本发明属于桥梁检测技术领域，特别是涉及一种基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法和系统。
背景技术：
桥梁是交通运输中的一种重要的基础设施，可以跨越峡谷、河流、湖泊等阻碍，我国已经服役十年以上的桥梁占现有总桥梁数量的70.81％。在桥梁老化过程中，容易出现损伤，引起相应的安全隐患，可能导致桥梁在使用的过程中出现安全事故。损伤检测是桥梁健康检测中的关键组成部分，需要识别出损伤的存在，然后对损伤进行定位和严重程度的评估。损伤检测是从响应谱中提取一个振动特征，然后应用模态识别方法将当前特征与参考条件(即未损伤)的特征进行比较。需要说明的是，桥梁振动就会有自振频率，从小到大的频率分别为第一阶自振频率、第二阶自振频率和第三阶自振频率，以此类推，当桥梁在每一阶自振频率振动时，会有相应的第几阶振型，称为模态振型，本方案就是要得到桥梁的自振频率和模态振型。
现有检测方法是将传感器直接安装在桥梁上来采集数据，称之为直接法，其系统非常复杂，各种传感器和传输线以及数据采集系统的建造成本很高。现在还出现了一种利用测试车辆通过桥梁实现桥梁参数识别的间接法，首先在车辆上安装传感器，然后使安装了传感器的车辆行驶过桥梁，车辆上的传感器会记录相关数据，然后对车辆记录的数据进行处理，得到桥梁的相关参数，进行桥梁的模态识别，例如对加速度进行快速傅里叶变换(fft)，可以识别桥梁的固有频率。
然而，测试车辆通过桥梁时，加速度传感器记录的加速度既包含了桥梁的振动，也包含了车辆自身的振动以及多种环境因素引起的振动，而路面不平整也会引起明显的车辆振动，这就容易造成虚假的模态，使桥梁固有频率的识别变得困难。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供了一种基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法和系统，能够有效消除路面不平整度的影响，得到更为精确的桥梁模态参数，为桥梁的损伤识别以及健康检测提供有力支持。
本发明提供的一种基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法，包括：
利用二轴车辆行驶过桥梁，所述二轴车辆作为激励源来激励桥梁的同时也作为信号接收者；
利用安装在所述二轴车辆的前轮和后轮上的加速度计，记录所述二轴车辆经过桥梁时前轮的第一加速度和后轮的第二加速度；
将所述第一加速度减去所述第二加速度，得到加速度差值；
对所述加速度差值进行信号处理，识别出所述桥梁的固有频率，构建所述桥梁与所述固有频率对应的模态振型。
优选的，在上述基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法中，对所述加速度差值进行快速傅里叶变换，识别出所述桥梁的固有频率。
优选的，在上述基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法中，对所述加速度差值进行短时傅里叶变换，得到信号的时频域表示，然后选取所述时频域中的所述固有频率，构建所述桥梁相应频率的模态振型。
优选的，在上述基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法中，利用二轴车辆以2m/s至20m/s之间的一个速度匀速行驶过桥梁。
优选的，在上述基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法中，利用二轴车辆行驶过长度为13m至40m的桥梁。
本发明提供的一种基于二轴车辆响应的桥梁移动检测系统，利用二轴车辆行驶过桥梁，所述二轴车辆作为激励源来激励桥梁的同时也作为信号接收者；包括：
加速度记录部件，用于利用安装在所述二轴车辆的前轮和后轮上的加速度计，记录所述二轴车辆经过桥梁时前轮的第一加速度和后轮的第二加速度；
加速度差值计算部件，用于将所述第一加速度减去所述第二加速度，得到加速度差值；
信号处理部件，用于对所述加速度差值进行信号处理，识别出所述桥梁的固有频率，构建所述桥梁与所述固有频率对应的模态振型。
优选的，在上述基于二轴车辆响应的桥梁移动检测系统中，所述信号处理部件具体用于对所述加速度差值进行快速傅里叶变换，识别出所述桥梁的固有频率。
优选的，在上述基于二轴车辆响应的桥梁移动检测系统中，所述信号处理部件还具体用于对所述加速度差值进行短时傅里叶变换，得到信号的时频域表示，然后选取所述时频域中的所述固有频率，构建所述桥梁相应频率的模态振型。
优选的，在上述基于二轴车辆响应的桥梁移动检测系统中，所述二轴车辆以2m/s至20m/s之间的一个速度匀速行驶过桥梁。
优选的，在上述基于二轴车辆响应的桥梁移动检测系统中，所述桥梁的长度为13m至40m。
通过上述描述可知，本发明提供的上述基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法，由于包括先利用二轴车辆行驶过桥梁，所述二轴车辆作为激励源来激励桥梁的同时也作为信号接收者，然后利用安装在所述二轴车辆的前轮和后轮上的加速度计，记录所述二轴车辆经过桥梁时前轮的第一加速度和后轮的第二加速度，再将所述第一加速度减去所述第二加速度，得到加速度差值，最后对所述加速度差值进行信号处理，识别出所述桥梁的固有频率，构建所述桥梁与所述固有频率对应的模态振型，采用前轮和后轮的加速度差值来进行信号处理就能够有效消除路面不平整度的影响，得到更为精确的桥梁模态参数，为桥梁的损伤识别以及健康检测提供有力支持。本发明提供的上述基于二轴车辆响应的桥梁移动检测系统，具有与上述方法同样的优点。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法的实施例的示意图；
图2为二轴车辆行驶过桥梁的示意图；
图3为简化的车桥耦合振动系统的示意图；
图4为车辆前轮和后轮记录的加速度信号的示意图；
图5为前后轮加速度差值的示意图；
图6为加速度信号差值快速傅里叶变换结果的示意图；
图7为加速度信号差值短时傅里叶变换结果的示意图；
图8为加速度信号差值构建桥梁模态振型平方的示意图；
图9为本发明提供的一种基于二轴车辆响应的桥梁移动检测系统的实施例的示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法和系统，能够有效消除路面不平整度的影响，得到更为精确的桥梁模态参数，为桥梁的损伤识别以及健康检测提供有力支持。
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做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。
本发明提供的一种基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法的实施例如图1所示，图1为本发明提供的一种基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法的实施例的示意图，该方法包括如下步骤：
s1：利用二轴车辆行驶过桥梁，二轴车辆作为激励源来激励桥梁的同时也作为信号接收者；
关于激励源，需要说明的是，当桥上有其他车辆行驶时，其他的车同时也会充当激励源，其他行驶的车辆也叫随机交通流，这些其他车辆对于本方法接收信号是没有影响的，相反，其他车辆还能辅助将该桥梁激励起来，使得桥梁的振动更加明显，收集到的信号更容易识别桥梁的固有频率和模态振型。具体的可以参考图2，图2为二轴车辆行驶过桥梁的示意图，需要说明的是，生活中常见的小汽车就是典型的二轴车，这种二轴车通过桥梁时，使桥梁产生振动，并且能够接收桥梁的振动参数，在车辆上部质量较小的情况下，可以将车辆简化为两个相连接的弹簧质量系统，如图3所示，图3为简化的车桥耦合振动系统的示意图，可见，前轮与左侧的上桥位置之间的距离为x1，后轮与左侧的上桥位置之间的距离为x2。
s2：利用安装在二轴车辆的前轮和后轮上的加速度计，记录二轴车辆经过桥梁时前轮的第一加速度和后轮的第二加速度；
需要说明的是，由于车辆通过桥梁时接收到的振动形式比较多，因此，同时记录前轮和后轮的加速度，在后续计算步骤中就能够消除其他类型的振动产生的不利影响。
s3：将第一加速度减去第二加速度，得到加速度差值；
s4：对加速度差值进行信号处理，识别出桥梁的固有频率，构建桥梁与固有频率对应的模态振型。
需要说明的是，这样能更清晰的识别桥梁的固有频率，从而可以构建更准确的桥梁模态振型。
继续参考图3，车辆和桥梁动力方程表示为
式中m1、m2分别代表前轮和后轮的质量；k1、k2分别代表前轮和后轮的刚度；c1、c2分别代表前轮和后轮的阻尼；
为简化推导过程，将车辆和桥梁的阻尼忽略不计，则车桥耦合方程可以得到
将桥梁的位移变量db在时间域和空间域进行分离，并结合模态叠加技术，可以得到
简支梁的振型可以假定为正弦形式，即
其中，l为桥梁的跨度。
最后得到，前轮的位移响应d1和后轮的位移响应d2，以及前后轮的响应差为
可以看出，桥面不平整度的影响项是一个常数，即桥面不平整度对前轮和后轮的动力响应的影响不随时间变化，而只与车辆的位置有关，因此，前轮和后轮的响应差值可以很好地消除桥面不平整度的影响，同时，由于前轮和后轮经过桥面同一位置存在时间差，所以在后轮响应中引入一个时间偏移量，得到在时域内前轮和后轮的响应差值为：
其中v是车辆行驶的速度，因此可以前轮减去对应同一位置时后轮的加速度，得到加速度差值，可以消除路面不平整度的影响。
通过上述描述可知，本发明提供的上述基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法的实施例中，由于包括先利用二轴车辆行驶过桥梁，二轴车辆作为激励源来激励桥梁的同时也作为信号接收者，然后利用安装在二轴车辆的前轮和后轮上的加速度计，记录二轴车辆经过桥梁时前轮的第一加速度和后轮的第二加速度，再将第一加速度减去第二加速度，得到加速度差值，最后对加速度差值进行信号处理，识别出桥梁的固有频率，构建桥梁与固有频率对应的模态振型，因此能够有效消除路面不平整度的影响，得到更为精确的桥梁模态参数，为桥梁的损伤识别以及健康检测提供有力支持。
在上述基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法的一个具体实施例中，可以对加速度差值进行快速傅里叶变换，识别出桥梁的固有频率。进一步的，可以对加速度差值进行短时傅里叶变换，得到信号的时频域表示，然后选取时频域中的固有频率，构建桥梁相应频率的模态振型。
具体而言，由于车桥耦合振动系统是一个时变系统，车辆的动力响应是随时间和空间变化的，即车辆响应是时间和车辆位置的函数，而且车辆响应中包含的频率成分也是随时间变化的。短时傅立叶变换(short-timefouriertransform,stft)是一种时频分析方法，通过stft可以得到任意时刻信号的频率分量，因此，通过对前后轮加速度差值进行stft变换，可以得到车辆在t0时刻(在桥上位置为x0＝v*t0)的动力响应频谱为：
式中w(t-t0)为窗函数。
由前面的公式(4)，桥梁位移表达式包含了模态振型的相关项
当x＝vt时，该项变成了
称为模态振型的平方(mss)，所以上式(6)的频谱幅值|s(x0,ω)|是模态振型平方
当然，除了短时傅里叶变换方式之外，还可以采用希尔伯特-黄变换、小波变换或维纳分布等方式，也能得到信号的时频域表示，同时识别桥梁的固有频率。
在上述基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法的另一个具体实施例中，可以利用二轴车辆以2m/s至20m/s之间的一个速度匀速行驶过桥梁，进一步的，该速度可以优选为10m/s，本领域技术人员可以理解的是，利用二轴车辆行驶过长度为13m至40m的桥梁，进一步的，该桥梁的长度可以优选为20m。
下面以一个具体例子对上述实施例进行说明：
对我国规范中的一种公路桥梁进行了有限元模拟计算，利用ansys建模得到20m长的箱梁桥，然后将此桥梁的有限元模型导入到matlab软件中，模拟了装有加速度传感器二轴车辆经过此桥梁的情况，在matlab计算中，桥梁表面附加了路面不平整度，在右轮距离桥梁右边缘4.8m的情况，二轴车辆以10m/s的速度经过桥梁，车辆前轮和后轮记录的加速度信号如图4所示，，图4为车辆前轮和后轮记录的加速度信号的示意图，前后轮加速度差值如图5所示，图5为前后轮加速度差值的示意图，然后对二轴车记录的加速度信号，利用上面实施例所述的方法处理，对二轴车前后轮加速度差值进行了快速傅里叶变换，如图6所示，图6为加速度信号差值快速傅里叶变换结果的示意图，从图6中可以识别出桥梁的前两阶竖向频率，分别为5.25hz和16.85hz，桥梁真实前两阶竖向频率分别为5.11hz和17.67hz，所以本方法识别桥梁频率非常准确。然后，对二轴车辆前后轮加速度差值进行了短时傅里叶变换(stft)，得到的时频图如图7所示，图7为加速度信号差值短时傅里叶变换结果的示意图，可见，最突出的频率为5hz左右，在桥梁的一阶频率5.11hz附近。利用短时傅里叶变换之后的数据，构建桥梁前两阶竖向模态振型平方，如图8所示，图8为加速度信号差值构建桥梁模态振型平方的示意图，上面的小图为第一阶竖向模态振型平方，下面的小图为第二阶竖向模态振型平方，可见其构建的前两阶竖向模态振型平方与真实的桥梁模态振型平方比较接近，所以利用本方法可以识别桥梁的固有频率，并且能够构建桥梁模态振型。
本发明提供的一种基于二轴车辆响应的桥梁移动检测系统的实施例如图9所示，图9为本发明提供的一种基于二轴车辆响应的桥梁移动检测系统的实施例的示意图，该系统的实施例利用二轴车辆行驶过桥梁，二轴车辆作为激励源来激励桥梁的同时也作为信号接收者，一般常见的小汽车就是典型的二轴车辆，利用这种二轴车辆通过桥梁时使桥梁产生振动，并且接收到桥梁的振动参数，当车辆的上部质量较小的情况，可以将车辆简化为两个相连的弹簧质量系统，包括：
加速度记录部件901，用于利用安装在二轴车辆的前轮和后轮上的加速度计，记录二轴车辆经过桥梁时前轮的第一加速度和后轮的第二加速度，需要说明的是，由于车辆通过桥梁时振动比较多，因此同时记录前轮后轮的加速度，后续就能够消除其他振动产生的影响；
加速度差值计算部件902，用于将第一加速度减去第二加速度，得到加速度差值；
信号处理部件903，用于对加速度差值进行信号处理，识别出桥梁的固有频率，构建桥梁与固有频率对应的模态振型，需要说明的是，这样就能够更清晰的识别桥梁的固有频率，可以构建更准确的桥梁模态振型。
上述基于二轴车辆响应的桥梁移动检测系统能够有效消除路面不平整度的影响，得到更为精确的桥梁模态参数，为桥梁的损伤识别以及健康检测提供有力支持。
在上述基于二轴车辆响应的桥梁移动检测系统中，信号处理部件具体用于对加速度差值进行快速傅里叶变换，识别出桥梁的固有频率。进一步的，，该信号处理部件还具体用于对加速度差值进行短时傅里叶变换，得到信号的时频域表示，然后选取时频域中的固有频率，构建桥梁相应频率的模态振型。当然，除了短时傅里叶变换方式之外，还可以采用希尔伯特黄变换、小波变换或维纳分布等方式也能得到信号的时频域表示，同时识别桥梁的固有频率。
在上述基于二轴车辆响应的桥梁移动检测系统的另一个具体实施例中，二轴车辆可以以2m/s至20m/s之间的一个速度匀速行驶过桥梁，进一步的，该速度可以优选为10m/s，另外，桥梁的长度可以为13m至40m，进一步可优选为20m。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
1.一种基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法，其特征在于，包括：
利用二轴车辆行驶过桥梁，所述二轴车辆作为激励源来激励桥梁的同时也作为信号接收者；
利用安装在所述二轴车辆的前轮和后轮上的加速度计，记录所述二轴车辆经过桥梁时前轮的第一加速度和后轮的第二加速度；
将所述第一加速度减去所述第二加速度，得到加速度差值；
对所述加速度差值进行信号处理，识别出所述桥梁的固有频率，构建所述桥梁与所述固有频率对应的模态振型。
2.根据权利要求1所述的基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法，其特征在于，对所述加速度差值进行快速傅里叶变换，识别出所述桥梁的固有频率。
3.根据权利要求2所述的二轴车辆响应的桥梁移动检测方法，其特征在于，对所述加速度差值进行短时傅里叶变换，得到信号的时频域表示，然后选取所述时频域中的所述固有频率，构建所述桥梁相应频率的模态振型。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法，其特征在于，利用二轴车辆以2m/s至20m/s之间的一个速度匀速行驶过桥梁。
5.根据权利要求1-3任一项所述的基于二轴车辆响应的桥梁移动检测方法，其特征在于，利用二轴车辆行驶过长度为13m至40m的桥梁。
6.一种基于二轴车辆响应的桥梁移动检测系统，利用二轴车辆行驶过桥梁，所述二轴车辆作为激励源来激励桥梁的同时也作为信号接收者；其特征在于，包括：
加速度记录部件，用于利用安装在所述二轴车辆的前轮和后轮上的加速度计，记录所述二轴车辆经过桥梁时前轮的第一加速度和后轮的第二加速度；
加速度差值计算部件，用于将所述第一加速度减去所述第二加速度，得到加速度差值；
信号处理部件，用于对所述加速度差值进行信号处理，识别出所述桥梁的固有频率，构建所述桥梁与所述固有频率对应的模态振型。
7.根据权利要求6所述的基于二轴车辆响应的桥梁移动检测系统，其特征在于，所述信号处理部件具体用于对所述加速度差值进行快速傅里叶变换，识别出所述桥梁的固有频率。
8.根据权利要求7所述的二轴车辆响应的桥梁移动检测系统，其特征在于，所述信号处理部件还具体用于对所述加速度差值进行短时傅里叶变换，得到信号的时频域表示，然后选取所述时频域中的所述固有频率，构建所述桥梁相应频率的模态振型。
9.根据权利要求6-8任一项所述的基于二轴车辆响应的桥梁移动检测系统，其特征在于，所述二轴车辆以2m/s至20m/s之间的一个速度匀速行驶过桥梁。
10.根据权利要求6-8任一项所述的基于二轴车辆响应的桥梁移动检测系统，其特征在于，所述桥梁的长度为13m至40m。
技术总结