CN110186630B - 一种基于分布式光纤监测和主梁全长应变分布的桥梁状态检测与评估方法 - Google Patents

一种基于分布式光纤监测和主梁全长应变分布的桥梁状态检测与评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于分布式光纤监测和主梁全长应变分布的桥梁状态检测与评估方法，属于结构健康监测技术领域。所述方法包括将分布式传感光纤沿顺桥向布设在桥梁主梁上，分布式传感光纤覆盖主梁全长，对桥梁进行车辆荷载试验，使用长距离高空间分辨率分布式光纤解调仪测量主梁全长的应变分布；通过对比主梁全长范围内各位置的实测应变值与设计容许应变值，检测覆盖桥梁全长的结构应变异常位置；通过对比桥梁实测应变分布模式与设计应变分布模式的匹配程度，检测桥梁结构体系的应变分布模式异常；综合应变响应值和分布模式对桥梁状态进行安全评估。本发明提出的方法解决了桥梁检测与评估存在安全隐患的问题并且有效提升了桥梁安全检测水平。

Description

一种基于分布式光纤监测和主梁全长应变分布的桥梁状态检 测与评估方法
技术领域
本发明涉及一种基于分布式光纤监测和主梁全长应变分布的桥梁状态检测与评估方法，属于结构健康监测技术领域。
背景技术
桥梁状态检测是保障桥梁安全服役的重要措施，大型桥梁为了及时了解桥梁结构健康状态，确保可以继续安全服役，会定期进行桥梁状态检测。通过桥梁状态检测，可以及早发现桥梁结构的早期损伤，及时进行维修和加固，以避免重大安全隐患。大型桥梁状态检测通常采用车辆荷载试验方法，其中主梁的应变变化量是重要的检测项目之一。通过在桥面上施加特定的车辆荷载，测量主梁各位置的应变变化，将主梁实测的应变变化值与设计容许值进行比较，依此判断主梁结构的安全状态。但是，目前在桥梁荷载试验中，主梁的应变测量一般采用离散的点式应变传感器，例如光纤光栅应变传感器、电阻应变片式应变传感器和振弦式应变传感器等。此类单点式应变测量方法存在测量位置偏少的严重缺陷，在大型桥梁千米量级的长度范围内往往只有十几个应变测量点，其它位置的应变信息均无法获得，导致存在大量应变盲区。应变盲区的存在会增加桥梁检测的安全风险，在传感器未覆盖的区域，主梁的异常应变响应可能被遗漏，增加了桥梁结构的安全隐患。另外，少量离散位置的应变信息无法准确反映出大型桥梁主梁全长的应变分布模式，因此，现有的桥梁结构状态评估方法均无法考虑实际桥梁的应变分布模式信息。但是，主梁是桥梁结构体系的核心组成部分，主梁承受车辆荷载，并通过索、缆等构件将荷载传递给桥塔和基础。因此，主梁的应变分布模式可以反映出整个桥梁结构体系的力学行为模式，是体现桥梁结构服役状态的重要信息。这部分关键信息的无法获取和不予考虑，制约了现有桥梁状态评估方法的全面性，因此，亟需发展基于主梁全长应变分布信息的，并且考虑应变分布模式的桥梁状态检测与评估方法，提升桥梁安全检测水平，保障桥梁结构的安全服役。
发明内容
为了解决现有大型桥梁结构状态检测与安全评估中，主梁应变测点偏少，应变分布模式无法获取，导致结构检测与评估存在安全隐患的问题，本发明提出了一种基于分布式光纤监测和主梁全长应变分布的桥梁状态检测与评估方法。所采取的技术方案如下：
一种基于分布式光纤监测和主梁全长应变分布的桥梁状态检测与评估方法，所述桥梁状态检测与评估方法的步骤包括：
步骤一、将分布式传感光纤沿顺桥向布设在桥梁主梁上，分布式传感光纤覆盖主梁全长，对桥梁进行车辆荷载试验，使用长距离高空间分辨率分布式光纤解调仪对分布式光纤进行解调，获得主梁全长的实测应变分布，同时，使用桥梁设计有限元模型，获得对应的主梁全长的设计容许应变分布；
步骤二、采用分离提取算法对主梁全长的应变分布进行分离提取，获得主梁整体应变分布和主梁局部应变分布；
步骤三、针对步骤二获得的主梁整体应变分布，采用分布模式匹配算法对比主梁全长的实测整体应变分布与设计容许应变分布的分布模式相似程度，并计算应变分布模式匹配系数，根据应变分布模式匹配系数检测桥梁结构体系的应变分布模式异常区域；
步骤四、针对步骤二获得的主梁整体应变分布，采用整体应变幅值比对算法对比主梁全长的实测整体应变分布与设计容许应变分布的整体应变值安全系数，根据整体应变值安全系数检测主梁全长的整体应变值异常区域；
步骤五、针对步骤二获得的主梁局部应变分布，采用幅值比对算法对比主梁全长的实测局部应变分布与设计局部应变容许值的局部应变值安全系数，根据局部应变值安全系数检测主梁全长的局部应变值异常区域。
步骤六、综合主梁的整体和局部应变值安全系数和应变分布模式匹配系数形成桥梁状态风险系数，进行桥梁状态的安全评估。
进一步地，步骤二所述分离提取方法，其具体过程包括：
第一步、设分布式光纤在主梁上的位置向量为x，各位置的应变测量结果向量为sfiber，二者表达式分别为：
x＝(x1 x2...xN) (1)
sfiber＝(sf1 sf2...sfN) (2)
其中，xi代表传感光纤第i测点(i＝1,2,…,N)对应的桥主梁位置，sfi代表在xi位置(i＝1,2,…,N)的主梁应变变化的测量值，分布式光纤的总测点数量为N；
第二步、设分布特征提取窗口长度为wa，wa为正整数，并满足条件：
wa≥w/Δx (3)
其中，w和Δx为分别为分布式光纤解调仪的空间分辨率和采样间隔；
第三步、以wa为窗口长度，Δx为移动步长，对各测点对应的应变测量结果向量sfiber进行滑动平均，将sfiber分离为主梁整体应变分布rfiber和主梁局部应变分布lfiber，表达式分别为：
rfiber＝(rf1 rf2...rfN) (4)
lfiber＝(lf1 lf2...lfN) (5)
lfi＝sfi-rfi,i＝1,2,...,N(6)
Figure BDA0002056048400000031
其中
Figure BDA0002056048400000032
Figure BDA0002056048400000033
其中，rfi代表传感光纤在
Figure BDA0002056048400000034
至
Figure BDA0002056048400000035
区域的主梁应变平均值，rfiber反映了主梁的整体应变分布特征；lfi代表了传感光纤在xi位置的分布式光纤应变测量值与
Figure BDA0002056048400000036
至
Figure BDA0002056048400000037
区域的应变平均值的差值，lfiber代表主梁的局部应变分布。
进一步地，步骤三所述的分布模式匹配算法，其具体过程包括：
第一步、使用桥梁设计有限元模型，获得对应的主梁全长的设计容许应变分布sdesign，表达式为：
sdesign＝(sd1 sd2...sdN) (10)
其中，sdi代表在xi位置(i＝1,2,…,N)的设计容许应变值；
第二步、将主梁设计容许应变分布sdesign设定为参考向量，将实测主梁整体应变分布rfiber设定为评估向量，并标记参考向量为sref，评估向量为sass，表达式分别为：
Figure BDA0002056048400000038
Figure BDA0002056048400000039
其中，ri ref和ri ass分别代表在主梁xi位置(i＝1,2,…,N)参考状态和评估状态的整体应变分布值；
第三步、去除rref和rass的整体起伏，得到应变变化量Δrref和Δrass：
Figure BDA0002056048400000041
Figure BDA0002056048400000042
保持Δrref不变，将Δrass乘以比例系数k，并计算二者之间差异量的总和：
Figure BDA0002056048400000043
其中，k为实数，df(Δrref,kΔrass)为差异函数，寻找系数k＝k0，使得差异函数最小：
df(Δrref,k0Δrass)＝dfmin(Δrref,kΔrass) (16)
第四步、将Δrref和k0Δrass进行同步归一化，获得参考状态的主梁应变分布模式向量和评估状态的主梁应变分布模式向量：
Figure BDA0002056048400000044
Figure BDA0002056048400000045
其中，maxi＝1,...,N{|Δri ref|,|kΔri ass|}代表Δrref和k0Δrass的绝对值最大值；rref,norm定义为参考状态的主梁应变分布模式向量，ri ref,norm的取值范围为[-1,1]，代表主梁在xi位置(i＝1,2,…,N)的参考状态的应变分布模式参数；rass,norm定义为评估状态的主梁应变分布模式向量，ri ass,norm的取值范围为[-1,1]，代表结构在xi位置(i＝1,2,…,N)的评估状态的应变分布模式参数；计算参考状态和评估状态在主梁xi位置的应变分布模式匹配系数为：
Figure BDA0002056048400000046
Figure BDA0002056048400000047
取值为[0,1]，
Figure BDA0002056048400000048
的值越接近1，代表两者应变分布模式匹配程度越高，主梁的力学行为模式越相近。
第五步、计算主梁全长各位置的区域应变分布模式匹配系数分布pr：
Figure BDA0002056048400000051
Figure BDA0002056048400000052
代表在主梁xi位置(i＝1,2,…,N)应变分布模式匹配系数，并设定区域应变分布模式匹配容许值p0，当
Figure BDA0002056048400000053
时，代表桥梁实际应变分布模式与设计吻合，结构体系状态正常；当
Figure BDA0002056048400000054
时，代表桥梁实际应变分布模式与设计不符，说明该区域结构体系力学行为异常，并标记xi为主梁状态异常位置；提取主梁所有区域应变分布模式匹配系数异常位置组成集合xp：
Figure BDA0002056048400000055
其中，xp代表主梁应变分布模式异常位置的检测结果。
进一步地，步骤四所述的整体应变幅值比对算法，其具体过程包括：
第一步、以主梁设计容许应变分布sdesign为判定依据，将主梁全长区域划分为应变响应敏感区xb和应变响应不敏感区xs：
xb＝{xi||sdi|＞ε0,i＝1,2,...,N} (22)
xs＝{xi||sdi|≤ε0,i＝1,2,...,N} (23)
其中，ε0为应变阈值，主梁设计应变响应绝对值大于ε0的区域判定为应变响应敏感区，反之为应变响应不敏感区；
第二步、计算应变响应敏感区xb定义整体应变值安全系数
Figure BDA0002056048400000056
Figure BDA0002056048400000057
其中，
Figure BDA0002056048400000058
代表在主梁应变响应敏感区域xi位置(i＝1,2,…,N)的实际整体应变响应值和设计容许应变响应值的比值；当
Figure BDA0002056048400000059
时，代表主梁实际整体应变值小于设计容许值，且二者应变属性相同(同为正应变或同为负应变)，主梁整体应变响应值正常；当
Figure BDA00020560484000000510
时，代表主梁实际应变值大于设计容许值，主梁整体应变响应值异常，并标记xi为主梁整体应变值异常位置；当
Figure BDA00020560484000000511
时，代表主梁实际应变值与设计应变值的应变属性相反，主梁整体应变响应值异常，标记xi为主梁状态异常位置；
第三步、计算应变响应不敏感区xs，定义整体应变值安全系数
Figure BDA0002056048400000061
Figure BDA0002056048400000062
其中，
Figure BDA0002056048400000063
代表在主梁应变响应不敏感区域xi位置实际应变值和设计应变值的差异量绝对值与应变阈值ε0的比值；当
Figure BDA0002056048400000064
时，代表应变值波动小于容许值，结构区域应变响应值正常；当
Figure BDA0002056048400000065
时，代表应变值波动大于设计容许值，结构区域应变响应值异常，并标记xi为主梁状态异常位置；
第四步、沿主梁全长根据各位置属于应变响应敏感或不敏感区域，分别计算
Figure BDA0002056048400000066
或
Figure BDA0002056048400000067
并提取主梁所有整体应变值安全系数异常位置组成集合xr：
Figure BDA0002056048400000068
其中，xr代表了主梁整体应变分布值异常位置的检测结果。
进一步地，步骤五所述主梁局部应变幅值比对算法，其具体过程为：
基于主梁局部应变分布信息lfiber，定义局部应变响应值安全系数kl i：
Figure BDA0002056048400000069
其中，lf0为局部应变容许值，当
Figure BDA00020560484000000610
时，代表在主梁xi位置局部应变波动在容许范围之内，局部应变状态正常；当
Figure BDA00020560484000000611
时，代表局部应变变化超出容许范围，局部应变状态异常，可能存在局部损伤，并标记xi位置为局部应变状态异常点；提取主梁所有局部应变值异常位置组成集合xl：
Figure BDA00020560484000000612
其中，xl代表了主梁局部应变值异常位置的检测结果。
进一步地，步骤六所述安全评估的过程包括：
定义桥梁状态风险系数
Figure BDA00020560484000000613
Figure BDA00020560484000000614
其中
Figure BDA0002056048400000071
Figure BDA0002056048400000072
αi为风险权重系数，代表主梁xi位置(i＝1,2,…,N)设计应变响应值占全长最大应变响应值的比例，取值在(0,1]区间；由于桥梁在高应变响应区域发生状态异常对桥梁结构的安全威胁更大，因此αi值越大，代表xi位置的风险权重越高，即桥梁设计应变响应值大的位置风险权重高；
Figure BDA0002056048400000073
代表主梁整体应变值安全系数，对于应变敏感区域
Figure BDA0002056048400000074
对于应变不敏感区域
Figure BDA0002056048400000075
当
Figure BDA0002056048400000076
时，代表主梁实际应变值超出设计容许值，
Figure BDA0002056048400000077
取值越大，对桥梁结构状态安全的威胁越大，当
Figure BDA0002056048400000078
时，代表主梁实际应变响应与设计应变响应的应变属性相反，
Figure BDA0002056048400000079
的绝对值越大，对桥梁结构状态安全的威胁越大；
Figure BDA00020560484000000710
代表主梁应变分布模式匹配系数的倒数，
Figure BDA00020560484000000711
取值在(0,1]区间，
Figure BDA00020560484000000712
值越小，代表主梁实际应变分布模式与设计差异越大，相应的
Figure BDA00020560484000000713
值越大，对桥梁结构的安全威胁越大；
Figure BDA00020560484000000714
代表主梁局部应变值安全系数，当
Figure BDA00020560484000000715
时，代表主梁局部应变异常，会增加桥梁结构的安全风险，当
Figure BDA00020560484000000716
时，局部应变状态正常，不会增加增加桥梁结构的安全风险，
Figure BDA00020560484000000717
取值为1；
Figure BDA00020560484000000718
为一个无量纲的实数，代表了主梁在xi位置(i＝1,2,…,N)状态异常对桥梁结构安全的威胁程度，当
Figure BDA00020560484000000719
时，
Figure BDA00020560484000000720
值越大代表主梁xi位置的桥梁状态风险越大；当
Figure BDA00020560484000000721
时，则直接判定xi位置风险超标。
本发明有益效果：
本发明提出的一种基于分布式光纤监测和主梁全长应变分布的桥梁状态检测与评估方法解决现有大型桥梁结构状态检测与安全评估中，主梁应变测点偏少，应变分布模式无法获取，导致桥梁检测与评估存在安全隐患的问题。通过分布式光纤传感技术获取覆盖主梁全长的应变分布信息，并从中提取主梁整体与局部应变特征，分别用于检测桥梁结构体系异常和主梁局部损伤，避免了应变盲区，同时降低了桥梁结构的安全隐患。另外，将主梁全长的应变分布模式考虑到桥梁结构状态检测和安全评估中，丰富了桥梁状态评估方法的全面性，提升了桥梁安全检测水平。
附图说明
图1为本发明所述的分布式光纤在某悬索桥主梁上的布设位置与车辆荷载试验工况示意图，其中，(a)为顺桥向整体示意图，(b)为横截面局部放大图；
图2为本发明所述的分布式光纤实测主梁全长应变分布与设计容许应变分布比较；
图3为本发明所述的基于全桥应变分布的桥梁异常状态检测结果；
图4为本发明所述的基于全桥应变分布的桥梁安全状态评估结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
结合图1，图2，图3和图4说明本实施例，图1为所述的分布式光纤在某悬索桥主梁上的布设位置与车辆荷载试验工况示意图，如图1所示，对某大型悬索桥使用本发明所述的方法进行结构安全检测。首先，在钢箱梁内部底板上布设两条分布式传感光缆，一条是分布式应变传感光缆(DFOS1)，另一条是分布式温度传感光缆(DFOS2)。两条分布式传感光缆位于钢箱梁截面的对称轴中心区域，穿过底板加劲肋与横隔板之间的空隙沿顺桥向布设，并覆盖主梁全长。以在主梁左侧边跨跨中位置施加车辆荷载(Case1)为例，使用分布式传感光纤测量主梁全长应变分布。其中，分布式应变传感光缆用于测量包含了温度效应和外部荷载引起的钢箱梁全长应变分布，应变传感光缆需要使用胶黏剂黏贴到钢箱梁底板上，使用布里渊分布式光纤传感系统进行解调；分布式温度传感光缆用于测量钢箱梁全长的温度分布，温度传感光纤处于自由状态，使用拉曼分布式光纤传感系统进行解调。基于两种光纤测量结果得到消除温度效应的仅有车辆荷载作用引起的主梁全长应变分布如图2所示。分布式光纤(DFOS1)的测量结果与点式应变传感器(Strain sensor)的测量结果相近，说明分布式光纤应变测量的准确性。但是，分布式光纤的应变测量结果在空间覆盖能力上远远优于点式应变传感器的测量结果，主梁全长的应变分布信息均可获得，有效避免了应变检测的盲区。通过桥梁的有限元设计模型(FEM)，得到对应车辆荷载工况(Case1)的主梁设计容许应变分布，如图2所示。
所述桥梁状态检测与评估方法的步骤包括：
步骤一、将分布式传感光纤沿顺桥向布设在桥梁主梁上，分布式传感光纤覆盖主梁全长，对桥梁进行车辆荷载试验，使用长距离高空间分辨率分布式光纤解调仪对分布式光纤进行解调，获得主梁全长的实测应变分布，同时，使用桥梁设计有限元模型，获得对应的主梁全长的设计容许应变分布；
步骤二、采用分离提取算法对主梁全长的应变分布进行分离提取，获得主梁整体应变分布和主梁局部应变分布；
步骤三、针对步骤二获得的主梁整体应变分布，采用分布模式匹配算法对比主梁全长的实测整体应变分布与设计容许应变分布的分布模式相似程度，并计算应变分布模式匹配系数，根据应变分布模式匹配系数检测桥梁结构体系的应变分布模式异常区域；
步骤四、针对步骤二获得的主梁整体应变分布，采用整体应变幅值比对算法对比主梁全长的实测整体应变分布与设计容许应变分布的整体应变值安全系数，根据整体应变值安全系数检测主梁全长的整体应变值异常区域；
步骤五、针对步骤二获得的主梁局部应变分布，采用幅值比对算法对比主梁全长的实测局部应变分布与设计局部应变容许值的局部应变值安全系数，根据局部应变值安全系数检测主梁全长的局部应变值异常区域。；
步骤六、综合主梁的整体和局部应变值安全系数和应变分布模式匹配系数形成桥梁状态风险系数，进行桥梁状态的安全评估。
其中，步骤二所述分离提取方法，其具体过程包括：
第一步、设分布式光纤在主梁上的位置向量为x，各位置的应变测量结果向量为sfib er，二者表达式分别为：
x＝(x1 x2...xN) (1)
sfiber＝(sf 1sf2...sfN) (2)
其中，xi代表传感光纤第i测点(i＝1,2,…,N)对应的桥主梁位置，sfi代表在xi位置(i＝1,2,…,N)的主梁应变变化的测量值，分布式光纤的总测点数量为N；
第二步、设分布特征提取窗口长度为wa，wa为正整数，并满足条件：
wa≥w/Δx (3)
其中，w和Δx为分别为分布式光纤解调仪的空间分辨率和采样间隔；
第三步、以wa为窗口长度，Δx为移动步长，对各测点对应的应变测量结果向量sfiber进行滑动平均，将sfiber分离为主梁整体应变分布rfiber和主梁局部应变分布lfiber，表达式分别为：
rfiber＝(rf1 rf2...rfN) (4)
lfiber＝(lf1 lf2...lfN) (5)
lfi＝sfi-rfi,i＝1,2,...,N (6)
Figure BDA0002056048400000101
其中
Figure BDA0002056048400000102
Figure BDA0002056048400000103
其中，rfi代表传感光纤在
Figure BDA0002056048400000104
至
Figure BDA0002056048400000105
区域的主梁应变平均值，rfiber反映了主梁的整体应变分布特征；lfi代表了传感光纤在xi位置的分布式光纤应变测量值与
Figure BDA0002056048400000106
至
Figure BDA0002056048400000107
区域的应变平均值的差值，lfiber代表主梁的局部应变分布。
步骤三所述的分布模式匹配算法，其具体过程包括：
第一步、使用桥梁设计有限元模型，获得对应的主梁全长的设计容许应变分布sdesign，表达式为：
sdesign＝(sd1 sd2...sdN) (10)
其中，sdi代表在xi位置(i＝1,2,…,N)的设计容许应变值；
第二步、将主梁设计容许应变分布sdesign设定为参考向量，将实测主梁整体应变分布rfiber设定为评估向量，并标记参考向量为sref，评估向量为sass，表达式分别为：
Figure BDA0002056048400000108
Figure BDA0002056048400000109
其中，ri ref和ri ass分别代表在主梁xi位置(i＝1,2,…,N)参考状态和评估状态的整体应变分布值；
第三步、去除rref和rass的整体起伏，得到应变变化量Δrref和Δrass：
Figure BDA00020560484000001010
Figure BDA0002056048400000111
保持Δrref不变，将Δrass乘以比例系数k，并计算二者之间差异量的总和：
Figure BDA0002056048400000112
其中，k为实数，df(Δrref,kΔrass)为差异函数，寻找系数k＝k0，使得差异函数最小：
df(Δrref,k0Δrass)＝dfmin(Δrref,kΔrass) (16)
第四步、将Δrref和k0Δrass进行同步归一化，获得参考状态的主梁应变分布模式向量和评估状态的主梁应变分布模式向量：
Figure BDA0002056048400000113
Figure BDA0002056048400000114
其中，maxi＝1,...,N{|Δri ref|,|kΔri ass|}代表Δrref和k0Δrass的绝对值最大值；rref,norm定义为参考状态的主梁应变分布模式向量，ri ref,norm的取值范围为[-1,1]，代表主梁在xi位置(i＝1,2,…,N)的参考状态的应变分布模式参数；rass,norm定义为评估状态的主梁应变分布模式向量，ri ass,norm的取值范围为[-1,1]，代表结构在xi位置(i＝1,2,…,N)的评估状态的应变分布模式参数；计算参考状态和评估状态在主梁xi位置的应变分布模式匹配系数为：
Figure BDA0002056048400000115
Figure BDA0002056048400000116
取值为[0,1]，
Figure BDA0002056048400000117
的值越接近1，代表两者应变分布模式匹配程度越高，主梁的力学行为模式越相近。
第五步、计算主梁全长各位置的区域应变分布模式匹配系数分布pr：
Figure BDA0002056048400000118
Figure BDA0002056048400000119
代表在主梁xi位置(i＝1,2,…,N)应变分布模式匹配系数，并设定区域应变分布模式匹配容许值p0，当
Figure BDA00020560484000001110
时，代表桥梁实际应变分布模式与设计吻合，结构体系状态正常；当
Figure BDA00020560484000001111
时，代表桥梁实际应变分布模式与设计不符，说明该区域结构体系力学行为异常，并标记xi为主梁状态异常位置；提取主梁所有区域应变分布模式匹配系数异常位置组成集合xp：
Figure BDA0002056048400000121
其中，xp代表主梁应变分布模式异常位置的检测结果。具体到本实施例，区域应变分布模式匹配系数分布pr的结果如图3所示，设定区域应变分布模式匹配容许值p0＝0.9，可见主梁全长pr≥p0，代表桥梁实际应变分布模式与设计吻合，结构体系状态正常；
步骤四所述的整体应变幅值比对算法，其具体过程包括：
第一步、以主梁设计容许应变分布sdesign为判定依据，将主梁全长区域划分为应变响应敏感区xb和应变响应不敏感区xs：
xb＝{xi||sdi|＞ε0,i＝1,2,...,N} (22)
xs＝{xi||sdi|≤ε0,i＝1,2,...,N} (23)
其中，ε0为应变阈值，主梁设计应变响应绝对值大于ε0的区域判定为应变响应敏感区，反之为应变响应不敏感区；
第二步、计算应变响应敏感区xb定义整体应变值安全系数
Figure BDA0002056048400000122
Figure BDA0002056048400000123
其中，
Figure BDA0002056048400000124
代表在主梁应变响应敏感区域xi位置(i＝1,2,…,N)的实际整体应变响应值和设计容许应变响应值的比值；当
Figure BDA0002056048400000125
时，代表主梁实际整体应变值小于设计容许值，且二者应变属性相同(同为正应变或同为负应变)，主梁整体应变响应值正常；当
Figure BDA0002056048400000126
时，代表主梁实际应变值大于设计容许值，主梁整体应变响应值异常，并标记xi为主梁整体应变值异常位置；当
Figure BDA0002056048400000127
时，代表主梁实际应变值与设计应变值的应变属性相反，主梁整体应变响应值异常，标记xi为主梁状态异常位置；
第三步、计算应变响应不敏感区xs，定义整体应变值安全系数
Figure BDA0002056048400000128
Figure BDA0002056048400000131
其中，
Figure BDA0002056048400000132
代表在主梁应变响应不敏感区域xi位置实际应变值和设计应变值的差异量绝对值与应变阈值ε0的比值；当
Figure BDA0002056048400000133
时，代表应变值波动小于容许值，结构区域应变响应值正常；当
Figure BDA0002056048400000134
时，代表应变值波动大于设计容许值，结构区域应变响应值异常，并标记xi为主梁状态异常位置；
第四步、沿主梁全长根据各位置属于应变响应敏感或不敏感区域，分别计算
Figure BDA0002056048400000135
或
Figure BDA0002056048400000136
并提取主梁所有整体应变值安全系数异常位置组成集合xr：
Figure BDA0002056048400000137
其中，xr代表了主梁整体应变分布值异常位置的检测结果。具体到本实例，主梁全长的整体应变值安全系数kr(对于应变敏感区域
Figure BDA0002056048400000138
对于应变不敏感区域
Figure BDA0002056048400000139
)的计算结果如图3所示，可见，主梁全长kr检测结果均在(0,1)区间，代表主梁全长整体应变值均在设计容许范围内，主梁全长的整体应变值均正常；
步骤五所述主梁局部应变幅值比对算法，其具体过程为：
基于主梁局部应变分布信息lfiber，定义局部应变响应值安全系数
Figure BDA00020560484000001310
Figure BDA00020560484000001311
其中，lf0为局部应变容许值，当
Figure BDA00020560484000001312
时，代表在主梁xi位置局部应变波动在容许范围之内，局部应变状态正常；当
Figure BDA00020560484000001313
时，代表局部应变变化超出容许范围，局部应变状态异常，可能存在局部损伤，并标记xi位置为局部应变状态异常点；提取主梁所有局部应变值异常位置组成集合xl：
Figure BDA00020560484000001314
其中，xl代表了主梁局部应变值异常位置的检测结果。具体到本实例，主梁全长的局部应变响应值安全系数kl如图3所示，可见主梁全长kl检测结果均在(0,1)区间，代表主梁全长局部应变值均在正常波动范围内，主梁全长的局部应变值均正常；
步骤六所述安全评估的过程包括：
定义桥梁状态风险系数
Figure BDA0002056048400000141
Figure BDA0002056048400000142
其中
Figure BDA0002056048400000143
Figure BDA0002056048400000144
αi为风险权重系数，代表主梁xi位置(i＝1,2,…,N)设计应变响应值占全长最大应变响应值的比例，取值在(0,1]区间；由于桥梁在高应变响应区域发生状态异常对桥梁结构的安全威胁更大，因此αi值越大，代表xi位置的风险权重越高，即桥梁设计应变响应值大的位置风险权重高；
Figure BDA0002056048400000145
代表主梁整体应变值安全系数，对于应变敏感区域
Figure BDA0002056048400000146
对于应变不敏感区域
Figure BDA0002056048400000147
当
Figure BDA0002056048400000148
时，代表主梁实际应变值超出设计容许值，
Figure BDA0002056048400000149
取值越大，对桥梁结构状态安全的威胁越大，当
Figure BDA00020560484000001410
时，代表主梁实际应变响应与设计应变响应的应变属性相反，
Figure BDA00020560484000001411
的绝对值越大，对桥梁结构状态安全的威胁越大；
Figure BDA00020560484000001412
代表主梁应变分布模式匹配系数的倒数，
Figure BDA00020560484000001413
取值在(0,1]区间，
Figure BDA00020560484000001414
值越小，代表主梁实际应变分布模式与设计差异越大，相应的
Figure BDA00020560484000001415
值越大，对桥梁结构的安全威胁越大；
Figure BDA00020560484000001416
代表主梁局部应变值安全系数，当
Figure BDA00020560484000001417
时，代表主梁局部应变异常，会增加桥梁结构的安全风险，当
Figure BDA00020560484000001418
时，局部应变状态正常，不会增加增加桥梁结构的安全风险，
Figure BDA00020560484000001419
取值为1；
Figure BDA00020560484000001420
为一个无量纲的实数，代表了主梁在xi位置(i＝1,2,…,N)状态异常对桥梁结构安全的威胁程度，当
Figure BDA00020560484000001421
时，
Figure BDA00020560484000001422
值越大代表主梁xi位置的桥梁状态风险越大；当
Figure BDA00020560484000001423
时，则直接判定xi位置风险超标。具体到本实例，主梁全长的桥梁状态风险系数qa，结果如图4所示，可见主梁全长评估结果qa值均小于1，结构安全风险较低，再结合主梁全长的整体和局部应变值评估结果均正常，应变分布式模式匹配结果也正常，可以判定该桥处于正常服役状态，结构应变响应与结构体力力学行为正常。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.一种基于分布式光纤监测和主梁全长应变分布的桥梁状态检测与评估方法，其特征在于，所述桥梁状态检测与评估方法的步骤包括：
步骤一、将分布式传感光纤沿顺桥向布设在桥梁主梁上，分布式传感光纤覆盖主梁全长，对桥梁进行车辆荷载试验，使用长距离高空间分辨率分布式光纤解调仪对分布式光纤进行解调，获得主梁全长的实测应变分布，同时，使用桥梁设计有限元模型，获得对应的主梁全长的设计容许应变分布；
步骤二、采用分离提取算法对主梁全长的应变分布进行分离提取，获得主梁整体应变分布和主梁局部应变分布；
步骤三、针对步骤二获得的主梁整体应变分布，采用分布模式匹配算法对比主梁全长的实测整体应变分布与设计容许应变分布的分布模式相似程度，并计算应变分布模式匹配系数，根据应变分布模式匹配系数检测桥梁结构体系的应变分布模式异常区域；
步骤三所述的分布模式匹配算法，其具体过程包括：
第一步、使用桥梁设计有限元模型，获得对应的主梁全长的设计容许应变分布sdesign，表达式为：
sdesign＝(sd1 sd2...sdN) (10)
其中，sdi代表在xi位置(i＝1,2,…,N)的设计容许应变值；
第二步、将主梁设计容许应变分布sdesign设定为参考向量，将实测主梁整体应变分布rfiber设定为评估向量，并标记参考向量为sref，评估向量为sass，表达式分别为：
Figure FDA0002729274470000011
Figure FDA0002729274470000012
其中，ri ref和ri ass分别代表在主梁xi位置(i＝1,2,…,N)参考状态和评估状态的整体应变分布值；
第三步、去除rref和rass的整体起伏，得到应变变化量Δrref和Δrass：
Figure FDA0002729274470000013
Figure FDA0002729274470000014
保持Δrref不变，将Δrass乘以比例系数k，并计算二者之间差异量的总和：
Figure FDA0002729274470000015
其中，k为实数，df(Δrref,kΔrass)为差异函数，寻找系数k＝k0，使得差异函数最小：
df(Δrref,k0Δrass)＝dfmin(Δrref,kΔrass) (16)
第四步、将Δrref和k0Δrass进行同步归一化，获得参考状态的主梁应变分布模式向量和评估状态的主梁应变分布模式向量：
Figure FDA0002729274470000021
Figure FDA0002729274470000022
其中，maxi＝1,...,N{|Δri ref|,|kΔri ass|}代表Δrref和k0Δrass的绝对值最大值；rref,norm定义为参考状态的主梁应变分布模式向量，ri ref,norm的取值范围为[-1,1]，代表主梁在xi位置(i＝1,2,…,N)的参考状态的应变分布模式参数；rass,norm定义为评估状态的主梁应变分布模式向量，ri ass,norm的取值范围为[-1,1]，代表结构在xi位置(i＝1,2,…,N)的评估状态的应变分布模式参数；计算参考状态和评估状态在主梁xi位置的应变分布模式匹配系数为：
Figure FDA0002729274470000023
Figure FDA0002729274470000024
取值为[0,1]，
Figure FDA0002729274470000025
的值越接近1，代表两者应变分布模式匹配程度越高，主梁的力学行为模式越相近；
第五步、计算主梁全长各位置的区域应变分布模式匹配系数分布pr：
Figure FDA0002729274470000026
Figure FDA0002729274470000027
代表在主梁xi位置(i＝1,2,…,N)应变分布模式匹配系数，并设定区域应变分布模式匹配容许值p0，当
Figure FDA0002729274470000028
时，代表桥梁实际应变分布模式与设计吻合，结构体系状态正常；当
Figure FDA0002729274470000029
时，代表桥梁实际应变分布模式与设计不符，说明该区域结构体系力学行为异常，并标记xi为主梁状态异常位置；提取主梁所有区域应变分布模式匹配系数异常位置组成集合xp：
Figure FDA00027292744700000210
其中，xp代表主梁应变分布模式异常位置的检测结果；
步骤四、针对步骤二获得的主梁整体应变分布，采用整体应变幅值比对算法对比主梁全长的实测整体应变分布与设计容许应变分布的整体应变值安全系数，根据整体应变值安全系数检测主梁全长的整体应变值异常区域；
步骤五、针对步骤二获得的主梁局部应变分布，采用幅值比对算法对比主梁全长的实测局部应变分布与设计局部应变容许值的局部应变值安全系数，根据局部应变值安全系数检测主梁全长的局部应变值异常区域；
步骤六、综合主梁的整体和局部应变值安全系数和应变分布模式匹配系数形成桥梁状态风险系数，进行桥梁状态的安全评估；
步骤六所述安全评估的过程包括：
定义桥梁状态风险系数
Figure FDA0002729274470000031
Figure FDA0002729274470000032
其中
Figure FDA0002729274470000033
Figure FDA0002729274470000034
αi为风险权重系数，代表主梁xi位置(i＝1,2,…,N)设计应变响应值占全长最大应变响应值的比例，取值在(0,1]区间；由于桥梁在高应变响应区域发生状态异常对桥梁结构的安全威胁更大，因此αi值越大，代表xi位置的风险权重越高，即桥梁设计应变响应值大的位置风险权重高；
Figure FDA0002729274470000035
代表主梁整体应变值安全系数，对于应变敏感区域
Figure FDA0002729274470000036
对于应变不敏感区域
Figure FDA0002729274470000037
当
Figure FDA0002729274470000038
时，代表主梁实际应变值超出设计容许值，
Figure FDA0002729274470000039
取值越大，对桥梁结构状态安全的威胁越大，当
Figure FDA00027292744700000310
时，代表主梁实际应变响应与设计应变响应的应变属性相反，
Figure FDA00027292744700000311
的绝对值越大，对桥梁结构状态安全的威胁越大；
Figure FDA00027292744700000312
代表主梁应变分布模式匹配系数的倒数，
Figure FDA00027292744700000313
取值在(0,1]区间，
Figure FDA00027292744700000314
值越小，代表主梁实际应变分布模式与设计差异越大，相应的
Figure FDA00027292744700000315
值越大，对桥梁结构的安全威胁越大；
Figure FDA00027292744700000316
代表主梁局部应变值安全系数，当
Figure FDA0002729274470000041
时，代表主梁局部应变异常，会增加桥梁结构的安全风险，当
Figure FDA0002729274470000042
时，局部应变状态正常，不会增加增加桥梁结构的安全风险，此时，
Figure FDA0002729274470000043
取值为1；
Figure FDA0002729274470000044
为一个无量纲的实数，代表了主梁在xi位置(i＝1,2,…,N)状态异常对桥梁结构安全的威胁程度，当
Figure FDA0002729274470000045
时，
Figure FDA0002729274470000046
值越大代表主梁xi位置的桥梁状态风险越大；当
Figure FDA0002729274470000047
时，则直接判定xi位置风险超标。
2.根据权利要求1所述桥梁状态检测与评估方法，其特征在于，步骤二所述分离提取算法，其具体过程包括：
第一步、设分布式光纤在主梁上的位置向量为x，各位置的应变测量结果向量为sfiber，二者表达式分别为：
x＝(x1 x2...xN) (1)
sfiber＝(sf1 sf2...sfN) (2)
其中，xi代表传感光纤第i测点(i＝1,2,…,N)对应的桥主梁位置，sfi代表在xi位置(i＝1,2,…,N)的主梁应变变化的测量值，分布式光纤的总测点数量为N；
第二步、设分布特征提取窗口长度为wa，wa为正整数，并满足条件：
wa≥w/Δx (3)
其中，w和Δx为分别为分布式光纤解调仪的空间分辨率和采样间隔；
第三步、以wa为窗口长度，Δx为移动步长，对各测点对应的应变测量结果向量sfiber进行滑动平均，将sfiber分离为主梁整体应变分布rfiber和主梁局部应变分布lfiber，表达式分别为：
rfiber＝(rf1 rf2...rfN) (4)
lfiber＝(lf1 lf2...lfN) (5)
lfi＝sfi-rfi,i＝1,2,...,N (6)
Figure FDA0002729274470000048
其中
Figure FDA0002729274470000049
Figure FDA0002729274470000051
其中，rfi代表传感光纤在
Figure FDA0002729274470000052
至
Figure FDA0002729274470000053
区域的主梁应变平均值，rfiber反映了主梁的整体应变分布特征；lfi代表了传感光纤在xi位置的分布式光纤应变测量值与
Figure FDA0002729274470000054
至
Figure FDA0002729274470000055
区域的应变平均值的差值，lfiber代表主梁的局部应变分布。
3.根据权利要求1所述桥梁状态检测与评估方法，其特征在于，步骤四所述的整体应变幅值比对算法，其具体过程包括：
第一步、以主梁设计容许应变分布sdesign为判定依据，将主梁全长区域划分为应变响应敏感区xb和应变响应不敏感区xs：
xb＝{xi||sdi|＞ε0,i＝1,2,...,N} (22)
xs＝{xi||sdi|≤ε0,i＝1,2,...,N} (23)
其中，ε0为应变阈值，主梁设计应变响应绝对值大于ε0的区域判定为应变响应敏感区，反之为应变响应不敏感区；
第二步、计算应变响应敏感区xb定义整体应变值安全系数
Figure FDA0002729274470000056
Figure FDA0002729274470000057
其中，
Figure FDA0002729274470000058
代表在主梁应变响应敏感区域xi位置(i＝1,2,…,N)的实际整体应变响应值和设计容许应变响应值的比值；当
Figure FDA0002729274470000059
时，代表主梁实际整体应变值小于设计容许值，且二者应变属性相同(同为正应变或同为负应变)，主梁整体应变响应值正常；当
Figure FDA00027292744700000510
时，代表主梁实际应变值大于设计容许值，主梁整体应变响应值异常，并标记xi为主梁整体应变值异常位置；当
Figure FDA00027292744700000511
时，代表主梁实际应变值与设计应变值的应变属性相反，主梁整体应变响应值异常，标记xi为主梁状态异常位置；
第三步、计算应变响应不敏感区xs，定义整体应变值安全系数
Figure FDA00027292744700000512
Figure FDA00027292744700000513
其中，
Figure FDA0002729274470000061
代表在主梁应变响应不敏感区域xi位置实际应变值和设计应变值的差异量绝对值与应变阈值ε0的比值；当
Figure FDA0002729274470000062
时，代表应变值波动小于容许值，结构区域应变响应值正常；当
Figure FDA0002729274470000063
时，代表应变值波动大于设计容许值，结构区域应变响应值异常，并标记xi为主梁状态异常位置；
第四步、沿主梁全长根据各位置属于应变响应敏感或不敏感区域，分别计算
Figure FDA0002729274470000064
或
Figure FDA0002729274470000065
并提取主梁所有整体应变值安全系数异常位置组成集合xr：
Figure FDA0002729274470000066
其中，xr代表了主梁整体应变分布值异常位置的检测结果。
4.根据权利要求1所述桥梁状态检测与评估方法，其特征在于，步骤五所述主梁局部应变幅值比对算法，其具体过程为：
基于主梁局部应变分布信息lfiber，定义局部应变响应值安全系数
Figure FDA0002729274470000067
Figure FDA0002729274470000068
其中，lf0为局部应变容许值，当
Figure FDA0002729274470000069
时，代表在主梁xi位置局部应变波动在容许范围之内，局部应变状态正常；当
Figure FDA00027292744700000610
时，代表局部应变变化超出容许范围，局部应变状态异常，可能存在局部损伤，并标记xi位置为局部应变状态异常点；提取主梁所有局部应变值异常位置组成集合xl：
Figure FDA00027292744700000611
其中，xl代表了主梁局部应变值异常位置的检测结果。
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