本发明属于桥梁基础损伤识别，具体地，涉及一种基于连续跳车激励的桥梁基础冲刷病害检测方法。
背景技术：
1、桥梁下部结构跨越江河、峡谷等障碍物，除承担桥跨恒载与交通荷载外，还承担不稳定的环境作用。基础冲刷是跨河桥梁的常见病害上，会造成结构整体服役性能恶化。基础的掏空、沉降等降低了下部结构的竖向刚度和承载能力，会导致上部结构的永久变位，增加下部结构的失稳垮塌的风险，威胁桥梁的安全运营。因冲刷导致的桥梁垮塌事故已经造成了较大的生命、财产损失。因此，对桥梁基础冲刷状态进行定期安全检测，快速判断基础冲刷位置及其冲刷程度，对制定维修加固措施具有重要的现实意义。
2、桥梁基础属于水下隐蔽结构，难以进行常规检查。目前冲刷检测主要依托潜水或仪器测量等方式。但桥梁基础附近水流紊乱，可视化环境差，潜水工作危险性大。检测仪器包括测深仪、图像声呐、雷达等能进行水下测绘工作，但一般需要将仪器安装在水下，检测过程复杂且成本高昂；其他永久性传感器的工作性能易受环境干扰，且在洪水期间易损坏。因此，上述检测方法在常规跨径桥梁中仍未能广泛推行。相对而言，动力检测法被期望突破上述方法的局限性，准确、经济、高效的检测冲刷病害。因此，提供一种基于动力的冲刷检测方法具有重要的工程意义。
技术实现思路
1、针对上述问题，本发明提出了一种基于连续跳车激励的桥梁基础冲刷病害检测方法，使用连续跳车激励激发的桥梁竖向加速度响应来检测基础冲刷导致的基础竖向刚度损失，解决了现有冲刷检测方法无法评估基础竖向刚度的问题。
2、本发明通过以下技术方案实现：
3、一种基于连续跳车激励的桥梁基础冲刷病害检测方法：
4、所述方法具体包括以下步骤：
5、步骤1：制定车辆连续跳车试验方案；
6、根据待测试桥梁的结构特点和设计资料，制定现场试验方案和测点布设方案，确定加载车重量、行驶速度区间和横向行驶位置，确定测点位置和弓形障碍物安装形式；
7、步骤2：安装传感器和弓形障碍物；
8、在桥梁上安装加速度传感器；在桥墩上方的桥面位置安装临时弓形障碍物，用于使车辆经过墩顶时产生显著的竖向冲击作用；
9、步骤3：对基础结构状态完好的桥梁进行动力试验；
10、根据步骤1中制定的试验方案进行多次试验，每次试验中车辆按照设计速度匀速需要通过弓形障碍物；对每个待测试桥墩，截取车辆通过该墩上方时连续跳车冲击激励下的结构竖向加速度响应信号节段，作为后续冲刷检测的基准数据；
11、步骤4：对运营期间或遭受重大洪水灾害后的桥梁进行动力试验；
12、桥梁运营期间，每隔1～2年，根据步骤1中制定的试验方案进行现场动力试验，测量各测点的动力响应，截取车辆通过待测试桥墩时的结构竖向加速度响应信号节段，作为冲刷检测的状态特征数据；对遭受重大洪水灾害后的桥梁，也按照该方案进行试验；
13、步骤5：对动力响应数据进行小波包分析；
14、对步骤3得到的基准数据和步骤4中得到的状态特征数据分别进行小波包分析；对每个试验工况，计算基准状态下的小波能量比率方差wervr和后期运营状态下的小波能量比率方差wervd；
15、步骤6：确定桥梁基础冲刷位置和程度；
16、计算方差变化率指标vr，并对全部试验工况下的指标vr进行平均化处理，得到冲刷检测指标si并和si的区间划分标准进行对比。
17、进一步地，在步骤1中包括：
18、步骤1.1：首先建立有限元模型对待试验桥梁进行连续跳车激励下的动力分析，据此选择满足激振需求和结构安全需求的加载车重量；
19、步骤1.2：车辆行驶速度取10～30km/h，划分为多个速度水平；
20、步骤1.3：传感器安装位置和车辆行驶轨迹需要保持一定的距离；
21、步骤1.4：测点位置选择桥墩正上方的桥面位置，需要参考桥梁纵向中心线在上下游两侧对称设置测点；
22、步骤1.5：将试验条件划分为若干水平，进行正交试验设计以获得多个试验条件组合，组成完整试验方案。
23、进一步地，在步骤2中，在连续跳车过程中，假设障碍物不发生平动、转动和压缩变形；障碍物提供的位移激励可表示为：
24、
25、式中：r车轮受到的竖向位移激励，x为车轮作用在障碍物上的纵向位置，0≤x≤l；h为障碍物高度，通常为5～7cm；l为障碍水平长度，通常为30cm。
26、进一步地，所述步骤5中，对基准数据和状态特征数据进行小波包分解的具体过程如下；对信号x(t)进行j层小波包分解：
27、
28、式中：为小波包系数，ψj,k,i(t)为小波基函数；j、k、i分别为尺度指标、位置指标以及频率指标；
29、根据小波包的正交性原理，对信号x(t)，各频段信号的总能量可表示为：
30、
31、式中：为第i频段内的信号能量；与分解尺度为j对应的总频带数为2j-1；
32、对连续跳车激励下的动力响应信号，用于信号分解的小波基函数选择“db10”；利用代价函数分析最优分解层次，选择范数熵标准作为代价函数进行分析，其表达式为：
33、
34、式中，分别计算不同分解层次j(3≤j≤10)下的代价函数值；通常认为范数熵sl的计算值越小，计算效率越高，即对应最小sl的分解层次为最优；
35、小波能量比率方差werv的计算方式如下：
36、
37、式中，ri为第i频段内信号能量占总能量的比值，为ri的均值；
38、按照上述过程处理基准数据和运营期间响应数据，可分别得到wervr和wervd。
39、进一步地，所述步骤6中，指标vr和冲刷检测指标si按照如下方法计算：
40、
41、si＝[vr1 vr2 ... vrk] (11)
42、式中，表示第k个桥墩的第m次试验的指标vr的值，m为总的试验次数，k为试验测试的桥墩数量。
43、进一步地，在步骤6中还包括：
44、将完好桥梁结构和损伤桥梁结构的各桥墩的分析结果进行对比，确定桥梁基础冲刷损伤位置与程度，分析过程如下：
45、指标si的区间划分标准为：
46、安全级：vr＜5％时为安全级，代表此处桥墩下桩基基本未受到冲刷影响；
47、普通级：5％≤wpevvr＜10％时为普通级，表示桥梁己受到冲刷影响，但短时间内可以继续使用；
48、隐患级：10％≤wpevvr＜15％时为隐患级，表示冲刷已影响了桥梁的正常承载，需要进行检测；
49、危险级：vr≥15％时为危险级，表示冲刷已非常严重，需要尽快对该桥进行加固；
50、将计算出的vr值与上述区间标准进行比对，根据vr值所在的区间确定桥梁的安全等级，从而评价桩基的安全性。
51、一种基于连续跳车激励的桥梁基础冲刷病害检测系统：
52、所述检测系统包括：准备模块、动力试验模块、分析模块和对比模块：
53、所述准备模块用于制定车辆连续跳车试验方案，以及安装传感器和弓形障碍物；根据待测试桥梁的结构特点和设计资料，制定现场试验方案和测点布设方案，确定加载车重量、行驶速度区间和横向行驶位置，确定测点位置和弓形障碍物安装形式；在桥梁上安装加速度传感器；在桥墩上方的桥面位置安装临时弓形障碍物，用于使车辆经过墩顶时产生显著的竖向冲击作用；
54、所述动力试验模块对桥梁进行动力试验；分别对基础结构状态完好的桥梁、以及运营期间或遭受重大洪水灾害后的桥梁进行动力试验；
55、其中针对基础结构状态完好的桥梁进行动力试验时，验根据准备模块中制定的试验方案进行多次试验，每次试验中车辆按照设计速度匀速需要通过弓形障碍物；对每个待测试桥墩，截取车辆通过该墩上方时连续跳车冲击激励下的结构竖向加速度响应信号节段，作为后续冲刷检测的基准数据；
56、针对运营期间或遭受重大洪水灾害后的桥梁进行动力试验时；结合桥梁运营期间，每隔1～2年，根据准备模块中制定的试验方案进行现场动力试验，测量各测点的动力响应，截取车辆通过待测试桥墩时的结构竖向加速度响应信号节段，作为冲刷检测的状态特征数据；对遭受重大洪水灾害后的桥梁，也按照该方案进行试验；
57、所述分析模块对动力响应数据进行小波包分析；对动力试验模块得到的基准数据和状态特征数据分别进行小波包分析；对每个试验工况，计算基准状态下的小波能量比率方差wervr和后期运营状态下的小波能量比率方差wervd；
58、所述对比模块确定桥梁基础冲刷位置和程度；计算方差变化率指标vr，并对全部试验工况下的指标vr进行平均化处理，得到冲刷检测指标si并和si的区间划分标准进行对比。
59、一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
60、一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
61、本发明有益效果
62、本发明直接将车辆跳车冲击激励作为激励源，测试桥墩正上方的主梁竖向动力响应，利用该响应对基础竖向支撑刚度敏感的特性，识别冲刷导致的基础支撑刚度损失。
63、本发明侧重于桥梁下部结构结构整体损伤的检测方法，可以全面检测支座脱空、基础截面破损等导致的下部结构整体竖向支撑刚度变化。
64、本方法能够快速筛选和评估竖向支撑刚度异常的桥梁，为桥梁管理部门提供可靠的桥梁下部结构健康状态信息，保证桥梁结构的安全运营。
65、本发明适用于冲刷病害发生后基础竖向刚度发生明显减小的桥梁，包括具有浅基础和摩擦式桩基础的常规跨径桥梁。
66、此外，本发明具有现场试验简单、工作效率高、成本低等优点，仅需要在在桥面上布置少量测点，可以同时进行多个位置的检测。
1.一种基于连续跳车激励的桥梁基础冲刷病害检测方法，其特征在于：
2.根据权利要求1所述检测方法，其特征在于：在步骤1中包括：
3.根据权利要求2所述检测方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述检测方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述检测方法，其特征在于：
6.根据权利要求5所述检测方法，其特征在于：在步骤6中还包括：
7.一种用于执行权利要求1至6中任意一项所述的基于连续跳车激励的桥梁基础冲刷病害检测方法的检测系统，其特征在于：
8.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任意一项所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1至6中任意一项所述方法的步骤。
