CN112883608A - 一种桁架桥的健康指数评估方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桁架桥的健康指数评估方法与系统，涉及桥梁健康监测领域，具体包括步骤：获取桁架桥杆件各节点处自然激励振动下各数据采样时刻的低频模态数据，并构建桁架桥的有限元模型；根据低频模态数据和有限元模型获取各数据采样时刻各节点的状态向量，并根据状态向量获取各相邻数据采样时刻状态向量的平衡参数；根据平衡参数获取各节点的健康指数；根据健康指数构建健康指数散点图并对桁架桥杆件进行评估。本发明通过数据采集器获取桁架桥各节点正常运行状态下的振动数据，并根据振动数据进行数据计算，无需中断桁架桥的正常通行，从而使得测量更加便捷，同时测量可持续性更佳，可实现长期实时的监测。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁健康监测领域，具体涉及一种桁架桥的健康指数评估方法与系统。
背景技术
桁架桥指的是以桁架作为上部结构主要承重构件的桥梁。桁架桥一般由主桥架、上下水平纵向联结系、桥门架和中间横撑架以及桥面系组成。在桁架中，弦杆是组成桁架外围的杆件，包括上弦杆和下弦杆，连接上、下弦杆的杆件叫腹杆，按腹杆方向之不同又区分为斜杆和竖杆(本说明书下文中统称杆件)。弦杆与腹杆所在的平面就叫主桁平面。大跨度桥架的桥高沿跨径方向变化，形成曲弦桁架；中、小跨度采用不变的桁高，即所谓平弦桁架或直弦桁架。
目前许多桁架桥已进入服役的中后期，结构的健康安全状况不容忽视，因此，对桁架桥进行在线健康监测可以避免发生重大的安全事故。在现有的桁架桥检测技术中，常见的检测方法有静力方法和动力方法两类，其中静力方法由于需要中断交通来进行静力加载，因此不适用于实时在线健康监测；而目前的动力方法通常采用激光数据采集对各杆件进行数据采集，再对分析获取检测结果，不但成本高，同时难以做到同步检测，无法快速获得所有桥梁的检测数据。因此如何利用桁架桥日常运行中的状态数据进行快速实时检测就成为了一大亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，降低桁架桥动力检测过程中对于人力的需求，同时避免人为因素造成的精度误差，本发明提出了一种桁架桥的健康指数评估方法，包括步骤：
S1：获取桁架桥杆件各节点处自然激励振动下各数据采样时刻的低频模态数据，并构建桁架桥的有限元模型；
S2：根据低频模态数据和有限元模型获取各数据采样时刻各节点的状态向量，并根据状态向量获取各相邻数据采样时刻状态向量的平衡参数；
S3：根据平衡参数获取各节点对应自由度的健康指数；
S4：根据健康指数构建健康指数散点图并对桁架桥杆件进行评估。
进一步地，所述低频模态数据包括桁架桥振动的频率平方值λ和桁架桥振动的振动向量
其中振动向量
为n维列向量，n为桁架桥的自由度数目。
进一步地，所述步骤S2中，状态向量由第一公式获得，所述第一公式为：
式中，t为数据采样时刻，ξt为t数据采样时刻的状态向量，K为有限元模型的刚度矩阵，λt为t数据采样时刻的频率平方值，M为有限元模型的质量矩阵，
为t数据采样时刻的振动向量，one(n,1)为所有元素都为1的n维列向量。
进一步地，所述步骤S2中，平衡参数由第二公式获得，所述第二公式为：
式中，δt1,t2为相邻t1数据采样时刻和t2数据采样时刻状态向量的平衡参数，ξt为t数据采样时刻的状态向量，T表示向量的转置，
为t数据采样时刻状态向量的转置。
进一步地，所述步骤S3中，健康指数由第三公式获得，所述第三公式为：
ηn＝|δt1,t2·ξt2-ξt1|；
式中，ηn为第n个自由度的健康指数，δt1,t2为相邻t1数据采样时刻和t2数据采样时刻状态向量的平衡参数，ξt为t数据采样时刻的状态向量。
进一步地，所述步骤S4具体包括步骤：
S41：根据自由度的编号和健康指数构建以自由度编号为横坐标、健康指数为纵坐标的健康指数散点图；
S42：根据健康指数在健康指数散点图中构建的健康指数均值水平线和标准差水平线；
S43：判断散点是否处于均值水平线和标准差水平线区间中，若否，判定该散点处自由度对应节点的杆件健康指数未达标。
本发明还提出了一种桁架桥的健康指数评估系统，包括：
数据采集器，用于获取桁架桥杆件各节点处自然激励振动下各数据采样时刻的低频模态数据；
有限元构建模块，用于构建桁架桥的有限元模型；
状态计算模块，用于根据低频模态数据和有限元模型获取各数据采样时刻各节点的状态向量，
参数计算模块，用于根据状态向量获取各相邻数据采样时刻状态向量的平衡参数；
指数获取模块，用于根据平衡参数获取各节点对应自由度的健康指数；
评估输出模块，用于根据健康指数构建健康指数散点图并对桁架桥杆件进行评估。
进一步地，所述低频模态数据包括桁架桥振动的频率平方值λ和桁架桥振动的振动向量
其中振动向量
为n维列向量，n为桁架桥杆件的节点数目。
进一步地，所述指数获取模块中，健康指数由第三公式获得，所述第三公式为：
ηn＝|δt1,t2·ξt2-ξt1|；
式中，ηn为第n个自由度的健康指数，δt1,t2为相邻t1数据采样时刻和t2数据采样时刻状态向量的平衡参数，ξt为t数据采样时刻的状态向量。
进一步地，所述评估输出模块具体包括：
散点图构建单元，用于根据自由度的编号和健康指数构建以自由度编号为横坐标、健康指数为纵坐标的健康指数散点图；
水平线构建单元，用于根据健康指数在健康指数散点图中构建的健康指数均值水平线和标准差水平线；
健康判断单元，用于判断散点是否处于均值水平线和标准差水平线区间中，并在散点未在区间内时判定该散点处自由度对应节点的杆件健康指数未达标。
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
(1)本发明所述的一种桁架桥的健康指数评估方法与系统，其通过数据采集器获取桁架桥各节点正常运行状态下的振动数据，并根据振动数据进行数据计算，从而做到的桁架桥多个杆件的实时同步检测，大大减少了检测的整体工时成本；
(2)通过数据采集器获取桁架桥各节点正常运行状态下的振动数据，并根据振动数据进行数据计算，无需中断桁架桥的正常通行，从而使得测量更加便捷，同时测量可持续性更佳，可实现长期的监测；
(3)采用数据化全自动处理，无需人工操作；
(4)将获得的健康指数与平均值和标准差进行比对，使得健康指数的判定更加准确。
附图说明
图1为一种桁架桥的健康指数评估方法与系统的方法步骤图；
图2为一种桁架桥的健康指数评估方法与系统的系统结构图；
图3为桁架桥示意图；
图4为健康指数散点图示意图；
附图标记说明：1-桁架桥、2-杆件、3-节点、4-数据采集器，图4中空心圆为散点。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
为了降低桁架桥动力检测过程中对于人力的需求，同时避免人为因素造成的精度误差，如图1所示，本发明提出了一种桁架桥的健康指数评估方法，包括步骤：
S1：获取桁架桥杆件各节点处自然激励振动下各数据采样时刻的低频模态数据，并构建桁架桥的有限元模型。
如图3所示，桁架桥1包括多个收尾相连的杆件2组成，各杆件之间形成节点3，本发明通过在各节点处加装数据采集器4来采集各节点处自然激励振动下各数据采样时刻的低频模态数据，并结合桁架桥的有限元模型，从而可以根据低频模态数据实现杆件的实时状态监测，同时该方法是利用桁架桥正常通行下的环境激励下的振动，因此不会影响桥梁的正常通行，可以实现长期实时监测。
S2：根据低频模态数据和有限元模型获取各数据采样时刻各节点的状态向量，并根据状态向量获取各相邻数据采样时刻状态向量的平衡参数；
S3：根据平衡参数获取各节点对应自由度的健康指数；
S4：根据健康指数构建健康指数散点图并对桁架桥杆件进行评估(具体分为步骤S41至步骤S43，见下文)。
在步骤S1实现了杆件的实时状态监测的前提下，在步骤S2至步骤S4中分别利用第一公式至第三公式实现各个参数的获取，其中，低频模态数据包括桁架桥振动的频率平方值λ和桁架桥振动的振动向量
其中振动向量
为n维列向量，n为桁架桥的自由度数目。同时，由于是环境激励下的振动，故
为非归一化的振型向量。
假设t时刻获取的低频模态数据为λt和
那么状态向量由第一公式得，
式中，t为数据采样时刻，ξt为t数据采样时刻的状态向量，K为有限元模型的刚度矩阵，λt为t数据采样时刻的频率平方值，M为有限元模型的质量矩阵，
为t数据采样时刻的振动向量，one(n,1)为所有元素都为1的n维列向量。
在获得状态向量后，通过第二公式获取平衡参数，
式中，δt1,t2为相邻t1数据采样时刻和t2数据采样时刻状态向量的平衡参数，ξt为t数据采样时刻的状态向量，T表示向量的转置，
为t数据采样时刻状态向量的转置(比如将列向量转置为行向量，
即为列向量ξt转置后所得的行向量)。
通过平衡参数的计算，为后续健康指数的计算提供一个平衡的计算标准，从而使得最终评估结果更加准确。最终，在以平衡参数作为基准的情况下，通过第三公式获取健康指数，
ηn＝|δt1,t2·ξt2-ξt1|；
式中，ηn为第n个自由度的健康指数，δt1,t2为相邻t1数据采样时刻和t2数据采样时刻状态向量的平衡参数，ξt为t数据采样时刻的状态向量。
至此，基本已可以根据健康指数来对各节点处的杆件进行健康评估了，但考虑到从节点获得的低频模态数据集合中趋势和离散程度的影响，为了使评估结果更加符合数据集的特性，如图1所示，步骤S4具体还分为步骤：
S41：根据自由度的编号和健康指数构建以自由度编号为横坐标、健康指数为纵坐标的健康指数散点图；
S42：根据健康指数在健康指数散点图中构建的健康指数均值水平线和标准差水平线；
S43：判断散点是否处于均值水平线和标准差水平线区间中，若否，判定该散点处自由度对应节点的杆件健康指数未达标。
通过将获得的健康指数与平均值和标准差进行比对，使得健康指数的判定更加准确。
实施例二
为了更好的对本发明的技术特征进行描述，本实施例通过系统结构的方式来对本发明进行阐述，如图2所示，一种桁架桥的健康指数评估系统，包括：
数据采集器，用于获取桁架桥杆件各节点处自然激励振动下各数据采样时刻的低频模态数据；
有限元构建模块，用于构建桁架桥的有限元模型；
状态计算模块，用于根据低频模态数据和有限元模型获取各数据采样时刻各节点的状态向量，
参数计算模块，用于根据状态向量获取各相邻数据采样时刻状态向量的平衡参数；
指数获取模块，用于根据平衡参数获取各节点对应自由度的健康指数；
评估输出模块，用于根据健康指数构建健康指数散点图并对桁架桥杆件进行评估。
其中评估输出模块具体包括：
散点图构建单元，用于根据自由度的编号和健康指数构建以自由度编号为横坐标、健康指数为纵坐标的健康指数散点图；
水平线构建单元，用于根据健康指数在健康指数散点图中构建的健康指数均值水平线和标准差水平线；
健康判断单元，用于判断散点是否处于均值水平线和标准差水平线区间中，并在散点未在区间内时判定该散点处自由度对应节点的杆件健康指数未达标。
在具体数据计算前，如图3所示，首先，在桁架桥1上杆件2的各连接节点3处布置本发明所述的数据采集器4。数据采集器4实时采集桁架桥结构受自然激励下振动的低频模态数据，并将模态数据传输给后台的状态计算模块获取状态向量。而后通过参数计算模块、指数获取模块依次获取平衡参数和健康指数。
在设备假设完成后，以基本参数：杆件横截面为20mm×1.2mm的空心方管，截面面积A＝4.9×103mm2，弹性模量E＝2.06×105MPa，密度ρ＝7.8×103Kg/m3；不失一般性，运营过程中桥梁结构中发生病态的杆件，假设第9根杆件弹性模量折减20％来模拟。
通过一些列的低频模态数据获取并计算后，最终获得桁架桥各节点处健康指数如表1(以γn为自由度编号)，
表1：
根据表1计算相对应健康指数的均值
标准差
根据表1，以自节点编号为横坐标x，健康指数为纵坐标y，画出健康指数散点图，同时，画出均值水平线(即线y＝σ)和上下标准差水平线(即和线y＝σ-s和线y＝σ+s)(如图4)。最后，根据所得的图形做出综合评估，如果所有的散点都位于上下标准差水平线之内，则认为桁架桥健康良好；如果出现个别异常散点不位于上下标准差水平线之内，则认为桁架桥健康不佳，异常散点所对应的杆件即为可能存在病态的杆件，应进一步采取其他措施予以检测和加固，以确保桁架桥安全。
由图4可见，第15号和第16号节点对应的健康指数不位于上下标准差水平线之内，则认为桁架桥健康不佳，异常散点所对应的杆件即为可能存在病态的杆件，对于本实施例而言，第15和16号节点刚好对应着第9根病态杆件，应进一步采取其他措施予以检测和加固，以确保桁架桥安全。
综上所述，本发明所述的一种桁架桥的健康指数评估方法与系统，其通过数据采集器获取桁架桥各节点正常运行状态下的振动数据，并根据振动数据进行数据计算，从而做到的桁架桥多个杆件的实时同步检测，大大减少了检测的整体工时成本；并根据振动数据进行数据计算，无需中断桁架桥的正常通行，从而使得测量更加便捷，同时测量可持续性更佳，可实现长期的监测。
采用数据化全自动处理，无需人工操作；将获得的健康指数与平均值和标准差进行比对，使得健康指数的判定更加准确。
本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种桁架桥的健康指数评估方法，其特征在于，包括步骤：
S1：获取桁架桥杆件各节点处自然激励振动下各数据采样时刻的低频模态数据，并构建桁架桥的有限元模型；
S2：根据低频模态数据和有限元模型获取各数据采样时刻各节点的状态向量，并根据状态向量获取各相邻数据采样时刻状态向量的平衡参数；
S3：根据平衡参数获取各节点对应自由度的健康指数；
S4：根据健康指数构建健康指数散点图并对桁架桥杆件进行评估。
2.如权利要求1所述的一种桁架桥的健康指数评估方法，其特征在于，所述低频模态数据包括桁架桥振动的频率平方值λ和桁架桥振动的振动向量
其中振动向量
为n维列向量，n为桁架桥的自由度数目。
3.如权利要求2所述的一种桁架桥的健康指数评估方法，其特征在于，所述步骤S2中，状态向量由第一公式获得，所述第一公式为：
式中，t为数据采样时刻，ξt为t数据采样时刻的状态向量，K为有限元模型的刚度矩阵，λt为t数据采样时刻的频率平方值，M为有限元模型的质量矩阵，
为t数据采样时刻的振动向量，one(n,1)为所有元素都为1的n维列向量。
4.如权利要求1所述的一种桁架桥的健康指数评估方法，其特征在于，所述步骤S2中，平衡参数由第二公式获得，所述第二公式为：
式中，δt1,t2为相邻t1数据采样时刻和t2数据采样时刻状态向量的平衡参数，ξt为t数据采样时刻的状态向量，T表示向量的转置，
为t数据采样时刻状态向量的转置。
5.如权利要求2所述的一种桁架桥的健康指数评估方法，其特征在于，所述步骤S3中，健康指数由第三公式获得，所述第三公式为：
ηn＝|δt1,t2·ξt2-ξt1|；
式中，ηn为第n个自由度的健康指数，δt1,t2为相邻t1数据采样时刻和t2数据采样时刻状态向量的平衡参数，ξt为t数据采样时刻的状态向量。
6.如权利要求1所述的一种桁架桥的健康指数评估方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括步骤：
S41：根据自由度的编号和健康指数构建以自由度编号为横坐标、健康指数为纵坐标的健康指数散点图；
S42：根据健康指数在健康指数散点图中构建的健康指数均值水平线和标准差水平线；
S43：判断散点是否处于均值水平线和标准差水平线区间中，若否，判定该散点处自由度对应节点的杆件健康指数未达标。
7.一种桁架桥的健康指数评估系统，其特征在于，包括：
数据采集器，用于获取桁架桥杆件各节点处自然激励振动下各数据采样时刻的低频模态数据；
有限元构建模块，用于构建桁架桥的有限元模型；
状态计算模块，用于根据低频模态数据和有限元模型获取各数据采样时刻各节点的状态向量，
参数计算模块，用于根据状态向量获取各相邻数据采样时刻状态向量的平衡参数；
指数获取模块，用于根据平衡参数获取各节点对应自由度的健康指数；
评估输出模块，用于根据健康指数构建健康指数散点图并对桁架桥杆件进行评估。
8.如权利要求7所述的一种桁架桥的健康指数评估系统，其特征在于，所述低频模态数据包括桁架桥振动的频率平方值λ和桁架桥振动的振动向量
其中振动向量
为n维列向量，n为桁架桥的自由度数目。
9.如权利要求8所述的一种桁架桥的健康指数评估系统，其特征在于，所述指数获取模块中，健康指数由第三公式获得，所述第三公式为：
ηn＝|δt1,t2·ξt2-ξt1|；
式中，ηn为第n个节点的健康指数，δt1,t2为相邻t1数据采样时刻和t2数据采样时刻状态向量的平衡参数，ξt为t数据采样时刻的状态向量。
10.如权利要求7所述的一种桁架桥的健康指数评估系统，其特征在于，所述评估输出模块具体包括：
散点图构建单元，用于根据自由度的编号和健康指数构建以自由度编号为横坐标、健康指数为纵坐标的健康指数散点图；
水平线构建单元，用于根据健康指数在健康指数散点图中构建的健康指数均值水平线和标准差水平线；
健康判断单元，用于判断散点是否处于均值水平线和标准差水平线区间中，并在散点未在区间内时判定该散点处自由度对应节点的杆件健康指数未达标。
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