[发明专利]适用于中小桥梁快速安全诊断的一体化装置

权利要求书

1.一种适用于中小桥梁快速安全诊断的一体化装置，包括：移动检测车、冲击激励装置、数据采集装置以及数据处理装置， 

在所述的移动检测车地盘下端有可伸出的悬臂系统； 

所述的冲击激励装置包括加载支架以及设置在加载支架上的加载锤； 

所述的数据采集装置包括安装在所述加载锤的下端面用于测量冲击桥梁路面形成的力的时程数据的测力传感器和位于所述悬臂系统末端的用于测量桥梁加速度反应的加速度计传感器； 

所述的数据处理装置根据所述测力传感器测量的力的时程数据和加速度计传感器测量的桥梁加速度反应数据识别桥梁的位移柔度矩阵。 

2.根据权利要求1所述的一种适用于中小桥梁快速安全诊断的一体化装置，其特征在于，所述数据处理装置识别桥梁柔度矩阵的方法是： 

步骤一、建立包含结构特征的状态矩阵的关系式并计算结构状态矩阵： 

χ_k+1＝Aχ_k+Bu_k+w_k    (1) 

y_k＝Cχ_k+Du_k+υ_k    (2) 

其中，已知量包括：u—所测量的力的时程数据，y—所测量的桥梁加速度反应数据； 

未知量包括：χ—结构状态向量，为结构响应中的过程量；k—代表时间步长个数；w—输入白噪音项；υ—输出白噪声；A,B,C,D—包含结构特征的状态矩阵； 

步骤二、利用结构状态矩阵A,C中得出结构的频率和振型动力特征； 

对A进行特征值分解： 

AΨ＝ΨΛ             (3) 

其中Λ＝diag(λ_i)为对角矩阵，对角线上的元素λ_i为矩阵A的特征值；Ψ为对应的特征向量组成的矩阵，则结构的频率和阻尼比为： 

其中，λ_ci＝lnλ_i/Δt，λ_ciR，λ_ciI分别是λ_ci的实部和虚部；ω_udi为结构的频率，ξ_i为 

结构的阻尼，结合识别的矩阵C，则结构的模态阵型为 

φ_i＝CΨ        (6) 

步骤三、求解得出结构的加速度频响函数： 

H(w)＝C(zI-A)^-1B+D，z＝e^jwΔt     (7) 

其中，w代表频率，Δt代表离散的时间间隔； 

由结构状态矩阵A,B,C,D表达的加速度频响函数解耦为： 

其中φ_i代表模态阵型，λ_i为矩阵A的特征值，是与B有关的向量； 

根据识别的加速度频响函数式(11)求得结构的模态缩放系数： 

其中，q_i为第i阶模态阵型所对应的模态缩放系数； 

模态缩放系数q_i可以由上式解得： 

步骤四、计算结构的位移柔度矩阵： 

步骤五、计算结构在任意荷载F作用下的位移反应Disp： 

Disp＝f*F       (12)。 

3.根据权利要求2所述的一种适用于中小桥梁快速安全诊断的一体化装置，其特征在于，所述的计算结构状态矩阵A,B,C,D的过程为： 

a)利用已知量u和y构建输入和输出矩阵： 

b)对上步组合的输入输出矩阵进行矩阵投影运算，得到以下矩阵： 

c)将O_i进行如下的奇异值分解，得到左奇异向量矩阵U、奇异矩阵S和右奇异向量矩阵V： 

其中，W₁、W₂为权重矩阵，用以提高奇异值分解的精度。奇异矩阵S的非零值个数为系统的阶次。 

d)，为权重矩阵，用以提高奇异值分解的精度；奇异矩阵的利用奇异值分解后的矩阵得到系统的扩展观测矩阵Γ_i和Γ_i-1； 

其中，代表将*矩阵的最后一行去掉； 

e)利用最小二乘法求解下式，得到矩阵A、C和K： 

其中，Y_i，i代表Y_1,2i中的第i行；K为状态矩阵B和D的组合，从K中可以求出B和D。