这给现有的影响线识别方法带来挑战。
3.现有的从车致动力响应中识别桥梁影响线的方法主要有改进影响线识别方法和提取动力响应中的准静态成分两类。其中第一类方法一般是基于桥梁的物理性质对影响线进行拟合，如王宁波等提出的多项式拟合法(extraction of influence line through a fitting method from bridge dynamic response induced by a passing vehicle)和陈志为等提出的b样条拟合法(一种基于基函数表示和稀疏正则化的桥梁影响线识别方法)等，在公路桥梁影响线识别中取得了较好的效果。另一类方法的思路则更为直观，其直接对含有动力效应的响应信号进行处理，利用处理后的准静态响应反演得到桥梁影响线。这类方法的关注点在于如何获取准确的桥梁准静态响应，这个问题在桥梁影响线识别、桥梁动态称重和动力放大系数计算等领域均有深入的研究。主要解决手段有三种，分别是频域高频成分滤除，如obrien等采用的低通滤波法(calculating an influence line from direct measurements)；时域平滑，如gonz
á
lez等采用的滑动平均法(testing of abridge weigh-in-motion algorithm utilising multiple longitudinal sensor locations)；以及时-频域分解重构，如郑旭等采用的经验模态分解法(一种能够剔除车辆动力效应的桥梁影响线识别方法)。这几种方法均是将桥梁的动力响应视为高频部分并将其滤除，从而保留低频的准静态响应，然后进一步识别得到桥梁影响线。
4.然而，以上方法往往是对运营车速较低的公路桥梁进行的研究，其对于高铁桥梁很难获得满意的结果，因此需要对现有的方法进行改进。根据现有研究可以看出，利用拟合的方法去除动力效应存在容易过拟合，受桥梁类型的限制较大以及适用车速低等缺点。利用时域平滑和时-频域分解重构的方法去除动力效应存在物理意义不明确，参数难以设置，以及影响线识别效果不稳定等缺点。而利用频域高频成分滤除的方法具有操作简单，计算量小和滤波性能稳定的优点，在现有方法中具有一定的优势，故被广泛应用。在现有研究中，这种方法一般通过低通滤波器来实现，但低通滤波器截止频率通常依据经验直接定义为桥梁的基频，或者通过大量工况重复调整滤波器参数，很难精确的滤除高速列车激励的动力效应。因此，本专利提出了一种基于高速列车激励动力响应的桥梁影响线识别方法，可以直接计算响应静动态成分最佳分离频率，从而识别得到桥梁影响线。

技术实现要素：

5.本发明的目的是提出了一种基于高速列车激励动力响应的桥梁影响线识别方法，可以直接计算响应静动态成分最佳分离频率，从而识别得到桥梁影响线。
6.本发明的技术方案：
7.一种基于高速列车激励动力响应的桥梁影响线识别方法，步骤如下：
8.步骤1，采集高铁列车单独行驶过桥梁时包含动态成分的桥梁响应数据，并获取列车参数和桥梁参数信息
9.(1)利用布设在桥梁上的传感器采集单辆高铁列车经过桥梁时的监测响应数据，依据桥梁长度l和测速雷达获取的列车速度v截取出列车开始上桥和完全下桥的监测响应数据区间并对其进行时空转换，使得响应各采样点和列车第一轴在桥梁上的位置相对应；
10.(2)获取列车的轴数、轴距和轴重信息，并利用监测数据计算或通过历史模态试验结果获取桥梁的一阶自振圆频率ω1和一阶阻尼比ξ1；
11.步骤2，计算响应静动态成分最佳分离频率范围，并设计低通滤波器对动力响应进行滤波
12.(3)根据列车和桥梁参数计算桥梁响应准静态和动态成分的理论频谱解析解；
13.当只考虑贡献最大的一阶模态时，移动荷载列作用下桥梁响应准静态和动态成分的解析解分别如下式所示：
[0014][0015][0016]
其中，y
静
(t)和y
动
(t)分别表示桥梁响应准静态和动态成分的解析解，t表示时刻值；g1、g2、a和b是与桥梁模态参数和移动荷载列信息有关的参数，通过传统的动力分析计算；为一阶荷载激励圆频率；为考虑阻尼影响的一阶桥梁自振圆频率；
[0017]
对上式在[0，l/v]的时间范围内进行傅里叶变换，得到移动荷载列作用下桥梁响应准静态和动态成分频谱的解析解：
[0018][0019]
其中，x(ω)为桥梁响应准静态或动态成分频谱的解析解，ω表示傅里叶变换后信号的频率值，其取值范围为[0,fs/2]，fs为桥梁响应的采样频率；
[0020]
(4)基于桥梁响应静动态成分的能量差值求解最佳分离频率范围，桥梁响应准静态或动态成分的能量通过下式计算：
[0021][0022]
其中，e(ω)为频率小于ω的响应准静态或动态成分的能量；
[0023]
在计算得到静动态成分能量随频率的分布后，通过寻准静态和动态能量的最大差值来计算最佳分离频率；将响应静动态成分能量混叠部分全部视为准静态或者动态成分后，从而给出真实静动态成分能量差值的取值范围：
[0024][0025]
其中，为不考虑能量混叠时静动态成分能量的直接差值；δe(ω)是考虑能量混叠的静动态成分能量的真实差值；
[0026]
根据上式绘制响应静动态成分能量差值的包络区域，当包络区域的上边界δeu(ω)大于包络区域的下边界δe
l
(ω)的最大值时，相应频率范围即为最佳分离频率范围：
[0027][0028]
(5)将此最佳分离频率范围作为低通滤波器的过渡带范围，低通滤波器的阻带最小衰减αs通过下式大致确定：
[0029][0030]
其中，和分别表示动力响应频谱幅值的最小值和最大值，两者仅考虑的频率区间；
[0031]
根据计算的过渡带范围和阻带最小衰减设计低通滤波器对桥梁动力响应进行滤波即得到桥梁的准静态响应；
[0032]
步骤3，运用经典的最小二乘正则化方法将桥梁准静态响应反演为桥梁影响线，在得到桥梁的准静态响应后，即采用tikhonov正则化的方法反演得到桥梁影响线：
[0033][0034]
其中，φ是桥梁影响线向量；r是桥梁准静态响应向量；w是车辆信息矩阵，采用经典的准静态影响线识别模型进行计算；λ是正则化系数，通过l曲线法选取；t是正则化矩阵。
[0035]
本发明的有益效果：
[0036]
1、本发明的桥梁影响线识别方法具有完备的理论基础，只需获得桥梁的基频、一阶阻尼比和列车速度，就可以有效地消除高速列车作用下桥梁响应中的动力效应，进而反演得到桥梁准静态影响线，避免了仅依靠经验选取截断频率的不合理性和重复调整滤波器参数的繁琐性，为实际工程应用提供了理论参考。
[0037]
2、本发明的桥梁影响线识别方法和现有的影响线识别方法相比，可以针对不同的车速合理设置低通滤波器的参数，在列车速度很高时，仍然可以从桥梁动力响应中反演得到桥梁影响线，效果非常稳定。
[0038]
3、本发明的桥梁影响线识别方法具有很高的鲁棒性，在较大噪声和轨道不平顺干扰下仍能准确识别桥梁影响线，具备良好的工程应用前景。
附图说明
[0039]
图1为本发明方法的流程图；
[0040]
图2为本发明方法实施算中模拟的车桥耦合模型；
[0041]
图3为本发明方法实施算中不同车速作用下桥梁跨中竖向位移响应；
[0042]
图4为本发明方法实施算中滤波后的桥梁准静态响应；
[0043]
图5为本发明方法实施算中利用准静态响应识别的桥梁影响线。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图和一个数值算例来对本发明做进一步的详细说明。
[0045]
本发明的桥梁影响线识别方法分“采集高铁列车单独行驶过桥梁时包含动态成分的桥梁响应数据并获取列车参数和桥梁参数信息”、“计算响应静动态成分最佳分离频率范围并设计低通滤波器对动力响应进行滤波”和“运用经典的最小二乘正则化方法将桥梁准静态响应反演为桥梁影响线”三步，具体实施方式上文已经给出，接下来结合一个算例说明发明的使用方法和特点。
[0046]
实施算：不同速度列车过桥的桥梁影响线识别
[0047]
本算例采用一个5节车厢编组的10自由度列车-简支梁耦合竖向振动模型获取桥梁跨中竖向位移响应对方法进行验证，其中桥梁被离散为20个梁单元，并采用美国5级轨道不平顺功率谱，时间步长取0.01s。列车和桥梁耦合振动模型参数见表1，车桥耦合模型见图2。
[0048]
在本算例中，分别模拟了100km/h、200km/h和300km/h三种速度列车过桥，获取了桥梁跨中竖向位移响应，并对桥梁响应添加信噪比为20的噪声，如图3所示。然后根据表1计算得到所采用列车模型的轴数为20，轴重为1.62
×
104kg，轴距信息见图2标注。
[0049]
根据桥梁参数和列车速度计算得到低通滤波器设计参数，见表2。随后据此设计低通滤波器对桥梁响应进行滤波，并利用滤波后的桥梁准静态响应通过最小二乘正则化方法反演得到桥梁影响线。滤波后的桥梁准静态响应见图4，识别得到的桥梁影响线见图5。
[0050]
从图4可以看出，在不同的车速作用下，本专利所提方法均能有效剔除高速列车激励的动力效应，并且能够剔除高水平噪声和轨道不平顺的干扰。通过图5可以看出，本专利所提方法在不同车速作用下识别的影响线和真实影响线均非常接近，该方法鲁棒性高，效果非常稳定，具有较大的工程应用前景。
[0051]
表1列车和桥梁耦合振动模型参数
[0052][0053]
表2不同车速作用下的滤波器参数
[0054]

技术特征：

1.一种基于高速列车激励动力响应的桥梁影响线识别方法，其特征在于，步骤如下：步骤1，采集高铁列车单独行驶过桥梁时包含动态成分的桥梁响应数据，并获取列车参数和桥梁参数信息(1)利用布设在桥梁上的传感器采集单辆高铁列车经过桥梁时的监测响应数据，依据桥梁长度l和测速雷达获取的列车速度v截取出列车开始上桥和完全下桥的监测响应数据区间并对其进行时空转换，使得响应各采样点和列车第一轴在桥梁上的位置相对应；(2)获取列车的轴数、轴距和轴重信息，并利用监测数据计算或通过历史模态试验结果获取桥梁的一阶自振圆频率ω1和一阶阻尼比ξ1；步骤2，计算响应静动态成分最佳分离频率范围，并设计低通滤波器对动力响应进行滤波(3)根据列车和桥梁参数计算桥梁响应准静态和动态成分的理论频谱解析解；当只考虑贡献最大的一阶模态时，移动荷载列作用下桥梁响应准静态和动态成分的解析解分别如下式所示：析解分别如下式所示：其中，y
静
(t)和y
动
(t)分别表示桥梁响应准静态和动态成分的解析解，t表示时刻值；g1、g2、a和b是与桥梁模态参数和移动荷载列信息有关的参数，通过传统的动力分析计算；为一阶荷载激励圆频率；为考虑阻尼影响的一阶桥梁自振圆频率；对上式在[0，l/v]的时间范围内进行傅里叶变换，得到移动荷载列作用下桥梁响应准静态和动态成分频谱的解析解：其中，x(ω)为桥梁响应准静态或动态成分频谱的解析解，ω表示傅里叶变换后信号的频率值，其取值范围为[0,f
s
/2]，f
s
为桥梁响应的采样频率；(4)基于桥梁响应静动态成分的能量差值求解最佳分离频率范围，桥梁响应准静态或动态成分的能量通过下式计算：其中，e(ω)为频率小于ω的响应准静态或动态成分的能量；在计算得到静动态成分能量随频率的分布后，通过寻准静态和动态能量的最大差值来计算最佳分离频率；将响应静动态成分能量混叠部分全部视为准静态或者动态成分后，从而给出真实静动态成分能量差值的取值范围：其中，为不考虑能量混叠时静动态
成分能量的直接差值；δe(ω)是考虑能量混叠的静动态成分能量的真实差值；根据上式绘制响应静动态成分能量差值的包络区域，当包络区域的上边界δe
u
(ω)大于包络区域的下边界δe
l
(ω)的最大值时，相应频率范围即为最佳分离频率范围：(5)将此最佳分离频率范围作为低通滤波器的过渡带范围，低通滤波器的阻带最小衰减α
s
通过下式大致确定：其中，和分别表示动力响应频谱幅值的最小值和最大值，两者仅考虑的频率区间；根据计算的过渡带范围和阻带最小衰减设计低通滤波器对桥梁动力响应进行滤波即得到桥梁的准静态响应；步骤3，运用经典的最小二乘正则化方法将桥梁准静态响应反演为桥梁影响线，在得到桥梁的准静态响应后，即采用tikhonov正则化的方法反演得到桥梁影响线：其中，φ是桥梁影响线向量；r是桥梁准静态响应向量；w是车辆信息矩阵，采用经典的准静态影响线识别模型进行计算；λ是正则化系数，通过l曲线法选取；t是正则化矩阵。

技术总结

本发明属于结构安全性检测领域，公开了一种基于高速列车激励动力响应的桥梁影响线识别方法。方法包括：(1)采集高铁列车单独行驶过桥梁时包含动态成分的桥梁响应数据并获取列车参数和桥梁参数信息；(2)计算响应静动态成分最佳分离频率范围并设计低通滤波器对动力响应进行滤波；(3)运用经典的最小二乘正则化方法将桥梁准静态响应反演为桥梁影响线。本发明可以有效地消除运营状态高速列车作用下桥梁响应中的动力效应，进而反演得到桥梁准静态影响线，方法操作简单，鲁棒性较高，可以适用于运营状态下的任意车速激励响应的桥梁影响线识别，具备良好的工程应用前景。具备良好的工程应用前景。具备良好的工程应用前景。