CN109406076A - 一种利用位移传感器列阵输出的移动主成分进行梁桥结构损伤定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用位移传感器列阵输出的移动主成分进行梁桥结构损伤定位的方法，步骤如下：S1、在梁桥上等间距布置位移传感器列阵；S2、测量车辆荷载在经过梁桥时的位移响应，得到梁桥的竖向位移响应；S3、定义位移响应的移动时间窗口，确定窗口长度L；S4、根据各测点位移响应，得到窗口移动到第i步的窗口化矩阵B_i；S5、对矩阵B_i进行主成分分析，得到特征值对角阵K(i)；S6、通过移动时间窗口，得到移动主成分特征值矩阵K(i)的第一特征值的时间序列k₁(i)；S7、将k₁(i)进行一阶中间差分处理，得第一特征值曲率的时间序列E₁(i)；S8、利用E₁(i)曲线定位损伤。该方法利用位移传感器列阵所测响应，无需梁桥无损状况下数据作对比，便可准确定位梁桥结构损伤位置。

Description

一种利用位移传感器列阵输出的移动主成分进行梁桥结构损 伤定位的方法

技术领域

本发明涉及结构损伤检测技术领域，具体涉及一种利用位移传感器列阵输出的移动主成分进行梁桥结构损伤定位的方法。

背景技术

桥梁是城市生命线工程的重要组成部分，我国桥梁安全状况不容乐观，事故频发。为避免桥梁事故的发生，确保其运行安全，桥梁损伤检测显得尤为重要，已成为当前学术界和工程界研究的热点和重点。

在传统的桥梁养护管理中，基于人工检测的结构状态评估扮演了重要角色，然而人工检测工作量大、主观性强，难以实现对结构性能的长期定量跟踪。近年来，结构安全监测技术在大跨桥梁的养护管理中得到广泛应用。桥梁结构安全监测通过在结构上安装传感器，以实时获取桥址环境和结构响应的信息，并基于这些信息对桥梁的技术状态做出实时、自动的评估甚至安全预警。我国当前至少有240多座大跨度桥梁安装了结构安全监测系统经过长期的观测，这些监测系统积累了大量的数据，基于这些数据有效解读结构的状态、识别可能的损伤，成为目前结构安全监测研究的关键问题。

结构损伤检测目前可分为两类：有模型方法和无模型方法。基于模型的方法本质上是桥梁结构有限元建模、模型修正、系统参数反演的过程，对理论模型的精度和监测数据的质量有很高的要求，目前在实际工程中应用难以实现，特别是复杂桥梁，建模困难重重。数据驱动的方法关注监测所得到的输入和输出数据相关关系的变化规律，来识别结构损伤及安全状态，数据驱动方法在结构安全监测中得到广泛应用。但多数数据驱动方法还是需要借助结构未损伤状态下所测得数据作为基准，因此在实际工程应用中同样遇到难题，原因是安全监测系统安装之前已经运行很长一段时间，之前健康状态下的数据难以获得。因此急需无需健康状态数据为基准的数据驱动方法来解决这一难题。

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，提供一种利用位移传感器列阵输出的移动主成分进行梁桥结构损伤定位的方法，无需完好状态下所测数据，直接分析当前所测信息。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于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、在梁桥上等间距布置位移传感器阵列，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，得到编号为m的位移传感器的位移信号w_m(n),n＝1,2,…,N；m＝1,2,…,M，N为信号采样点长度,M为测点个数；

S3、定义一个移动时间窗口，截取所测得的信号，移动时间窗口长度L以梁桥基频f₁和采样频率_f决定，其中结构基频f₁由所测信号的傅里叶变换得到，则：

S4、根据各测点响应，可得移动时间窗口内的矩阵B_i：

S5、对式(2)中的矩阵B_i进行主成分分析(PCA)，得到

PCA(B_i)＝[U_i,S_i,K_i] (3)

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，K_i为M×M的对角矩阵，特征值按从大到小排列；

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，因此移动次数为N-L，得到特征值矩阵K_i的第一特征值，即第一个元素的时间序列k₁(i),i＝1,2,…,N-L；

S7、将时间序列k₁(i)进行一阶中间差分，得到时间序列k₁(i)的曲率时间序列，即第一特征值曲率时间序列E₁(i)为：

S8、通过损伤特征量指标E₁曲线定位损伤。

该步骤具体过程如下：

S81、根据第一特征值曲率时间序列E₁(i)绘制损伤特征量指标E₁曲线；

S82、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E₁曲线出现突变，通过损伤特征量指标E₁曲线的突变位置来确定车辆经过损伤位置的时刻；

S83、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)本发明无需健康状态下梁桥的位移响应为基准作对比，属于数据驱动方法，且无需结构有限元模型，即可定位梁桥结构的损伤位置，解决了结构损伤检测的一大难题。

2)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，能够实时监测结构的损伤状况的优点。

附图说明

图1是本发明中公开的利用多传感器进行梁桥结构损伤定位的方法流程图；

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分别为10％的E1曲线图；

图6是实施例中梁桥损伤分别为30％的E1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多传感器进行梁桥结构损伤定位的方法流程图。实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为200，损伤位置在梁长4/10处，车辆移动速度为0.2m/s，具体实施过程如下：

S1、将梁桥的梁长等分为8等份，等间距布置7个位移传感器列阵，安装方向为垂直于桥面方向，如图2所示。

S2、如图3所示，测量车辆荷载匀速通过梁桥时的竖向位移响应，得到编号为m的位移传感器的位移信号w_m(n),n＝1,2,…,N；m＝1,2,…,M，N为信号采样点长度，M为测点个数，本实施例中，M为7，N为20000，所测得的响应如图3所示。

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决定，其中结构基频f₁由所测信号的傅里叶变换得到，则：

其中梁桥基频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701。

S4、根据各个测点的位移信号，得到窗口化数据矩阵B_i：

S5、对式(2)中的矩阵B_i进行主成分分析(PCA)，得到

PCA(B_i)＝[U_i,S_i,K_i] (3)

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，为7×7的对角矩阵，特征值按从大到小排列。

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20000-701＝19299，得到特征值矩阵K_i的第一特征值，即第一个元素的时间序列k₁(i),i＝1,2,…,19299。

S7、将时间序列k₁(i)进行一阶中间差分，得到时间序列k₁(i)的曲率时间序列，即第一特征值曲率时间序列E₁(i)为：

S8、通过损伤特征量指标E₁曲线定位损伤。

该步骤具体过程如下：

S81、根据损伤特征量指标E₁的时间序列绘制损伤特征量指标E₁曲线，如图5和图6所示。图5为梁桥损伤10％(截面损失率)的结果，图6为梁桥损伤30％的结果。

S82、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E₁曲线出现突变，通过损伤特征量指标E₁曲线的突变位置来确定车辆经过损伤位置的时刻。

S83、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和图6可判断，当车辆移动到相对位置为0.4时，E₁曲线出现明显突变，即可判断梁桥的损伤位置为0.4位置。

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)

1.一种利用位移传感器列阵输出的移动主成分进行梁桥结构损伤定位的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

S1、在梁桥上等间距布置位移传感器阵列，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，得到编号为m的位移传感器的位移信号w_m(n),n＝1,2,…,N；m＝1,2,…,M，N为信号采样点长度,M为测点个数；

S3、定义一个移动时间窗口，截取所测得的信号，得到移动时间窗口长度L；

S4、根据各测点响应，得到移动时间窗口内的矩阵B_i：

S5、对矩阵B_i进行主成分分析，得到

PCA(B_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，K_i为M×M的对角矩阵，特征值按从大到小排列；

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，因此移动次数为N-L，得到特征值矩阵K_i的第一特征值，即第一个元素的时间序列k₁(i),i＝1,2,…,N-L；

S7、将时间序列k₁(i)进行一阶中间差分，得到时间序列k₁(i)的曲率时间序列，即第一特征值曲率时间序列E₁(i)为：

S8、通过损伤特征量指标E₁曲线定位损伤。

2.根据权利要求1所述的一种利用位移传感器列阵输出的移动主成分进行梁桥结构损伤定位的方法，其特征在于，所述的移动时间窗口长度L由梁桥基频f₁和采样频率f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所述的一种利用位移传感器列阵输出的移动主成分进行梁桥结构损伤定位的方法，其特征在于，所述的步骤S8过程如下：

S81、根据第一特征值曲率时间序列E₁(i)绘制损伤特征量指标E₁曲线；

S82、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E₁曲线出现突变，通过损伤特征量指标E₁曲线的突变位置来确定车辆经过损伤位置的时刻；

S83、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。