CN103913512A - 斜拉索定期检测的损伤定位系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜拉索定期检测的损伤定位系统及其方法，属于结构检测技术领域；包含激励模块、数据采集模块、数据分析模块、安全评定和维修决策模块四个部分；其中关键技术是其数据分析模块，该模块的核心是所发明的斜拉索损伤定位的归一化离散度波形差法，这是一种基于振动信息时域分析的损伤定位方法。本发明适用于斜拉桥结构定期检测中，斜拉索的损伤定位和安全评定，具有计算速度快、实施简单、成本低、不需要建立结构数值模型、抗噪声性能强等优点。

Description

斜拉索定期检测的损伤定位系统及其方法

技术领域

本发明属于基于振动的结构损伤检测技术领域，涉及到斜拉桥结构的斜拉索损伤定位，具体地说是发明了一个用于斜拉索定期检测的损伤定位系统。

背景技术

基于振动的结构损伤检测技术是土木工程、机械工程、航空航天工程等领域的研究热点，它不需要对结构的每个细节部位进行全面排查，仅通过对一些测点的振动响应信号进行分析便可定位出损伤的大致位置。相比常规的物理无损检测方法，基于振动的损伤检测系统可节约大量的人力、物力、操作简单，实施快捷。

斜拉桥是土木工程结构中的重要组成部分，往往跨径较大、耗资巨大，一旦发生破坏，造成的经济损失、社会影响尤其深远，其安全性异常重要。斜拉桥的斜拉索是结构受力体系中最关键的部分；通常大跨斜拉桥的斜拉索常服役于恶劣的自然环境中，并且在高应力下工作，腐蚀、断丝、材料老化、锚头损坏等不利因素使吊杆/斜拉索系统难免出现不同程度的损伤。研究和经验表明，斜拉索是斜拉桥中最容易发生损伤的部分；一旦发生损伤，结构桥面轻则出现V形波浪，重则主梁脱落、造成灾难。一般来说，除了重大自然灾害(如地震、强台风)对大跨度桥梁结构可能造成瞬间破坏以外，正常情况下斜拉索的损伤是一个逐步累积的过程，对大跨度桥梁结构进行定期检测可满足安全性的需要。因此，发展斜拉桥结构中斜拉索的损伤检测系统有积极意义。

然而，基于振动的斜拉桥等大跨度桥梁结构的损伤定位目前仍受较大局限，其中两个主要问题是大跨度桥梁结构有限元模型的精确性不高、一些损伤定位系统受噪声干扰较大。

发明内容

为了及时掌握大型斜拉桥结构中斜拉索的服役状态和损伤分布，发明一种用于斜拉索定期检测的损伤定位系统，该系统由激励模块、据采集模块、数据分析模块、安全评定和维修决策模块组成。

激励模块为将一个无线加速度传感器安装在某个斜拉索的测点上，检测时用力锤激励安装有无线加速度传感器斜拉索的测点并记录下脉冲激励幅值；无线传感器包含信号发送模块。

数据采集模块采集位于斜拉索测点的无线加速度传感器发送的加速度信号并存储在计算机中。

数据分析模块汇集所有斜拉索的加速度信号，采用基于提出的斜拉索损伤定位的离散度波形差法进行计算并给出损伤定位结果。

安全评定和维修决策模块显示是否有损伤斜拉索以及损伤斜拉索的编号，若无损伤斜拉索，则说明所有斜拉索都是安全的；若有损伤斜拉索，使用物理无损检测等局部检测方法对损伤的斜拉索进行检测，并给出可靠的损伤检测结果，根据斜拉索损伤的严重性作出维修或更换斜拉索的决策。

四个模块之间为先后顺序的关系：首先激励斜拉索；然后数据采集模块采集激励信号和加速度振动响应信号；再将所有这些采集到的信号传送到数据分析模块中由提出的斜拉索损伤定位的离散度波形差法模块进行计算；计算结果可显示是否有损伤斜拉索以及损伤斜拉索的编号；最后在安全评定和维修决策模块中再用物理检测方法对有损伤的斜拉索进行损伤程度评估并采取最终决策。

斜拉索定期检测的损伤定位方法包括如下步骤：

步骤一、测点和激励点布置：在待检测的每根斜拉索上布置一个固定的测点和一个固定的激励点；

步骤二、获得加速度响应：在每根斜拉索的激励点用力锤，以与斜拉索索面垂直方向激励该斜拉索，同时力锤端部的力传感器记录下激励幅值，并传输到计算机的数据采集模块中；数据采集模块分别基于损伤前的结构和未知状态的结构获得所有测点上与激励方向相同方向的加速度；将不同脉冲激励幅值下得到的加速度信号对激励幅值进行归一化，得到单位激励幅值(1N)下的加速度响应；

步骤三、计算各测点加速度响应的离散度：斜拉索k上测点的加速度时间序列(信号a^k)的各散点为则斜拉索k上的加速度信号a^k的离散度DOD为

$\mathrm{DOD}\left(a^k\right)=\log \left\{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{\left(a_i^k\right)}^2-{\left(\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^k\right)}^2\left]\right\}---\left(1\right)$

其中log为常用对数，N为信号点数；损伤前后用于计算的加速度响应长度应该相同，选择完整的脉冲激励加速度响应进行计算；得到每个测点的离散度后，连接这些值便可得到离散度波形；

步骤四、计算离散度波形差：损伤前后斜拉索k上测点处信号的离散度差定义如下，

${\left(D_{\mathrm{\Δ}}^k\right)}_{\mathrm{rs}}={\left({\mathrm{DOD}}_{\mathrm{before}}^k\right)}_r-{\left({\mathrm{DOD}}_{\mathrm{after}}^k\right)}_s---\left(2\right)$

其中是损伤前斜拉索k上测点处的第r个响应信号的离散度值，是损伤后斜拉索k上测点处的第s个响应信号的离散度值；

步骤五、对所有测点处基于一对响应(损伤前和损伤后的响应信号称为一对)计算出的离散度差进行归一化，这样每次识别中最大的离散度差值变为1；归一化后的离散度差为

${\left(D_{\mathrm{\Δ}}^k\right)}_{\mathrm{rs}}^{*}={\left(D_{\mathrm{\Δ}}^k\right)}_{\mathrm{rs}}/\underset{k}{\max }\left[{\left(D_{\mathrm{\Δ}}^k\right)}_{\mathrm{rs}}\right]---\left(3\right)$

步骤六、数据分析模块中对多次激励采集到的多组振动加速度进行步骤一至步骤五的多次计算后，定义损伤指标为平均归一化离散度波形差；斜拉索k上测点的损伤指标值如下式：

${\left(\mathrm{DI}\right)}_k={\mathrm{\μ}}_k=\frac{1}{\mathrm{RS}}\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\underset{s=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{\left(D_{\mathrm{\Δ}}^k\right)}_{\mathrm{rs}}^{*}---\left(4\right)$

根据经验，RS≥10；RS的值越大越好，实际使用中一般可取20；

步骤七、安全评定和维修决策模块：斜拉索测点处的平均归一化离散度差μ_k大于等于δ，将这个斜拉索判别为损伤斜拉索，即

损伤的斜拉索={(DI)_k≥δ}   (5)

其中δ是为了避免误报结果的出现而引入的阈值；δ基于无损工况下振动响应数据的损伤定位结果确定，δ是一个比无损工况的归一化离散度差均值μ_k略大的值。

若有损伤斜拉索，使用物理无损检测等局部检测方法对损伤的斜拉索进行检测，并给出可靠的损伤检测结果，根据斜拉索损伤的严重性做出维修或更换斜拉索的决策。

斜拉索定期检测的损伤定位方法，其步骤三中式(1)定义的离散度DOD也可以通过以下三个式子(6)～(8)来定义：

$\mathrm{DOD}\left(a^k\right)=\log \left(\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(a_i^k-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^k)}^2}{N-1}}\right)---\left(6\right)$

$\mathrm{DOD}\left(a^k\right)=\log \left[\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(a_i^k-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^k)}^2\right]---\left(7\right)$

$\mathrm{DOD}\left(a^k\right)=\log \left[\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(a_i^k-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^k)}^2\right]---\left(8\right)$

步骤三中根据这三个式子计算离散度DOD，步骤一至步骤七中的其他步骤不变，同样可以定位出损伤斜拉索。

本发明的有益效果在于，不需要待检测结构的有限元模型，节约了大量复杂的结构有限元模型建模和模型修正工作量；并且操作简便，一个人、一个力锤、一个无线加速度传感器(或一个加速度传感器和一套采集设备)和一个计算机便可完成斜拉索的损伤定位；该损伤定位方法还可以降低噪声的干扰，因为其采用脉冲激励对单根斜拉索进行激励，可以通过提高激励幅值、增大振动响应信号幅值进而增大信噪比的方法人为降低信号的噪声水平。本发明的关键技术是其数据分析模块，该模块的核心是提出的离散度波形差法(如图3)，这是一种基于振动信息时域分析(避免了参数识别过程中的误差)的损伤定位方法。所发明的损伤定位系统适用于斜拉桥结构中斜拉索的定期检测，具有计算速度快、实施简单、成本低等优点，在实际工程中有一定的应用潜力。

附图说明

图1本发明系统示意图

图2本发明流程示意图

图3斜拉索损伤定位的归一化离散度波形差法模块

图4基于ANSYS软件建立的某单塔斜拉桥结构的有限元模型

图5斜拉桥结构中的研究对象及测点布置

图6噪声水平5%时无损工况的定位结果

图7噪声水平5%时斜拉索损伤工况1的定位结果

图8噪声水平5%时斜拉索损伤工况2的定位结果

图9噪声水平5%时斜拉索损伤工况3的定位结果

图10噪声水平5%时斜拉索损伤工况4的定位结果

图11噪声水平5%时斜拉索损伤工况5的定位结果

图6～11中的横坐标是斜拉索编号，纵坐标是归一化离散度波形差均值，若某斜拉索的归一化离散度波形差均值大于阈值0.25，则其为损伤斜拉索。

具体实施方式

选取某单塔双索面斜拉桥数值模型作为研究对象进行斜拉索损伤定位的研究，下面结合附图和具体的一个斜拉桥例子对本发明的技术方案进行详细说明：

1)有限元模型

图4为基于ANSYS软件建立的某单塔斜拉桥结构的有限元模型，全桥长350m，桥塔左右跨对称布置为175m+175m，共108根斜拉索。

2)测点布置

如图5，选择某斜拉桥的左半跨部分(即图5中方框部分)的27根斜拉索为研究对象。在该斜拉桥结构有限元模型中的每根斜拉索上增加两个节点，其中激励点离桥面的垂直距离为1.5m，测点离桥面的垂直距离为1m。在有限元模型中每根斜拉索的激励点输入侧向激励，分别基于无损结构和损伤结构的有限元模型获得相应状态下27个测点的侧向加速度。采样频率为50Hz，为了获得脉冲激励下包含整个衰减过程的完整振动响应，根据模拟结果取采样时间为20秒。同样，实际工程检测中只需要一个加速度传感器，将其依次安装在所有斜拉索上进行测试。

3)损伤工况：基于表1中的几种损伤工况对该斜拉桥结构中预设的损伤斜拉索进行定位；

表1斜拉索损伤工况

4)确定阈值δ：5%噪声水平下，基于无损状态下的加速度信号的多次识别得到平均归一化离散度波形差结果如图6所示(即无损工况的损伤定位结果)，从中可确定阈值δ为0.25。

5)单损伤工况的损伤定位结果

基于归一化离散度波形差法来识别损伤工况1～3，当噪声水平5%时，这三个单损伤工况的结果如图7～9所示；可知无论长索还是短索，当其刚度降低5%时，本发明均能成功识别其损伤。

6)多损伤工况的损伤定位结果

基于归一化离散度波形差法来识别损伤工况4～5，当噪声水平5%时，这两个多损伤工况的结果如图10～11，这些结果表明本发明可成功应用于斜拉索的损伤定位。

7)结论

以上单损伤、多损伤工况的损伤定位结果均表明即便斜拉索只有5%的损伤，本发明也可对损伤斜拉索进行准确定位；总之，所发明的斜拉索损伤定位方法可较好地用于斜拉索的损伤定位。

Claims (3)

1.斜拉索定期检测的损伤定位系统，其特征在于该系统由激励模块、数据采集模块、数据分析模块、安全评定和维修决策模块组成；

激励模块为将一个无线加速度传感器安装在某个斜拉索的测点上，检测时用力锤激励安装有无线加速度传感器斜拉索的测点并记录下脉冲激励幅值；无线传感器包含信号发送模块；

数据采集模块采集每个位于斜拉索测点的无线加速度传感器发送的加速度信号并存储在计算机中；

数据分析模块汇集所有斜拉索的加速度信号，采用基于提出的斜拉索损伤定位的离散度波形差法进行计算并给出损伤定位结果；

安全评定和维修决策模块显示是否有损伤斜拉索以及损伤斜拉索的编号，若无损伤斜拉索，则说明所有斜拉索都是安全的；若有损伤斜拉索，使用物理无损检测等局部检测方法对损伤的斜拉索进行检测，并给出可靠的损伤检测结果，根据斜拉索损伤的严重性做出维修或更换斜拉索的决策；

四个模块之间为先后顺序的关系：首先激励斜拉索；然后数据采集模块采集激励信号和加速度振动响应信号；再将所有这些采集到的信号传送到数据分析模块中由提出的斜拉索损伤定位的离散度波形差法模块进行计算；计算结果可显示是否有损伤斜拉索以及损伤斜拉索的编号；最后在安全评定和维修决策模块中再用物理检测方法对有损伤的斜拉索进行损伤程度评估并采取最终决策。

2.斜拉索定期检测的损伤定位方法，其特征在于如下步骤：

步骤一、测点和激励点布置：在待检测的每根斜拉索上布置一个固定的测点和一个固定的激励点；

步骤二、获得加速度响应：在每根斜拉索的激励点用力锤以与斜拉索索面垂直方向激励该斜拉索，同时力锤端部的力传感器记录下激励幅值，并传输到计算机的数据采集模块中；数据采集模块分别基于损伤前的结构和未知状态的结构获得所有测点上与激励方向相同方向的加速度；将不同脉冲激励幅值下得到的加速度信号对激励幅值进行归一化，得到单位激励幅值(1N)下的加速度响应；

步骤三、计算各测点加速度响应的离散度：斜拉索k上测点的加速度时间序列(信号a^k)的各散点为则斜拉索k上的加速度信号a^k的离散度DOD为

$\mathrm{DOD}\left(a^k\right)=\log \left\{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{\left(a_i^k\right)}^2-{\left(\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^k\right)}^2\left]\right\}---\left(1\right)$

其中log为常用对数，N为信号点数；损伤前后用于计算的加速度响应长度应该相同，选择完整的脉冲激励加速度响应进行计算；得到每个测点的离散度后，连接这些值便可得到离散度波形；

步骤四、计算离散度波形差：损伤前后斜拉索k上测点处信号的离散度差定义如下，

${\left(D_{\mathrm{\Δ}}^k\right)}_{\mathrm{rs}}={\left({\mathrm{DOD}}_{\mathrm{before}}^k\right)}_r-{\left({\mathrm{DOD}}_{\mathrm{after}}^k\right)}_s---\left(2\right)$

其中是损伤前斜拉索k上测点处的第r个响应信号的离散度值，是损伤后斜拉索k上测点处的第s个响应信号的离散度值；

步骤五、对所有测点处基于一对响应(损伤前和损伤后的响应信号称为一对)计算出的离散度差进行归一化，这样每次识别中最大的离散度差值变为1；归一化后的离散度差为

${\left(D_{\mathrm{\Δ}}^k\right)}_{\mathrm{rs}}^{*}={\left(D_{\mathrm{\Δ}}^k\right)}_{\mathrm{rs}}/\underset{k}{\max }\left[{\left(D_{\mathrm{\Δ}}^k\right)}_{\mathrm{rs}}\right]---\left(3\right)$

步骤六、数据分析模块中对多次激励采集到的多组振动加速度进行步骤一至步骤五的多次计算后，定义损伤指标为平均归一化离散度波形差；斜拉索k上测点的损伤指标值如下式：

${\left(\mathrm{DI}\right)}_k={\mathrm{\μ}}_k=\frac{1}{\mathrm{RS}}\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\underset{s=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}{\left(D_{\mathrm{\Δ}}^k\right)}_{\mathrm{rs}}^{*}---\left(4\right)$

根据经验，RS≥10；RS的值越大越好，实际使用中一般可取20；

步骤七、安全评定和维修决策模块：斜拉索测点处的平均归一化离散度差μ_k大于等于δ，将这个斜拉索判别为损伤斜拉索，即

损伤斜拉索={(DI)_k≥δ}   (5)

其中δ是为了避免误报结果的出现而引入的阈值；δ基于无损工况下振动响应数据的损伤定位结果确定，δ是一个比无损工况的归一化离散度差均值μ_k略大的值；

若有损伤斜拉索，使用物理无损检测等局部检测方法对损伤的斜拉索进行检测，并给出可靠的损伤检测结果，根据斜拉索损伤的严重性做出维修或更换斜拉索的决策。

3.斜拉索定期检测的损伤定位方法，其特征在于权利要求2的步骤三中式(1)定义的离散度DOD也可以通过以下三个式子(6)～(8)来定义：

$\mathrm{DOD}\left(a^k\right)=\log \left(\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(a_i^k-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^k)}^2}{N-1}}\right)---\left(6\right)$

$\mathrm{DOD}\left(a^k\right)=\log \left[\frac{1}{N-1}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(a_i^k-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^k)}^2\right]---\left(7\right)$

$\mathrm{DOD}\left(a^k\right)=\log \left[\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(a_i^k-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^k)}^2\right]---\left(8\right)$

根据这三个式子计算离散度，其他步骤与权力要求2相同，同样可以定位出损伤斜拉索。