不同橋梁模型結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別方式對(duì)比分析*

李　平，魏長(zhǎng)寶

（黃淮學(xué)院信息工程學(xué)院，河南駐馬店463000）

不同橋梁模型結(jié)構(gòu)自振頻率識(shí)別方式對(duì)比分析*

李平，魏長(zhǎng)寶*

（黃淮學(xué)院信息工程學(xué)院，河南駐馬店463000）

數(shù)字圖像相關(guān)法（DICM）是測(cè)定結(jié)構(gòu)自振頻率較新的方法，為檢驗(yàn)其在橋梁自振頻率測(cè)定中的可行性，設(shè)計(jì)了橋梁模型試驗(yàn)。結(jié)果表明接觸式速度傳感器在環(huán)境激勵(lì)和人工激勵(lì)兩種條件下都可以獲得結(jié)構(gòu)的頻譜曲線。（DICM）在人工激勵(lì)下可以獲得與之接近的結(jié)果，在環(huán)境激勵(lì)下（DICM）容易受到環(huán)境干擾而無(wú)法獲得有效的頻譜曲線，在利用數(shù)字圖像相關(guān)法來(lái)測(cè)定結(jié)構(gòu)自振頻率時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步研究在結(jié)構(gòu)位移較?。ㄈ纾?.005）時(shí)的干擾過(guò)濾技術(shù)。

橋梁模型；自振頻率測(cè)定；數(shù)字圖像相關(guān)法；接觸式速度傳感器

橋梁整體剛度是衡量橋梁安全性的重要指標(biāo)之一。在衡量橋梁整體剛度的指標(biāo)中，自振頻率是重要參數(shù)，利用該參數(shù)可在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別等方面提供參考［1］。在實(shí)踐中，要對(duì)橋梁進(jìn)行自振頻率測(cè)試，一般都需要安裝接觸式傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)試，需要安裝的傳感器數(shù)量眾多，加之這類橋梁構(gòu)件尺寸或是橋下凈空的影響，不便于準(zhǔn)確安裝傳感器。在橋梁投入運(yùn)行后，橋梁的振動(dòng)頻率還會(huì)受到通行車輛所形成的高頻振動(dòng)的所造成的高頻率區(qū)域共振影響，這導(dǎo)致橋梁真實(shí)的自振頻率不易準(zhǔn)確測(cè)定［2］。如果采用橋梁模型結(jié)合接觸式傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)定，橋梁模型在尺寸、整體質(zhì)量上和原橋梁存在較大差別，傳感器自身的質(zhì)量和尺寸對(duì)于測(cè)量結(jié)果造成的影響是不能忽略，而且必須要求在模型試驗(yàn)中傳感器和模型的耦合性必須很高［3］，增加了模型試驗(yàn)的難度。實(shí)踐證明數(shù)字圖像相關(guān)法對(duì)于這類高精度測(cè)量問(wèn)題非常實(shí)用，能夠提供高精度的測(cè)量結(jié)果［4-6］。本文中將以橋梁模型的自振頻率為研究對(duì)象，利用數(shù)字圖像相關(guān)法來(lái)進(jìn)行測(cè)定，以檢驗(yàn)其測(cè)驗(yàn)結(jié)果的實(shí)用性，同時(shí)對(duì)橋梁模型使用傳統(tǒng)的接觸式速度傳感器進(jìn)行自振頻率測(cè)試并做對(duì)比。

1　數(shù)字圖像測(cè)試系統(tǒng)的組成

數(shù)字圖像測(cè)試系統(tǒng)工作原理為：計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊接收數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的信息后經(jīng)過(guò)圖像處理，進(jìn)而獲得被偵測(cè)構(gòu)件的位移時(shí)程曲線，經(jīng)過(guò)傅里葉變換后得到構(gòu)件的自振頻率［7～8］，該方法在電子［9］、醫(yī)療［10］等多個(gè)領(lǐng)域均得到應(yīng)用。數(shù)字圖像測(cè)試系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（61304172）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（16B510002）

收稿日期：2014-12-16修改日期：2015-07-14

圖1　數(shù)字圖像測(cè)試系統(tǒng)組成

這個(gè)過(guò)程中的關(guān)鍵部分是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像的處理方式。由于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)受限于像素，而構(gòu)件的位移是連續(xù)量，因此某一特定時(shí)刻的構(gòu)件某個(gè)點(diǎn)的位移可能位于某兩個(gè)像素點(diǎn)之間，如果按照整像素取值，就會(huì)造成位移量的測(cè)量誤差。本文中引入基于灰度的圖像插值法進(jìn)行處理，以灰度重建的方式來(lái)離散數(shù)字圖像，從而獲得近似的連續(xù)圖像，并在此基礎(chǔ)上獲得更為精確的位移量偵測(cè)值［11］。

2　試驗(yàn)細(xì)節(jié)

本文中的目標(biāo)橋梁為某長(zhǎng)江公路大橋，按一定比例縮小后進(jìn)行模型試驗(yàn)，模型試驗(yàn)細(xì)節(jié)如圖2和表1所示，接觸式速度傳感器和非接觸式數(shù)字成像測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試點(diǎn)位均選取4等分點(diǎn)，同時(shí)非接觸式數(shù)字成像測(cè)試系統(tǒng)在邊塔和中塔的頂部各選取一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，靶標(biāo)布置位置如圖3所示

圖2　橋梁模型布置圖

表1　主要試驗(yàn)細(xì)節(jié)

圖3　三塔懸索橋模型測(cè)點(diǎn)布置圖

3　測(cè)試結(jié)果及對(duì)比分析

在本次橋梁模型自振頻率試驗(yàn)中采用了兩類測(cè)定方式，一是采用傳統(tǒng)的接觸式速度傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)定，二是采用數(shù)字圖像技術(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)定。在這兩類的測(cè)定方式中也都分別采用了人工強(qiáng)迫激勵(lì)方式和環(huán)境激勵(lì)方式來(lái)模擬橋梁的運(yùn)行環(huán)境。兩類測(cè)定方式結(jié)果分別如下所述。

3.1接觸式速度傳感器測(cè)試結(jié)果

采用接觸式傳感器進(jìn)行橋梁模型自振頻率測(cè)定的主要結(jié)果如圖4～圖6所示，結(jié)果表明這一傳統(tǒng)的自振頻率測(cè)定方式在環(huán)境激勵(lì)和人工激勵(lì)兩類條件下都有較為穩(wěn)定的表現(xiàn)，在不同振幅下均可獲得較為清晰的頻譜曲線。

圖4　接觸式速度傳感器在環(huán)境激勵(lì)下的頻譜曲線

圖5　接觸式速度傳感器在人工激勵(lì)下的頻譜曲線

圖6　接觸式速度傳感器頻譜曲線

3.2數(shù)字圖像技術(shù)測(cè)試結(jié)果

在利用數(shù)字圖像技術(shù)測(cè)試結(jié)構(gòu)自振頻率時(shí)，在環(huán)境激勵(lì)條件下，由于位移量微小，受到隨機(jī)因素的影響加大，無(wú)法獲得有效的頻率曲線，如圖7所示。但在人工激勵(lì)條件下，利用數(shù)字圖像技術(shù)可以獲得較為理想的頻譜曲線，如圖8所示。

圖7　數(shù)字圖像技術(shù)測(cè)得頻率曲線

圖8　數(shù)字圖像技術(shù)在人工激勵(lì)下的頻譜曲線

3.3兩類測(cè)定方式的對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用接觸式速度傳感器和利用數(shù)字圖像技術(shù)都能夠在特定條件下獲得結(jié)構(gòu)的自振特性，但各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。在環(huán)境激勵(lì)的條件下，接觸式速度傳感器的適應(yīng)性要優(yōu)于數(shù)字圖像技術(shù)。具體表現(xiàn)為在環(huán)境激勵(lì)條件下接觸式速度傳感器適應(yīng)性更好，對(duì)速度相應(yīng)信號(hào)反應(yīng)迅速，在此基礎(chǔ)上可以獲得被測(cè)結(jié)構(gòu)的自振特性。數(shù)字圖像技術(shù)在捕捉結(jié)構(gòu)位移方面更具優(yōu)勢(shì)，但如果結(jié)構(gòu)的位移量很小，會(huì)受到周圍隨機(jī)因素的影響而得不到清晰的結(jié)構(gòu)頻譜曲線（無(wú)明顯峰值）。因此對(duì)于數(shù)字圖像技術(shù)來(lái)說(shuō)，在結(jié)構(gòu)小位移（如小于0.005時(shí)）的情況下進(jìn)行有效的噪點(diǎn)過(guò)濾是決定該方法能否實(shí)用的關(guān)鍵因素。當(dāng)利用數(shù)字圖像相關(guān)法技術(shù)測(cè)試時(shí)，如果結(jié)構(gòu)的位移量微小，獲得的頻譜曲線將沒(méi)有明顯的峰值。因此對(duì)于剛度較大的橋梁模型，可能無(wú)法識(shí)別出頻率。

但在人工激勵(lì)條件下，此時(shí)結(jié)構(gòu)的位移較大，則兩種方法都能夠獲取較為理想的頻譜曲線，不同人工激勵(lì)下，利用數(shù)字圖像技術(shù)測(cè)試的橋梁自振頻率基本一致。結(jié)合環(huán)境激勵(lì)下的測(cè)試成果，基于數(shù)字圖像技術(shù)的橋梁自振頻率測(cè)試具備一定的可行性，但也具有振幅小情況下無(wú)法識(shí)別的局限性。

在構(gòu)件振幅較小的情況下，采用數(shù)字圖像技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)自振頻率的關(guān)鍵是數(shù)字圖像的插值處理，不同的處理方式將對(duì)頻譜曲線造成很大影響。本次試驗(yàn)中在橋梁模型振幅較小時(shí)無(wú)法獲取有效的頻譜曲線很有可能就是這個(gè)原因造成，基于灰度的圖像插值處理方式尚需進(jìn)一步改進(jìn)。因此要提高數(shù)字圖像技術(shù)在自振頻率測(cè)量中的應(yīng)用范圍，應(yīng)深入研究在振幅較小時(shí)，某一特定時(shí)刻的構(gòu)件某個(gè)點(diǎn)的位移可能位于某兩個(gè)像素點(diǎn)之間時(shí)的位移計(jì)算方式。從本文試驗(yàn)的情況看，基于灰度的圖像插值處理方式的精度不能滿足振幅較小情況下的位移計(jì)算需求。

4　結(jié)論

通過(guò)接觸式速度傳感器和數(shù)字圖像技術(shù)在相同條件下對(duì)橋梁模型的自振頻率測(cè)定的試驗(yàn)，得到的主要結(jié)論為：在結(jié)構(gòu)位移量較大時(shí)，利用數(shù)字圖像技術(shù)可以有效的偵測(cè)出結(jié)構(gòu)的位移時(shí)程曲線，并可獲得結(jié)構(gòu)的頻譜曲線。該曲線和接觸式速度傳感器獲得的曲線基本一致，表明了數(shù)字圖像技術(shù)在這一條件下的有效性。但數(shù)字圖像技術(shù)的缺點(diǎn)也很明顯，即在結(jié)構(gòu)位移量較小時(shí)（如環(huán)境激勵(lì)條件下）無(wú)法獲得有效的頻譜曲線，但接觸式傳感器在該條件下仍可獲得有效的頻譜曲線。

因此通過(guò)對(duì)比可得出如下結(jié)論：即在結(jié)構(gòu)位移量相對(duì)較大時(shí)兩種方法基本等效，但在小位移量時(shí)數(shù)字圖像技術(shù)缺點(diǎn)明顯，主要表現(xiàn)為現(xiàn)有的過(guò)濾方法無(wú)法有效的排除環(huán)境干擾。在這種條件下要讓數(shù)字圖像技術(shù)投入實(shí)用，應(yīng)進(jìn)一步研究這一條件下的干擾過(guò)濾技術(shù)。

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李平（1976-），女，河南駐馬店市人，漢，碩士，講師，研究方向?yàn)樾畔⑻幚砼c現(xiàn)代電子系統(tǒng)；

魏長(zhǎng)寶（1972-），男，河南省駐馬店市人，漢，碩士，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)信息與智能信息處理，nnjj001100@ 163.com。

Comparison and Analysis of Natural Frequency of Vibration of Bridge Model*

LI Ping，WEI Changbao*
（Huanghuai college information engineering college，Zhumadian Henan 463000，China）

Digital image correlation method（DICM）is a new way to determine the natural frequency of structures.In order to test availability of this method in bridge model natural frequency，the experiment of bridge model was designed.The results showed that using the speed sensor，the frequency domain curves both under artificial excitation and under displacement were valid.As the contrast，the results using DICM were valid only under artificial excitation and were close to results that of using speed sensor.When under the displacement，the frequency domain curve was not valid because of the stochastic disturbing.So when using DICM to determine the natural frequency of structure，intensive study of filtrating，such as the displacement is less than 0.005，the stochastic disturbing should be done.

bridge model；natural frequency test；digital image correlation method；speed sensor

TM935.23；TB52.6

A

1005-9490（2016）03-0737-04

EEACC：1230；6140C10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.046