CN101696912A - 基于统计指标的混凝土桥梁结构健康诊断的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于统计指标的混凝土桥梁结构健康诊断的方法：对每个挠度测点，只保留每天监测数据的最大值、最小值、开始值和结束值四个数据，根据所保留的数据计算ADX指标、DMA指标、TRIX指标，1)采用ADX指标描述桥梁结构的当前劣化趋势；2)采用DMA指标描述桥梁结构的中短期劣化趋势；3)采用TRIX指标描述桥梁结构的长期劣化趋势；4)根据前述三种统计指标计算结果，得到ADX指标值、DMA指标值、AMA指标值、TRIX指标值、TRMA指标值，将各种指标值的相互组合在同一坐标系下绘制成结构安全评价图表，对桥梁结构的健康状态进行综合评价。本发明的有益技术效果是：提供了一种无模型评价桥梁结构安全的方法，避免了海量数据的存储、处理。

Description

基于统计指标的混凝土桥梁结构健康诊断的方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁结构安全评价技术，尤其涉及一种基于统计指标的混凝土桥梁结构健康诊断的方法。

背景技术

结构健康监测作为替代桥梁传统安全检测和评定的新兴技术，已得到广泛关注并取得了一定进展。然而其核心之一的结构健康诊断，大多仍采用依赖结构精确模型和已知激励的方法。由于旧桥资料的缺乏和桥梁结构参数的变化，建立精确模型十分困难，加上在监测中环境激励的未知性，使得此类方法难以奏效。无模型的评价方法近年来逐渐得到广大学者的重视。

发明内容

本发明提出了一种基于统计指标的混凝土桥梁结构健康诊断的方法：对每个挠度测点，只保留每天监测数据的最大值、最小值、开始值和结束值四个数据，根据所保留的数据计算ADX指标、DMA指标、TRIX指标，1)采用ADX指标描述桥梁结构的当前劣化趋势；2)采用DMA指标描述桥梁结构的中短期劣化趋势；3)采用TRIX指标描述桥梁结构的长期劣化趋势；4)根据前述三种统计指标计算结果，得到ADX指标值、DMA指标值、AMA指标值、TRIX指标值、TRMA指标值，将各种指标值的相互组合在同一坐标系下绘制成结构安全评价图表，对桥梁结构的健康状态进行综合评价。

计算ADX指标、DMA指标、TRIX指标的方法为：

(一)ADX指标的计算方法，包括：计算动向、计算波幅、计算方向线、计算动向平均数；

1)计算动向

上升动向值记为+DM，计算方法为：当日监测数据的最大值减去前一日监测数据的最小值；下降动向值记为-DM，计算方法为：当日监测数据的最小值减去前一日监测数据的最小值；

若|+DM|＞|-DM|，则记录+DM、-DM的数值，否则记录-DM数值和+DM＝0；

若|+DM|＜|-DM|，则记录+DM、-DM的数值，否则记录+DM数值和-DM＝0；

若|+DM|＝|-DM|，则记录+DM＝0、-DM＝0；

2)计算波幅

A、当日监测数据最大值减去当日监测数据最小值的差值；

B、当日监测数据最大值减去前一日监测数据的结束值的差值；

C、当日监测数据最小值减去前一日监测数据的结束值的差值；

取A、B、C三个数值中绝对值最大的数值为当日波幅，并记为TR；

3)计算方向线

方向线分为上升方向线+DI、下降方向线-DI，其计算方法为：

根据步骤1中记录的每天-DM、+DM值，以N天作为计算周期，分别取N天内的+DM、-DM和TR的平均值，所得的平均值分别记为+DM(N)、-DM(N)和TR(N)，按下式分别计算+DI、-DI：

+DI＝(+DM(N)÷TR(N))×100

-DI＝(-DM(N)÷TR(N))×100

4)计算动向平均数

按下式计算DX指标，

DX＝(DIDIF÷DISUM)×100

其中，DIDIF为+DI和-DI差的绝对值；DISUM为+DI与-DI之和；

计算DX的周期N的移动平均值，即可得到ADX指标值；

(二)DMA指标的计算方法为：

该指标由两条周期不同的平均线组成，属于趋向指标的一种；

1)分别计算监测数据的结束值在短周期T天内的平均值V_T和在长周期a*T天内的平均值V_aT；a为正整数；

2)DMA＝(V_T-V_aT)，由此得到DMA指标值；

3)AMA＝DMA的T天移动平均值，由此得到AMA指标值。

(三)TRIX指标的计算方法为(原始数据同前)：

1)计算当天的结束值的n天指数平均值AX，记为AX_n，其中X_n为当天监测数据的结束值，AX_n-1为前一天的结束值的n天指数平均，则有：

AX_n＝X_n×2/(n+1)+AX_n-1×(n-1)/(n+1)

2)计算当天的AX的n天指数平均值BX，记为BX_n，其中，BX_n-1为前一天的AX的n天指数平均，

BX_n＝AX_n×2/(n+1)+BX_n-1×(n-1)/(n+1)

3)计算当天的BX的n天指数平均值TRIX，记为TRIX_n，由此得到TRIX指标值，其中，TRIX_n-1为前一天的BX的n天指数平均，

TRIX_n＝BX_n×2/(n+1)+TRIX_n-1×(n-1)/(n+1)

4)计算当天的TRIX的n天移动平均TRMA，由此得到TRMA指标值，其中，TRIX_i为第i天的TRIX值，m代表当天，

$\mathrm{TRMA}=\frac{1}{n}\underset{i=m-n+1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{TRIX}}_i$

步骤(一)、(二)、(三)中的计算都是以“天”为基本周期的，根据需要，可以选择“周”为基本计算周期，方法相同，只需将原来以“天”为周期的数据改为以“周”为周期的数据，将“天”改为“周”即可。

对桥梁结构的健康状态进行评价的方法为：

1)以时间为横坐标，根据前述步骤计算出的各种指标值绘制出如下两副图表：

将挠度结束值、ADX指标值与DMA指标值、AMA指标值结合绘制成图表；

将挠度结束值、ADX指标值与TRIX指标值、TRMA指标值结合绘制成图表；

2)以“天”为评价周期，当ADX指标值处于40以下，而且DMA和AMA曲线在横坐标轴附近横向移动波幅小于2时，当前桥梁结构处于健康状态；

3)以“周”为评价周期，当TRIX指标值曲线向上与TRMA指标值曲线相交，且ADX指标值大于20而小于40，则桥梁结构处于亚健康状态，须进行一般告警并密切关注其变化；

4)以“周”为评价周期，当DMA指标值曲线向上与AMA指标值曲线相交，且ADX指标值大于40并处于上升动向时，桥梁处于危险状态，则发出安全报警信号并采取相应措施。

对桥梁结构的健康状态进行评价的方法为：

1)以时间为横坐标，将ADX指标值与DMA指标值、AMA指标值结合绘制成图表，将ADX指标值与TRIX指标值、TRMA指标值结合绘制成图表。

2)以“天”为评价周期，当ADX指标值处于40以下，而且DMA和AMA曲线在横坐标轴附近横向移动波幅小于2时，当前桥梁结构处于健康状态；

3)以“周”为评价周期，当TRIX指标值曲线向上与TRMA指标值曲线相交，且ADX指标值大于20而小于40，则桥梁结构处于亚健康状态，须进行一般告警并密切关注其变化；

4)以“周”为评价周期，当DMA指标值曲线向上与AMA指标值曲线相交，且ADX指标值大于40并处于上升动向时，桥梁处于危险状态，则发出安全报警信号并采取相应措施。

本发明的有益技术效果是：提供了一种无模型评价桥梁结构安全的方法，避免了海量数据的存储、处理。

附图说明

图1为某一桥梁在某一段时间内(时段1)的挠度结束值曲线，以天为基本周期；

图2为与图1数据同周期的挠度最大、最小值曲线；

图3为图1同周期的ADX曲线及DMA、AMA曲线；

图4为另一段时间(时段2)挠度值曲线，以周为基本周期(桥梁处于亚健康状态)；

图5为与图4同周期内的ADX曲线；

图6为与图4同周期内的TRIX、TRMA曲线；

图7为另一段时间(时段3)的挠度值曲线及其相应的DMA、AMA曲线的变化情况，以周为计算周期；

图8为与图7相应的ADX指标。

具体实施方式

1、本发明的方法，通过对几种统计指标的综合判断，既可对桥梁当前健康状态进行评估，又可分析桥梁结构劣化趋势的长期发展态势，及时发现桥梁的安全隐患，提高避免重大安全事故发生的概率。

2、本发明的方法为：对每个挠度测点，只保留每天监测数据的最大值、最小值、开始值和结束值四个数据，根据所保留的数据计算ADX指标、DMA指标、TRIX指标，1)采用ADX指标描述桥梁结构的当前劣化趋势；2)采用DMA指标描述桥梁结构的中短期劣化趋势；3)采用TRIX指标描述桥梁结构的长期劣化趋势；4)根据前述三种统计指标计算结果，得到ADX指标值、DMA指标值、AMA指标值、TRIX指标值、TRMA指标值，将各种指标值的相互组合在同一坐标系下绘制成结构安全评价图表，对桥梁结构的健康状态进行综合评价。

3、各种指标的具体计算方法为：

(一)ADX指标的计算方法，包括：计算动向、计算波幅、计算方向线、计算动向平均数；

1)计算动向

上升动向值记为+DM，计算方法为：当日监测数据的最大值减去前一日监测数据的最小值；下降动向值记为-DM，计算方法为：当日监测数据的最小值减去前一日监测数据的最小值；

若|+DM|＞|-DM|，则记录+DM、-DM的数值，否则记录-DM数值和+DM＝0；

若|+DM|＜|-DM|，则记录+DM、-DM的数值，否则记录+DM数值和-DM＝0；

若|+DM|＝|-DM|，则记录+DM＝0、-DM＝0；

2)计算波幅

A、当日监测数据最大值减去当日监测数据最小值的差值；

B、当日监测数据最大值减去前一日监测数据的结束值的差值；

C、当日监测数据最小值减去前一日监测数据的结束值的差值；

取A、B、C三个数值中绝对值最大的数值为当日波幅，并记为TR；

3)计算方向线

方向线分为上升方向线+DI、下降方向线-DI，其计算方法为：

根据步骤1中记录的每天-DM、+DM值，以N天作为计算周期，分别取N天内的+DM、-DM和TR的平均值，所得的平均值分别记为+DM(N)、-DM(N)和TR(N)，按下式分别计算+DI、-DI：

+DI＝(+DM(N)÷TR(N))×100

-DI＝(-DM(N)÷TR(N))×100

4)计算动向平均数

按下式计算DX指标，

DX＝(DIDIF÷DISUM)×100

其中，DIDIF为+DI和-DI差的绝对值；DISUM为+DI与-DI之和；

计算DX的周期N的移动平均值，即可得到ADX指标值；

(二)DMA指标的计算方法为：

该指标由两条周期不同的平均线组成，属于趋向指标的一种；

1)分别计算监测数据的结束值在短周期T天内的平均值V_T和在长周期a*T天内的平均值V_aT；a为正整数；

2)DMA＝(V_T-V_aT)，由此得到DMA指标值；

3)AMA＝DMA的T天移动平均值，由此得到AMA指标值。

(三)TRIX指标的计算方法为(原始数据同前)：

1)计算当天的结束值的n天指数平均值AX，记为AX_n，其中X_n为当天监测数据的结束值，AX_n-1为前一天的结束值的n天指数平均，则有：

AX_n＝X_n×2/(n+1)+AX_n-1×(n-1)/(n+1)

2)计算当天的AX的n天指数平均值BX，记为BX_n，其中，BX_n-1为前一天的AX的n天指数平均，

BX_n＝AX_n×2/(n+1)+BX_n-1×(n-1)/(n+1)

3)计算当天的BX的n天指数平均值TRIX，记为TRIX_n，由此得到TRIX指标值，其中，TRIX_n-1为前一天的BX的n天指数平均，

TRIX_n＝BX_n×2/(n+1)+TRIX_n-1×(n-1)/(n+1)

4)计算当天的TRIX的n天移动平均TRMA，由此得到TRMA指标值，其中，TRIX_i为第i天的TRIX值，m代表当天，

$\mathrm{TRMA}=\frac{1}{n}\underset{i=m-n+1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{TRIX}}_i$

步骤(一)、(二)、(三)的计算都是以“天”为基本周期的，根据需要，可以选择“周”为基本计算周期，方法相同，只需将原来以“天”为周期的数据改为以“周”为周期的数据，将“天”改为“周”即可。

对桥梁结构的健康状态进行评价的方法为：

1)以时间为横坐标，将ADX指标值与DMA指标值、AMA指标值结合绘制成图表，将ADX指标值与TRIX指标值、TRMA指标值结合绘制成图表。

2)以“天”为评价周期，当ADX指标值处于40以下，而且DMA和AMA曲线在横坐标轴附近横向移动波幅小于2时，当前桥梁结构处于健康状态；

3)以“周”为评价周期，当TRIX指标值曲线向上与TRMA指标值曲线相交，且ADX指标值大于20而小于40，则桥梁结构处于亚健康状态，须进行一般告警并密切关注其变化；

4)以“周”为评价周期，当DMA指标值曲线向上与AMA指标值曲线相交，且ADX指标值大于40并处于上升动向时，桥梁处于危险状态，则发出安全报警信号并采取相应措施。

实施例：

参见图1、图2，图1所示为某一桥梁在某一段时间内(时段1)的挠度值曲线，以天为计算周期，图2为与图1同周期的挠度最大、最小值曲线，以此挠度值曲线为依据按前述方法分别计算出各种指标，并绘制成图表，即得图3。

图3为与图1、图2同周期内的ADX曲线及DMA、AMA曲线。从图3可以看出，桥梁健康时，DMA和AMA曲线围绕0值线(即横坐标轴)上下窄横向幅波动(波动幅度小于2)，而且ADX的值处于40以下。

图4为另一时间段(时段2)的挠度值曲线，以周为计算周期；图5为与图4同周期内的ADX曲线，图6为相应的TRIX、TRMA曲线。从图4、5、可见，当TRIX曲线向上与TRMA曲线相交，而且ADX的值处于20-40之间时，挠度值将在一长段时间后形成不可恢复的单向趋势，即桥梁处于亚健康状态，需要进行一般告警并密切关注其变化。

图7为再一段时间内(时段3)的挠度结束值曲线及其相应的DMA、AMA曲线的变化情况，以周为计算周期，图8为相应的ADX指标。从图7、图8中可看到，当DMA曲线向上与AMA曲线相交，而且ADX的值大于40时，桥梁挠度将在短时间内形成明显的上升趋势，表明桥梁处于危险状态。需进行安全告警并采取相应措施。

Claims (3)

1.一种基于统计指标的混凝土桥梁结构健康诊断的方法，其特征在于：对每个挠度测点，只保留每天监测数据的最大值、最小值、开始值和结束值四个数据，根据所保留的数据计算ADX指标、DMA指标、TRIX指标，1)采用ADX指标描述桥梁结构的当前劣化趋势；2)采用DMA指标描述桥梁结构的中短期劣化趋势；3)采用TRIX指标描述桥梁结构的长期劣化趋势；4)根据前述三种统计指标计算结果，得到ADX指标值、DMA指标值、AMA指标值、TRIX指标值、TRMA指标值，将各种指标值的相互组合在同一坐标系下绘制成结构安全评价图表，对桥梁结构的健康状态进行综合评价。

2.根据权利要求1所述的基于统计指标的混凝土桥梁结构健康诊断的方法，其特征在于：计算ADX指标、DMA指标、TRIX指标的方法为：

(一)ADX指标的计算方法，包括：计算动向、计算波幅、计算方向线、计算动向平均数；

1)计算动向

上升动向值记为+DM，计算方法为：当日监测数据的最大值减去前一日监测数据的最小值；下降动向值记为-DM，计算方法为：当日监测数据的最小值减去前一日监测数据的最小值；

若|+DM|＞|-DM|，则记录+DM、-DM的数值，否则记录-DM数值和+DM＝0；

若|+DM|＜|-DM|，则记录+DM、-DM的数值，否则记录+DM数值和-DM＝0；

若|+DM|＝|-DM|，则记录+DM＝0、-DM＝0；

2)计算波幅

A、当日监测数据最大值减去当日监测数据最小值的差值；

B、当日监测数据最大值减去前一日监测数据的结束值的差值；

C、当日监测数据最小值减去前一日监测数据的结束值的差值；

取A、B、C三个数值中绝对值最大的数值为当日波幅，并记为TR；

3)计算方向线

方向线分为上升方向线+DI、下降方向线-DI，其计算方法为：

根据步骤1)中记录的每天-DM、+DM值，以N天作为计算周期，分别取N天内的+DM、-DM和TR的平均值，所得的平均值分别记为+DM(N)、-DM(N)和TR(N)，按下式分别计算+DI、-DI：

+DI＝(+DM(N)÷TR(N))×100

-DI＝(-DM(N)÷TR (N))×100

4)计算动向平均数

按下式计算DX指标，

DX＝(DIDIF÷DISUM)×100

其中，DIDIF为+DI和-DI差的绝对值；DISUM为+DI与-DI之和；

计算DX的周期N的移动平均值，即可得到ADX指标值；

(二)DMA指标的计算方法为：

该指标由两条周期不同的平均线组成，属于趋向指标的一种；

1)分别计算监测数据的结束值在短周期T天内的平均值V_T和在长周期a*T天内的平均值V_aT；a为正整数；

2)DMA＝(V_T-V_aT)，由此得到DMA指标值；

3)AMA＝DMA的T天移动平均值，由此得到AMA指标值；

(三)TRIX指标的计算方法为(原始数据同前)：

1)计算当天的结束值的n天指数平均值AX，记为AX_n，其中X_n为当天监测数据的结束值，AX_n-1为前一天的结束值的n天指数平均，则有：

AX_n＝X_n×2/(n+1)+AX_n-1×(n-1)/(n+1)

2)计算当天的AX的n天指数平均值BX，记为BX_n，其中，BX_n-1为前一天的AX的n天指数平均，

BX_n＝AX_n×2/(n+1)+BX_n-1×(n-1)/(n+1)

3)计算当天的BX的n天指数平均值TRIX，记为TRIX_n，由此得到TRIX指标值，其中，TRIX_n-1为前一天的BX的n天指数平均，

TRIX_n＝BX_n×2/(n+1)+TRLX_n-1×(n-1)/(n+1)

4)计算当天的TRIX的n天移动平均TRMA，由此得到TRMA指标值，其中，TRIX_i为第i天的TRIX值，m代表当天，

$\mathrm{TRMA}=\frac{1}{n}\underset{i=m-n+1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{TRIX}}_i.$

3.根据权利要求1所述的基于统计指标的混凝土桥梁结构健康诊断的方法，其特征在于：对桥梁结构的健康状态进行评价的方法为：

1)以时间为横坐标，绘制如下两副图表：

将挠度结束值、ADX指标值与DMA指标值、AMA指标值结合绘制成图表；

将挠度结束值、ADX指标值与TRIX指标值、TRMA指标值结合绘制成图表；

2)以“天”为评价周期，当ADX指标值处于40以下，而且DMA和AMA曲线在横坐标轴附近横向移动波幅小于2时，当前桥梁结构处于健康状态；

3)以“周”为评价周期，当TRIX指标值曲线向上与TRMA指标值曲线相交，且ADX指标值大于20而小于40，则桥梁结构处于亚健康状态，须进行一般告警并密切关注其变化；

4)以“周”为评价周期，当DMA指标值曲线向上与AMA指标值曲线相交，且ADX指标值大于40并处于上升动向时，桥梁处于危险状态，则发出安全报警信号并采取相应措施。

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