一种路面及桥面铺装材料阻尼特性参数的测试方法

摘要

一种路面及桥面铺装材料阻尼特性参数的测试方法。其主要目的在于精确地测出路面或桥面铺装材料的阻尼比。其实现步骤为：根据实测数据计算确定阻尼测试时需考虑的车辆荷载激振的时间频率范围，取铺装材料长梁，并用有限元方法计算得到铺装材料长梁在车辆荷载激振时间频率范围内的所有模态振型，及其各自对应的无阻尼自振频率。对计算得到的各阶模态振型进行测试，获取各阶模态振型对应的激振信号和响应信号。根据所获得的激振信号和响应信号计算得到各阶模态振型的频响函数，并绘制各阶模态振型的频响函数幅值与频率的关系曲线，确定各阶模态振型的阻尼自振频率，从而计算出各阶模态振型对应的阻尼比。

主权项

1.一种路面及桥面铺装材料阻尼特性参数的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：试验前参数的确定步骤1.1：通过路面或桥面的不平度实测数据，即沿行车方向不同位置处行车道表面的高程，计算得到空间频率的范围，具体步骤如下：沿行车方向，对1km路面或桥面进行不平度测试，得到高程序列：{D(m)}，m＝0，1，2，…N-1，N为所测高程总点数，对该高程序列进行离散时间序列傅里叶变换，得到：$a_k=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}D\left(m\right)e^{-\mathrm{jk}{O}_{0}m}$其中，N为所测高程总点数，a_k为离散时间序列傅里叶变换系数，k＝0，1，2，…N-1，对求得的离散时间序列傅里叶变换系数a_k，k＝0，1，2，…N-1，进行归一化，也就是依次将离散时间序列傅里叶变换系数a_k除以a_k序列中的最大值，得到a_k，选择大于1％的所有a_k，假设其中下标的最小值为k_min，下标的最大值为k_max，则空间频率n的范围为单位为m^-1，步骤1.2：确定通行车辆的行车速度范围根据道路或桥梁收费站或车辆监测点的车流数据，选择每日平均交通量中所占比例最大的车型作为代表性车型，通过车速监测点的监控数据，获得代表性车型的行车速度v的范围v_min～v_max，即为通行车辆的行车速度范围，步骤1.3：确定阻尼测试时需要考虑的车辆荷载激振的时间频率范围根据步骤1.1得到的空间频率n的范围和步骤1.2得到的通行车辆行车速度v的范围v_min～v_max，确定车辆荷载激振的时间频率范围，所述的车辆荷载激振的时间频率范围可以根据如下公式计算确定：f＝nv其中，n为空间频率，v为行车速度，f为时间频率，所述的车辆荷载激振的时间频率范围用圆频率表示为：Ω＝2πf＝2πnv其中，Ω为圆频率，步骤1.4：从待测路面或桥面上取一根长宽比大于5且小于20的铺装材料长梁作为试件，铺装材料长梁横截面的宽度和高度均大于铺装材料中集料规格尺寸的倍且不大于100mm，步骤1.5：在步骤1.3中确定的阻尼测试时需要考虑的车辆荷载激振的时间频率范围内，采用有限元方法计算得到铺装材料长梁在车辆荷载激振的时间频率范围内的N′阶模态振型，所述N′阶模态振型包括第1阶模态振型，第2阶模态振型，第3阶模态振型，……，第N′阶模态振型，N′为模态振型阶数，第1阶模态振型，第2阶模态振型，第3阶模态振型，……，第N′阶模态振型所对应的模态振型向量依次分别为：{Ψ′}₁，{Ψ′}₂，{Ψ′}₃，……，{Ψ′}_N′，并同时计算出每一阶模态振型对应的无阻尼自振频率Ω₁，Ω₂，Ω₃，……，Ω_N′，有限元方法计算得到铺装材料长梁的N′阶模态振型的具体步骤如下：步骤1.5.1：定义单元类型为梁单元，并进行梁单元实常数的设置，具体包括铺装材料长梁横截面的面积、惯性矩、高度，其中铺装材料长梁横截面的高度为h，面积为A＝bh，惯性矩为b为铺装材料长梁的宽度，铺装材料长梁的长度为L′，并定义铺装材料长梁的材料属性，包括弹性模量和密度，其中，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0715-2011沥青混合料弯曲试验，测定其弹性模量，并按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0706-2011压实沥青混合料密度试验，即水中重法，测定其密度，根据铺装材料长梁的尺寸进行建模并划分网格，网格划分数为M′，具体如下：令x′为取整，网格划分数M′在如下范围取值[x′，4x′]，步骤1.5.2：将铺装材料长梁两端的边界条件设为简支，并定义分析类型为模态分析，进行分析参数的设置，步骤1.5.3：进行求解和结果分析，步骤2：阻尼测试步骤2.1：采用压电材料传感器，作为激振力发射端，又兼作为响应信号接收端，分别同时连接到信号发生器和存储器，步骤2.2：令r＝1，r为所测试的模态振型的阶次，步骤2.3：根据第r阶模态振型，在铺装材料长梁上布设r个压电材料传感器，其中，r≤N′，所述压电材料传感器布设的具体位置为：$\frac{(2i-1)L}{2r}$其中，i为压电材料传感器的编号，i＝1，2，…，r，r为所测试的模态振型的阶次，L为铺装材料长梁的跨径，令其等于铺装材料长梁的长度L′，同时分别设置第i个压电材料传感器的初始相位i＝1，2，…，r，当i为奇数时初始相位设为0，当i为偶数时初始相位设为π，步骤2.4：确定第r阶模态振型的频率扫描范围，具体过程如下：由步骤1.5中获得的第r阶模态振型的无阻尼自振频率Ω_r，根据所测试的铺装材料长梁的材料种类选取其可能的阻尼比ξ^ke，对一般道路工程而言，结构阻尼比通常取0～14％，由下式：${\omega }_r^{\mathrm{ke}}=\sqrt{1-{\left({\xi }^{\mathrm{ke}}\right)}^2}{\Omega }_r$计算得到第r阶模态振型可能的阻尼自振频率其中为第r阶模态振型可能的阻尼自振频率，并确定频率扫描范围，所述频率扫描范围为：其中，为第r阶模态振型频率扫描范围的下限，取为第r阶模态振型频率扫描范围的上限，取步骤2.5：选取第r阶模态振型，在步骤2.4确定的第r阶模态振型的频率扫描范围内，以为步长进行频率扫描，令T为扫描时间，一般在2s～10s范围内取值，由公式可得第r阶模态振型第i个压电材料传感器在在t_q时刻的激振力序列{y_qri}，其中y_qri为第r阶模态振型下第i个压电材料传感器在t_q时刻的激振力，t_q＝qΔt，S为第r阶模态振型的频率扫描的激振力激励的时间点数，q＝1，2，3，…，S，为第r阶模态振型下第i个压电材料传感器的初始相位，由信号发生器分别产生对应于第i个压电材料传感器的激振信号{y_qri}，i＝1，2，…，r，并同时将激振信号发送给各对应的压电材料传感器，由各个压电材料传感器产生激振力，激起铺装材料长梁的第r阶模态振型，同时各压电材料传感器又兼作为响应信号接收端，接收铺装材料长梁的振动响应信号，并将接收到的铺装材料长梁的振动响应信号发送至存储器，步骤2.6：如果r+1＞N′时，则停止振型测试，进入步骤3，否则，令r＝r+1，返回步骤2.3，继续进行振型测试，步骤3：阻尼比确定方法步骤3.1：令r＝1，r为所测试的模态振型阶次，步骤3.2：根据步骤2.5所获得的第r阶模态振型的激振信号和响应信号获取第r阶模态振型的频响函数，当忽略噪声的影响时，进入步骤3.2.1，当考虑噪声的影响时，进入步骤3.2.2，步骤3.2.1：在存储器中选取r个压电材料传感器中的任意一个压电材料传感器的激振信号和响应信号，并对选取的激振信号和响应信号进行傅里叶变换，根据激振信号的傅里叶变换和响应信号的傅里叶变换，根据以下公式求得在忽略噪声的影响时第r阶模态振型的频响函数H_r(ω)，$H_r\left(\omega \right)=\frac{X_{\mathrm{ri}}\left(\omega \right)}{F_{\mathrm{ri}}\left(\omega \right)}$其中，ω为振动圆频率，也可采用时间频率作为自变量，即用ω＝2πf′代入上述公式，i为压电材料传感器的编号，i＝1，2，…，r，X_ri(ω)为第r阶模态振型下第i个压电材料传感器采集到的响应信号的傅里叶变换，F_ri(ω)为第r阶模态振型下第i个压电材料传感器激振信号的傅里叶变换，步骤3.2.2：在存储器中选取r个压电材料传感器中的任意一个压电材料传感器的激振信号和响应信号，根据选取的激振信号和响应信号，求得第r阶模态振型的激振信号与响应信号之间的互功率谱、激振信号的自功率谱和响应信号的自功率谱，根据以下公式求得在考虑噪声的影响时第r阶模态振型的频响函数H′_r(ω)，$H_r^{\prime }\left(\omega \right)=\frac{X_{\mathrm{ri}}\left(\omega \right)X_{\mathrm{ri}}^{*}\left(\omega \right)}{F_{\mathrm{ri}}\left(\omega \right)X_{\mathrm{ri}}^{*}\left(\omega \right)}=\frac{G_{\mathrm{XXri}}}{G_{\mathrm{FXri}}}$其中，ω为振动圆频率，也可采用时间频率作为自变量，即用ω＝2πf′代入上述公式，i为压电材料传感器的编号，i＝1，2，…，r，X_ri(ω)为第r阶模态振型下第i个压电材料传感器采集到的响应信号的傅里叶变换，F_ri(ω)为第r阶模态振型下第i个压电材料传感器激振信号的傅里叶变换，*为共轭符号，G_FXri为第r阶模态振型下第i个压电材料传感器的激振信号与响应信号之间的互功率谱，G_XXri为第r阶模态振型下第i个压电材料传感器的响应信号的自功率谱，步骤3.3：根据步骤3.2求得的第r阶模态振型的频响函数，绘制第r阶模态振型的频响函数幅值与频率的关系曲线，关系曲线中幅值最大值对应的频率即为第r阶模态振型的阻尼自振频率ω_r，其中r为所测试的模态振型的阶次，步骤3.4：根据步骤1.5确定的第r阶模态振型的无阻尼自振频率Ω_r，以及步骤3.3求得的第r阶模态振型的阻尼自振频率ω_r，根据公式：${\omega }_r=\sqrt{1-{\left({\xi }_r\right)}^2}{\Omega }_r$就可以求得第r阶模态振型对应的阻尼比ξ_r，步骤3.5：如果r+1＞N′时，则停止阻尼比计算，否则，令r＝r+1，返回步骤3.2，继续进行阻尼比计算。