基于分布式光纤的混凝土路面振动场感知与解析

感知并解析路面振动可为智能车路系统提供健康诊断、定位循迹、风险预警等多功能服务，有效驱动路面智能化。通过优化分布式光纤器件设计与阵列布设，研发了水泥混凝土路面振动分布式感知系统；利用短时能量分析、功率谱分析等构建了振动时间-空间特征、频域-空间特征的场式表达方法；基于短时能量时空场、功率谱频空场，提出了水泥混凝土路面振动时空响应特征、全局频域特征的变维度解析方法；并于同济大学足尺试验场进行实测验证。结果表明：①荷载位置显著影响短时能量时空场，短时能量峰值坐标能灵敏地反映荷载位置变化，且相比线形光缆，由光纤环阵列组成的感知系统具有更高的空间分辨率(0.35 m)；②相同荷载激振下，振动分布式感知系统与商用高精度加速度计测试结果相近(频峰识别误差小于1 Hz，空间振型置信度大于0.9)，且在多点重复测试下具有较高稳定性；③面板模量显著影响功率谱频空场，模量越大前4阶频率越大，且增幅随阶次增高而愈发显著，该实测现象与理论分析吻合，且在6块板内测得相同趋势。该振动分布式感知系统能够准确、稳定地感知路面振动场时间、空间、频域信息；振动场变维度解析方法能够有效、可靠地解析时空响应特征、全局频域特征。     

斜向预应力混凝土铺面振动特性

预应力影响下斜向预应力混凝土铺面的振动特性，并揭示预应力水平与振动特性的关系，首先开展足尺模型试验，通过分级张拉模拟不同预应力水平，并利用加速度计采集足尺模型振动数据，依托快速傅里叶变换捕获各预应力水平对应的振动特性，从而揭示预应力对斜向预应力混凝土铺面振动特性的影响。其次，利用ABAQUS软件建立斜向预应力混凝土铺面数值模型，通过等效荷载法模拟预应力作用，采集不同预应力水平下数值模型的加速度响应，并通过数值模拟拓展试验工况，开展参数（模量、密度、摩擦因数等）敏感性分析，进一步研究斜向预应力铺面振动特性及其变化规律。研究结果表明：预应力对振动主频影响较小，以主频为指标的传统方法在斜向预应力混凝土铺面振动分析中具有局限性，难以体现预应力影响下振动频谱的整体变化；预应力水平会显著影响50~150 Hz频段的振动频谱分布，随着预应力增大，50~150 Hz频段频谱曲线向高频呈现明显偏移，该频段权重频率变化量与预应力变化幅度具有显著的相关性；该规律在不同材料、摩擦因数等参数组合下具有一定普适性，进一步佐证预应力水平对权重频率具有显著影响，因此，建议采用权重频率作为指标以观测频谱分布的变化，从而分析预应力对斜向预应力混凝土铺面振动特性的影响。     

基于振动感知的混凝土铺面板底脱空识别方法

水泥混凝土铺面在使用过程中常由于冲刷和沉降产生脱空，进而诱发断板、错台等病害，严重影响铺面使用性能。为此，提出一种基于振动感知的混凝土铺面板底脱空识别方法，以有效控制混凝土铺面的结构性损坏。通过有限元数值模拟与室内试验，发现板底脱空会影响铺面板局部振动的频谱分布，且影响程度与脱空面积、位置等因素相关。在此基础上，采用分布式光纤传感技术搭建铺面板振动感知系统，分布式地采集铺面板振动特性；利用时频分析技术解析铺面板振动特性，捕获振动频谱特征；研究不同脱空状况下铺面板局部的振动频谱特征。分析结果表明：脱空状况对20~150 Hz频段上频谱特征的影响显著；以该频段为敏感频段，计算加权频率的变化量，并以此为脱空监测指标，提出基于振动感知的混凝土铺面板底脱空识别方法。于上海龙华机场开展现场试验，在3块铺面板内搭建了分布式振动感知系统；采集了12个测点不同日期的动态弯沉与振动特性数据，比较了振动感知法和传统弯沉法的脱空识别结果。试验结果表明：2种方法的识别结果趋于一致且具有较好的相关性，验证了振动感知法用于脱空识别的可行性。