CN109406075A - 一种利用单传感器信息的移动第一主成分的梁桥结构损伤定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用单传感器信息的移动第一主成分的梁桥结构损伤定位方法，包括下列步骤：S1、在梁桥上任一位置安装位移传感器；S2、测量车辆荷载在经过梁桥时的位移响应，从而得到梁桥的竖向位移响应；S3、定义位移响应的移动窗口，确定移动窗口长度L；S4、根据移动窗口内响应，用时间延迟方法重构矩阵，得到窗口移动到第i步的窗口化重构矩阵A_i；S5、对矩阵A_i进行主成分分析，得到第一主成分第一元素值u₁(i)；S6、通过移动时间窗口，重复步骤S5，得到u₁(i)的时间序列；S7、利用u₁(i)曲线定位损伤。该方法只需利用单个位移传感器所测响应，无需梁桥无损状况下的数据作对比，无需精确有限元模型便可准确定位梁桥结构损伤位置。

Description

一种利用单传感器信息的移动第一主成分的梁桥结构损伤定 位方法

技术领域

本发明涉及结构损伤检测技术领域，具体涉及一种利用单传感器信息的移动第一主成分的梁桥结构损伤定位方法。

背景技术

桥梁在其设计和施工过程中存在缺陷，以及在服役过程中不可避免的受到设计载荷、环境腐蚀、材料老化等问题，以及一些突发事件、台风、地震、撞击等荷载引起桥梁结构的损伤。桥梁结构损伤检测和在线安全监测成为当前国内外学术界和工程界的热点问题。目前普遍认同的结构损伤检测和安全监测方法是结合结构振动理论、系统识别、信号采集与分析等跨学科的结构振动整体分析法。而基于振动的桥梁结构损伤检测和安全监测法经过近30年的快速发展，当前遇到瓶颈，难以满足工程要求，主要表现在以下三个方面：

1)测点过多，耗资巨大

当前健康监测技术难以应用工程实际的另一个重要原因是测点繁多。安全监测中主要关注的各类相关数据，需要众多不同类型的传感器进行采集，某些桥梁安装的传感器数量多达上千个，如我国青马大桥，江苏东海大桥等。这样不仅使得耗资巨大，而且管理和养护困难重重，需要大量的专业技术人员。因此必须发展应用少量传感器的损伤检测和健康监测方法来解决这一问题。

2)监测海量数据难以处理。

真实的桥梁健康检测系统安装有几百甚至上千个传感器，数据量巨大。如何处理监测海量数据是当前遇到的一大难题。当前桥梁安全监测系统数据没有得到充分应用，甚至形成了“海量垃圾数据”的局面。

3)需要基准数据和量化标准

目前的大多数损伤检测方法依赖于结构未损状态下的数据，或结构精确有限元模型，或结构试验结果，而当前大部分结构不具备这三类信息。绝大多数基于振动的损伤检测方法是通过损伤前后振动指标的变化来判断结构的损伤位置和程度，而现有的结构绝大多数是没有这些基础数据的。因此发展不依赖基础数据的损伤识别方法是损伤检测方法走向成功的关键。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种利用单传感器信息的移动第一主成分的梁桥结构损伤定位方法无需结构精确有限元模型，无需无损状态下的信息，直接分析当前所测信息。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于单个输出的移动主成分分析的梁桥结构损伤定位方法，所述的损伤定位方法包括以下步骤：

S1、在梁桥上任一位置安装位移传感器，安装方向为垂直于桥面方向；

S2、测量车辆荷载匀速通过梁桥时的竖向位移响应，得到位移信号w(n),n＝1,2,…,N，N为信号采样点长度；

S3、定义一个移动时间窗口，截取所测得的信号，得到窗口内信号w_i(n),n＝1,2,…,L，L为移动窗口长度，移动窗口长度L由梁桥基频f₁和采样频率f_s决定，其中结构基频f₁由所测信号的傅里叶变换得到，则：

S4、对移动时间窗口内时间序列w_i(n)用时间延迟方法重构出矩阵A_i，

式中q为重构矩阵的列数，其取值为：

其中，f^*为带宽极限频率，即信号w(n)的频谱图中，大于f^*频域内不存在功率显著的频段；

S5、对式(2)中的矩阵A_i进行主成分分析，得到

PCA(A_i)＝[U_i,S_i,K_i] (4)

其中，U_i为主成分矩阵，S_i对应U_i的贡献率向量，K_i为对应U_i的特征值矩阵。取主成分矩阵U_i第1列第一个元素u₁(i)为损伤特征量指标。

S6、从所测信号的时间轴的n＝1时刻开始移动时间窗口，移动步长为采样时间间隔，即为1，则移动次数为N-L。每移动一次重复步骤S5，得到损伤指标时间序列u₁(i),i＝1,2,…,N-L。

S7、通过损伤特征量指标u₁曲线定位损伤。

该步骤具体过程如下：

S71、根据损伤特征量指标u₁的时间序列绘制损伤特征量指标u₁曲线；

S72、当移动时间窗口移动到车辆刚好经过梁桥损伤位置时，损伤特征量指标u₁曲线出现突变，通过损伤特征量指标u₁曲线的突变位置来确定车辆经过损伤位置的时刻。

S73、用车辆速度乘于车辆经过损伤位置的时刻，即把时间轴换算成空间位置轴，从而确定损伤位置。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于单个输出的移动主成分分析的梁桥结构损伤定位方法，无需结构精确有限元模型，无需无损状态下的信息，直接分析当前所测信息。所述方法的具体内容如下：

S1、在梁桥上任一位置安装位移传感器，安装方向为垂直于桥面方向；

S2、测量车辆荷载匀速通过梁桥时的竖向位移响应，得到位移信号w(n),n＝1,2,…,N，N为信号采样点长度。

S3、定义一个移动时间窗口，截取所测得的信号，得到窗口内信号w_i(n),n＝1,2,…,L，L为移动窗口长度，L以梁桥基频f₁和采样频率f_s决定，其中结构基频f₁由所测信号的傅里叶变换得到，则：

S4、对窗口内时间序列w_i(n)用时间延迟方法重构出矩阵A_i。

式中q为重构矩阵的列数，其取值为：

其中，f^*为带宽极限频率，即信号w(n)的频谱图中，大于f^*频域内不存在功率显著的频段

S5、对式(2)中的矩阵A_i进行主成分分析，得到

PCA(A_i)＝[U_i,S_i,K_i] (4)

其中U_i为主成分矩阵，S_i对应U_i的贡献率向量，K_i为对应U_i的特征值矩阵。取主成分矩阵U_i第1列第一个元素u₁为损伤特征量指标。

S6、从所测信号的时间轴的n＝1时刻开始移动时间窗口，移动步长为采样时间间隔，即为1，则移动次数为N-L。每移动一次重复步骤S5，得到损伤指标时间序列u₁(i),i＝1,2,…,N-L。

S7、通过损伤特征量指标u₁曲线定位损伤。

该步骤具体过程如下：

S71、根据损伤特征量指标u₁的时间序列u₁(i)绘制损伤特征量指标u₁曲线；

S72、当移动时间窗口移动到车辆刚好经过梁桥损伤位置时，损伤特征量指标u₁曲线出现突变，通过损伤特征量指标u₁曲线的突变位置来确定车辆经过损伤位置的时刻；

S73、用车辆速度乘于车辆经过损伤位置的时刻，即把时间轴换算成空间位置轴，从而确定损伤位置。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本发明无需无损状态下梁桥的位移响应和精确有限元模型为基准作对比，即可定位梁桥结构的损伤位置，解决了结构损伤检测需要无损数据和有限元模型为基准的难题。

2)本发明只需要单个位移传感器就可定位梁桥结构损伤，解决了结构损伤检测需要大量传感器的难题。

3)本发明提出的方法具有操作简易、计算量小、梁桥结构损伤定位效果明显，能够实时监测梁桥的健康状况的优点。

附图说明

图1是本发明中公开的利用单传感器信息的移动第一主成分的梁桥结构损伤检测方法流程图；

图2是实施例中梁桥模型简图；

图3是实施例中测得的位移信号及移动窗口示意图；

图4是实施例中所测位移信号的频谱图；

图5是实施例中梁桥损伤为10％，传感器1的u₁曲线图；

图6是实施例中梁桥损伤为30％，传感器1的u₁曲线图；

图7是实施例中梁桥损伤为10％，传感器2的u₁曲线图；

图8是实施例中梁桥损伤为30％，传感器2的u₁曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，图1为本发明中公开的利用单个位移传感器的重构移动第一主成分进行梁桥结构损伤定位的方法流程图。实施例中使用的钢桥模型示意图如图2。模型梁长l为20m，采样频率f_s为200，损伤位置在梁长0.4l处，车辆移动速度为0.2m/s。为了说明本方法的有效性，在梁桥的1/2处和7/8处分别安装了位移传感器1和2。具体实施过程如下：

S1、在梁桥上任一位置安装位移传感器，安装方向为垂直于桥面方向。为了说明本方法传感器安装在不同位置的有效性，在梁桥1/2处和7/8处分别安装了移传感器1和2，如图2所示。

S2、测量车辆荷载匀速通过梁桥时的竖向位移响应，得到位移信号w(n),n＝1,2,…,N，N为信号采样点长度，如图3所示。本实施例中，N为20000。

S3、定义一个移动时间窗口，截取所测得的信号。移动窗口长度L以梁桥基频f₁和采样频率f_s决定，则：

其中基频f₁可由所测得的信号的傅里叶变换后的频谱图获得，如图4所示，确定梁桥基频f₁为1.141Hz。由式(1)计算移动窗口长度为350。

S4、对窗口内时间序列w_i(n)用时间延迟方法重构出矩阵A_i。

式中q为重构矩阵的列数，其取值为：

其中，f^*为带宽极限频率，即信号w(n)的频谱图中，大于f^*频域内不存在功率显著的频段。如图4所示，带宽极限频率f^*为7.98Hz，再根据采样频率f_s，计算得到矩阵列数为q＝200/7.98＝25.06,取整为25。

S5、对式(2)中的矩阵A_i进行主成分分析，得到

PCA(A_i)＝[U_i,S_i,K_i] (4)

其中U_i为主成分矩阵，S_i对应U_i的贡献率向量，K_i为对应U_i的特征值矩阵，取主成分矩阵U_i第1列第一个元素u₁(i)为损伤特征量指标。

S6、如图3所示，从所测信号的时间轴的年n＝1时刻开始移动时间窗口，移动步长为信号采样时间间隔，即为1，因此移动次数为20000-350＝19650。每移动一次重复步骤S5，得到第一主成分矩阵第一个元素，即U_i第一列第一个元素的时间序列u₁(i),i＝1,2,…,19650。

S7、通过损伤特征量指标u₁曲线定位损伤。

该步骤具体过程如下：

S71、根据损伤特征量指标u₁的时间序列绘制损伤特征量指标曲线，如图5-图8所示。图5为梁桥损伤10％(截面损失率)传感器1的结果，图6为梁桥损伤30％传感器1的结果，图7为梁桥损伤10％(截面损失率)传感器2的结果，图8为梁桥损伤30％传感器2的结果。

S72、当移动时间窗口移动到车辆刚好经过梁桥损伤位置时，损伤特征量指标u₁曲线出现突变，通过损伤特征量指标u₁曲线的突变位置来确定车辆经过损伤位置的时刻。

S73、用车辆速度乘于车辆经过损伤位置的时刻，即把时间轴换算成空间位置轴，从而确定损伤位置，从图5-8可判断，当车辆移动到相对位置为0.4时，u₁曲线出现明显突变，即可判断梁桥的损伤位置为0.4位置。

并且，从图5-图8可判断，损伤程度越大，突变越大。结果还说明，传感器安装在不同位置，本方法同样有效。

综上所述，利用单个传感器的移动主成分分析方法已有研究，但是已有方法中采用的是加速度传感器，且损伤特征量采用移动特征值，而仅采用移动特征值作为指标对损伤不够灵敏。本发明提出基于当前单个输出的移动主成分分析的数据驱动方法进行梁桥结构损伤定位，无需完好状态下所测数据，无需结构精确有限元模型，直接分析当前所测信息。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用单传感器信息的移动第一主成分的梁桥结构损伤定位方法，其特征在于，所述的损伤定位方法包括以下步骤：

S1、在梁桥上任一位置安装位移传感器，安装方向为垂直于桥面方向；

S2、测量车辆荷载匀速通过梁桥时的竖向位移响应，得到位移信号w(n),n＝1,2,…,N，N为信号采样点长度；

S3、定义一个移动时间窗口，截取所测得的信号，得到移动时间窗口内信号w_i(n),n＝1,2,…,L，L为移动窗口长度；

S4、对移动时间窗口内时间序列w_i(n)用时间延迟方法重构出矩阵A_i，

式中q为重构矩阵的列数，其取值为：

其中，f^*为带宽极限频率，即信号w(n)的频谱图中，大于f^*频域内不存在功率显著的频段；

S5、对矩阵A_i进行主成分分析，得到

PCA(A_i)＝[U_i,S_i,K_i]

其中，U_i为主成分矩阵，S_i对应U_i的贡献率向量，K_i为对应U_i的特征值矩阵，取主成分矩阵U_i第1列第一个元素u₁(i)为损伤特征量指标；

S6、从所测信号的时间轴的n＝1时刻开始移动时间窗口，移动步长为采样时间间隔，即为1，则移动次数为N-L，每移动一次重复步骤S5，得到损伤指标时间序列u₁(i),i＝1,2,…,N-L；

S7、通过损伤特征量指标u₁曲线定位损伤。

2.根据权利要求1所述的一种利用单传感器信息的移动第一主成分的梁桥结构损伤定位方法，其特征在于，所述的移动窗口长度L由梁桥基频f₁和采样频率f_s决定，其中结构基频f₁由所测信号的傅里叶变换得到，则：

3.根据权利要求1所述的一种利用单传感器信息的移动第一主成分的梁桥结构损伤定位方法，其特征在于，所述的步骤S7过程如下：

S71、根据损伤特征量指标u₁的时间序列绘制损伤特征量指标u₁曲线；

S72、当移动时间窗口移动到车辆刚好经过梁桥损伤位置时，损伤特征量指标u₁曲线出现突变，通过损伤特征量指标u₁曲线的突变位置来确定车辆经过损伤位置的时刻；

S73、用车辆速度乘于车辆经过损伤位置的时刻，即把时间轴换算成空间位置轴，从而确定损伤位置。