基于力平衡傳感器測試高速鐵路橋梁動撓度

摘要：針對動轉(zhuǎn)角積分法間接地測試高速鐵路橋梁動撓度需要高準(zhǔn)確度的傳感器測得梁體的橫向動轉(zhuǎn)角，提出一種基于高精度的力平衡傳感器間接測試高速鐵路橋梁動撓度的方法，該文選擇合適的小波提升分解方法，從高精度力平衡傳感器的輸出信號中提取出有用的超低頻轉(zhuǎn)角信號，實現(xiàn)基于高精度力平衡傳感器間接測試大跨度鐵路橋梁動撓度。實測對比試驗表明：此方法測試高速鐵路橋梁的動撓度的精度可達毫米級。相比其他方法，該方法不需要靜態(tài)參考點，可以測試任何條件下的橋梁動撓度。

關(guān)鍵詞：動撓度；力平衡傳感器；高速鐵路橋梁；小波分析

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2015） 03-0037-05

0 引言

橋梁動撓度檢測是高速鐵路橋梁檢測的重要部分，是評定高速鐵路橋梁承載能力、高速列車行駛安全性的一項重要指標(biāo)，但是國內(nèi)外一直沒有比較好的檢測方法。雖然使用位移計測量動撓度的設(shè)備簡單、操作方便、費用低廉，但是該方法需要靜態(tài)參考點來固定位移計，不能用于測試橋下有水的橋梁和橋面遠(yuǎn)離橋地面的橋梁。激光測量動撓度的方法是利用CCD光電耦合器件測量橋梁動撓度，但是該設(shè)備也需要一個靜態(tài)的參考點，只能測量離橋頭比較近的橋梁，且易受下雨、霧等環(huán)境條件的影響。采用GPS測量橋梁動撓度，因其豎向位移測試精度只能達到厘米級別，無法滿足高速鐵路橋梁動撓度的測試要求。本文提出基于高準(zhǔn)確度的力平衡傳感器間接測量高速鐵路橋梁的動撓度，首先利用一定數(shù)量的QY型力平衡傳感器檢測列車行駛過時梁體的橫向動轉(zhuǎn)角，然后采用小波分析技術(shù)提取出有用的轉(zhuǎn)角信號，最后通過對各測點的轉(zhuǎn)角信號進行數(shù)字積分計算出跨中的動撓度曲線。

1 QY型力平衡傳感器動力特性分析

QY型力平衡傳感器是在回轉(zhuǎn)擺上利用電容傳感技術(shù)和無源伺服技術(shù)構(gòu)成的高靈敏度傳感器。相比用于監(jiān)測地震的力平衡加速度計，此傳感器通過增大擺體長度來提高靈敏度，同時降低了傳感器的高截止頻率，進而在一定程度上抑制高頻的平動感應(yīng)靈敏性。

1.1 QY型力平衡傳感器動力特性分析l

當(dāng)傳感器只受縱向平動附加的外力時，其受力響應(yīng)原理如圖1所示。參數(shù)k是彈簧剛度，b為阻尼比.G為電子反饋系數(shù)，G=BL1·L，BL1為機電耦合系數(shù)，L為擺長，g為小線圈的電子反饋系數(shù)，主要用來調(diào)整擺到初始位置，θ為擺體離開平衡位置的轉(zhuǎn)角，k為電容傳感器的靈敏度，x為電容傳感器在垂直于擺方向的移動位移，即橋梁的橫向平動，R為線圈電阻。下式為質(zhì)量塊m的運動方程：式中：——擺的轉(zhuǎn)動慣量，

——等效擺長；

——擺中心到質(zhì)量塊m中心的距離。

由式（l）可得式（2）：式中：s——算子n為擺的固有頻率，

D——整個系統(tǒng)的綜合阻尼常數(shù)，

則傳感器輸出電壓為由式（3）可得：當(dāng)D<1.時，可得：

由式（l）和式（5）可得，當(dāng)QY傳感器只受縱向平動所附加的外力時，其輸出電壓與橋梁縱向的振動加速度在一定頻帶范圍內(nèi)成正比例關(guān)系，即在此受力情況下，QY型傳感器為低頻加速度計。

1.2 QY型力平衡傳感器動力特性分析2

當(dāng)QY型傳感器只受橋梁橫向轉(zhuǎn)動所附加給的外力時，其受力響應(yīng)原理如圖2和圖3所示。

為傳感器所在位置的橋梁的豎向橫向傾斜值，M為傳感器的重量。其受力方程為可解得：當(dāng)D

由式（7）和式（8）可得，當(dāng)QY傳感器只受橫向轉(zhuǎn)動所附加給的外力時，其輸出電壓與橋梁的橫向傾斜在一定頻帶范圍內(nèi)成正比例關(guān)系，即在此受力情況下，QY型傳感器為傾角儀。

由以上受力分析可得，QY型傳感器的兩種受力響應(yīng)的有效頻帶范圍相同，因此，在其有效頻帶內(nèi)，即能感應(yīng)到橋梁的橫向轉(zhuǎn)角，也能感應(yīng)到橋梁的縱向平動，當(dāng)列車高速行駛過時，梁體的橫向轉(zhuǎn)角信號完全淹沒在梁體的縱向平動信號里，如圖4所示。

2 基于小波分析提取橫向轉(zhuǎn)角信號

由于梁體的動態(tài)橫向轉(zhuǎn)角信號為非平穩(wěn)隨機信號，在時域和頻域都具有明顯局部變化的特征。因此，不能采用傳統(tǒng)的數(shù)字濾波等消噪方法來處理QY型力平衡傳感器輸出的信號。小波分析即能保留信號的時域局部特點也能保留信號的頻域局部特點，因此，基于小波分析來提取QY型傳感器輸出的動態(tài)橫向轉(zhuǎn)角信號是比較合適的。由于傳統(tǒng)的小波分析計算量大，為了滿足在線處理的要求，本文通過對傳統(tǒng)小波函數(shù)dh4進行快速提升來提高分析速度。

由于梁體橫向轉(zhuǎn)角信號的局部頻率是由梁的跨徑和車速決定的，因此，在任何時間段里，橫向轉(zhuǎn)角信號的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此時間段里QY傳感器輸出信號里的縱向平動主要成分的頻率?；谶@個特點，可采用小波分解來直接提取各時間段里OY輸出信號的超低頻橫向轉(zhuǎn)角信號，如圖5所示。其中信號x為兩輛小轎車相繼經(jīng)過某連續(xù)梁橋時，QY傳感器感應(yīng)到的的信號；a7、a8、a9分別為信號x進行7次、8次、9次小波分解后的低頻信號。相比信號x，信號a7、a8、a9不再包含高頻的縱向平動信號，具有較高的信噪比，波形形狀都很相似，但是在幅值上不一樣。因此，雖然小波分解能提取出超低頻的橫向轉(zhuǎn)角信號，但如分解次數(shù)過多，會造成橫向轉(zhuǎn)角信號幅值上的失真；分解次數(shù)太少，則橫向轉(zhuǎn)角信號里依舊包含了一些縱向平動信號。因此需要依據(jù)一定的原則來確定分解次數(shù)。

基于以上分析，本文提出了對OY型傳感器輸出信號采用4步來逐漸分析和基于4個準(zhǔn)則來提取出有效的橫向轉(zhuǎn)角信號。4步分析步驟如下：

第1步：預(yù)測各測試點的動轉(zhuǎn)角波形大致形狀。首先選找波形的起跳點來大致確定車輛經(jīng)過橋梁的持續(xù)時間的極限范圍。

第2步：對轉(zhuǎn)角信號進行數(shù)字低通濾波，去除傳感器有效頻帶范圍以外的噪聲。

第3步：小波提升分解。對測點2的轉(zhuǎn)角波形通過小波提升分解。

第4步：從小波分解結(jié)果里篩選出所要提取的轉(zhuǎn)角信號Ln。

本文依據(jù)以下4條準(zhǔn)則來篩選出所要提取的轉(zhuǎn)角信號：

準(zhǔn)則I：Ln的波形形狀相似于預(yù)測波形。

準(zhǔn)則2：Ln不存在過度分解現(xiàn)象，與其對應(yīng)的高頻信號Hn也不應(yīng)H{現(xiàn)過度分解現(xiàn)象。

準(zhǔn)則3：H（n-1）包含頻率遠(yuǎn)大于的高頻振動信號。

準(zhǔn)則4-H（n+1）的頻率成分都接近于。

本文通過對實測數(shù)據(jù)基于以上步驟和應(yīng)用以上4條準(zhǔn)則進行了小波提升分解，如圖6所示。實驗結(jié)果表明利用此方法可從QY傳感器輸出信號里較精確地提取出有用的橫向轉(zhuǎn)角信號。

3 高速鐵路橋梁動撓度測試對比試驗分析

為了在實際應(yīng)用中檢驗本文提出的動撓度測試方法的可靠性，與中國鐵道科學(xué)研究院的鐵建所一起在京滬高鐵線上的某橋梁上做了動撓度對比試驗。此橋梁為（32+64+32）m長的3跨預(yù)應(yīng)力混泥土變截面連續(xù)箱梁。標(biāo)準(zhǔn)動車列車組分別以V=5km/h和V=180km/h經(jīng)過此橋。采用5臺QY型傳感器測試第2跨的動轉(zhuǎn)角。5臺傳感器均勻布置在第2跨箱梁底面。同時采用掉錘式位移計測試跨中處的動撓度。本次對比試驗分析結(jié)果如表l所示。

4 結(jié)束語

本文首先詳細(xì)推導(dǎo)出QY型力平衡傳感器的動力特征方程，然后提出基于小波函數(shù)db4提升分解技術(shù)，從QY型力平衡傳感器輸出的實測信號里提取出有用的橫向轉(zhuǎn)角信號。在以上研究的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)采用高精度力平衡傳感器間接地測量高速鐵路橋梁動撓度?；诒疚奶岢龅膭訐隙葴y試方法和位移計測試撓度的方法，在某高速鐵路橋梁上做了對比試驗。試驗結(jié)果表明本文提出的動撓度測試方法的測試結(jié)果非常接近位移計的測試結(jié)果，從而間接地證明了本文提出的基于小波提升方法提取出微弱的橫向轉(zhuǎn)角信號是可靠的。由于本方法在測試時不需要靜態(tài)參考點，可把傳感器安裝在箱梁里面或橋面，可測試橫跨江河和峽谷的橋梁的動撓度。因此，基于力平衡傳感器測試橋梁動撓度的方法可用來測試高速鐵路梁橋的動撓度，具有一定的工程使用價值和廣闊的應(yīng)用前景。