CN114741643B - 基于应变滑动空间相关模型的桥梁结构状态交叉诊断方法 - Google Patents

基于应变滑动空间相关模型的桥梁结构状态交叉诊断方法 Download PDF

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Abstract

基于应变滑动空间相关模型的桥梁结构状态交叉诊断方法，属于土木工程结构运营安全智能监测领域。以主梁结构密集测点的应变监测数据为基础，将适当长度的主梁区段及该区段关于桥梁纵桥向对称轴对称的区域划分为一个空间窗；构建所划分空间窗内分布式应变的空间相关模型，利用该模型的应变残差，计算该空间窗对应主梁区域的桥梁结构状态诊断因子；采用交叉诊断方法实现该空间窗对应桥梁结构对称区域的状态诊断；从桥梁端部开始不断滑动空间窗，使空间窗遍历主梁全域，实现主梁所有区域的结构状态诊断。本发明解决了利用分布式应变实现桥梁结构状态的有效诊断和损伤区域的识别问题。

Description

基于应变滑动空间相关模型的桥梁结构状态交叉诊断方法
技术领域
本发明属于土木工程结构运营安全智能监测领域，特别涉及一种基于应变滑动空间相关模型的桥梁结构状态交叉诊断方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，我国桥梁的设计与建设水平不断提升，已经创造了多项世界第一，当前全世界前10座最大跨度的悬索桥中国即占据6座，这些建设成果标志着我国从桥梁第一大国逐步迈向了第一强国。然而，随着服役年限的上升，我国桥梁的运营状况也将面临严峻的局面，特别是以往基于无损探伤和人工视察为主的检测和评估手段已经远远不能满足桥梁结构运营安全的要求。因此，如何采用有效手段实现桥梁结构状态的诊断已经成为亟待解决的关键问题。
随着桥梁健康监测技术的日渐成熟，桥梁结构健康监测系统已经成为桥梁结构状态诊断的有力工具。但是，目前桥梁状态诊断方法几乎都是利用点式传感设备获取的有限监测信息，而仅利用几处关键断面的监测数据通常难以有效识别结构发生的潜在损伤，因此，如何利用先进监测技术准确诊断复杂环境下桥梁结构的状态亟需被进一步的研究。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前的桥梁状态诊断方法难以有效识别结构发生的潜在损伤，提供一种基于应变滑动空间相关模型的桥梁结构状态交叉诊断方法，利用分布式应变监测数据实现桥梁结构状态的有效诊断，并对损伤区域进行识别。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
基于应变滑动空间相关模型的桥梁结构状态交叉诊断方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：将分布式传感光纤布设在桥梁主梁上，获取主梁结构密集测点的应变监测数据，将适当长度的主梁区段及该区段关于桥梁纵桥向对称轴对称的区域划分为一个空间窗；
步骤二：构建步骤一所划分空间窗内分布式应变的空间相关模型，以该模型的应变残差为基础，计算该空间窗对应主梁区域的桥梁结构状态诊断因子；
步骤三：以步骤一所划分空间窗内对称区域的桥梁结构状态诊断因子为基础，采用交叉诊断方法实现该桥梁结构对称区域的状态诊断；
步骤四：从桥梁端部开始不断滑动空间窗，并重复步骤一～步骤三，最终使空间窗遍历主梁全域，实现主梁所有区域的结构状态诊断。
本发明相对于现有技术的有益效果是：首先，利用主梁结构密集测点的应变监测数据，将适当长度的主梁区段及该区段关于桥梁纵桥向对称轴对称的区域划分为一个空间窗；其次，构建所划分空间窗内分布式应变的空间相关模型，利用该模型的应变残差，计算该空间窗对应主梁区域的桥梁结构状态诊断因子；在此基础上，采用交叉诊断方法实现该空间窗对应桥梁结构对称区域的状态诊断；最后，从桥梁端部开始不断滑动空间窗，使空间窗遍历主梁全域，实现主梁所有区域的结构状态诊断。与现有技术相比，解决了利用分布式应变实现桥梁结构状态的有效诊断和损伤区域的识别问题。
附图说明
图1为本发明的基于应变滑动空间相关模型的桥梁结构状态交叉诊断方法的流程图。
图2为实施例中桥梁结构关键点示意图。
图3为实施例中桥梁结构有限元模型示意图。
图4为实施例中空间窗的大小和位置示意图。
图5为实施例中桥梁结构左侧区域B点处的诊断结果图。
图6为实施例中桥梁结构左侧区域C点处的诊断结果图。
图7为实施例中桥梁结构右侧区域B′点处的诊断结果图。
图8为实施例中桥梁结构右侧区域C′点处的诊断结果图。
图9为实施例中桥梁结构左侧区域的状态诊断结果汇总图。
图10为实施例中桥梁结构右侧区域的状态诊断结果汇总图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
具体实施方式一：本实施方式记载的是基于应变滑动空间相关模型的桥梁结构状态交叉诊断方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
步骤一：将分布式传感光纤布设在桥梁主梁上，获取主梁结构密集测点的应变监测数据，将适当长度的主梁区段及该区段关于桥梁纵桥向对称轴对称的区域划分为一个空间窗；
步骤二：构建步骤一所划分空间窗内分布式应变的空间相关模型，以该模型的应变残差为基础，计算该空间窗对应主梁区域的桥梁结构状态诊断因子；
步骤三：以步骤一所划分空间窗内对称区域的桥梁结构状态诊断因子为基础，采用交叉诊断方法实现该桥梁结构对称区域的状态诊断；
步骤四：从桥梁端部开始不断滑动空间窗，并重复步骤一～步骤三，最终使空间窗遍历主梁全域，实现主梁所有区域的结构状态诊断。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的基于应变滑动空间相关模型的桥梁结构状态交叉诊断方法，步骤一中，所述空间窗的划分方法为：
(1)将靠近桥梁端部的空间窗边界称为外边界，远离桥梁端部的空间窗边界称为内边界；将空间窗内的两个相互对称的主梁区段分别称为左侧区域和右侧区域；如果空间窗还未开始滑动，则将外边界设置为桥梁端部；如果空间窗已经开始滑动，则将外边界设置为上一次空间窗所在位置的内边界；
(2)按下式计算空间窗内边界所有可能位置对应的空间窗长度判别指标，
Figure BDA0003590701370000031
Figure BDA0003590701370000032
Figure BDA0003590701370000033
Figure BDA0003590701370000034
Figure BDA0003590701370000035
Figure BDA0003590701370000036
Figure BDA0003590701370000037
式中，Cr为空间窗长度判别指标；
Figure BDA0003590701370000038
为分布式应变空间相关模型参数；cov(·)为矩阵的协方差计算函数；/>
Figure BDA0003590701370000039
为空间窗左侧区域第j个测点在i时刻的应变测量值；/>
Figure BDA00035907013700000310
为i时刻空间窗右侧区域第j个测点的应变测量值；n为空间窗左侧区域的结构分布式应变测点总数；
(3)Cr最小时的内边界为最优内边界，由外边界和最优内边界完成该空间窗的划分。
具体实施方式三：具体实施方式一或二所述的基于应变滑动空间相关模型的桥梁结构状态交叉诊断方法，步骤二中，所述桥梁结构状态诊断因子的计算方法为：
(1)按下式建立窗内分布式应变的空间相关模型，
Figure BDA00035907013700000311
Figure BDA00035907013700000312
Figure BDA00035907013700000313
式中，
Figure BDA0003590701370000041
为空间窗内结构分布式应变/>
Figure BDA0003590701370000042
的估计值；/>
Figure BDA0003590701370000043
为空间窗内结构分布式应变
Figure BDA0003590701370000044
的估计值；
(2)按下式计算窗内分布式应变空间相关模型的残差ePU和eUP，
Figure BDA0003590701370000045
Figure BDA0003590701370000046
Figure BDA0003590701370000047
和/>
Figure BDA0003590701370000048
为中间变量，无具体含义；
(3)将空间窗均匀划分为多个区域，各个区域的模型残差如下式所示，
Figure BDA0003590701370000049
Figure BDA00035907013700000410
式中，
Figure BDA00035907013700000411
为空间窗左侧区域第v个待诊断区域的应变残差向量；/>
Figure BDA00035907013700000412
为空间窗左侧区域内第n个测点在第s时刻的应变残差值，该测点属于第v个待诊断区域；/>
Figure BDA00035907013700000413
为空间窗右侧区域第v个待诊断区域的应变残差向量；/>
Figure BDA00035907013700000414
为空间窗右侧区域内第n个测点在第s时刻的应变残差值，该测点属于第v个待诊断区域；
(4)按下式计算左侧区域和右侧区域的桥梁结构状态诊断因子，
Figure BDA00035907013700000415
Figure BDA00035907013700000416
Figure BDA00035907013700000417
Figure BDA00035907013700000418
式中，YPU,v、YUP,v分别为空间窗左侧和右侧区域第v个待诊断区域的桥梁结构状态诊断因子；
Figure BDA0003590701370000051
分别为/>
Figure BDA0003590701370000052
的均值向量；diag(·)为矩阵主对角线上的元素提取函数。
具体实施方式四：具体实施方式三所述的基于应变滑动空间相关模型的桥梁结构状态交叉诊断方法，步骤三中，所述的桥梁结构状态交叉诊断方法为：
(1)采集参考状态下桥梁结构分布式应变监测数据，计算相应的桥梁结构状态诊断因子，并将桥梁结构状态诊断因子从小到大排列，如下式所示，
Figure BDA0003590701370000053
式中，
Figure BDA0003590701370000054
为空间窗右侧区域第v个待诊断区域由小到大排列的桥梁结构状态诊断因子序列中的第s个值；/>
Figure BDA0003590701370000055
为空间窗左侧区域第v个待诊断区域由小到大排列的桥梁结构状态诊断因子序列中的第s个值；
(2)按下式计算空间窗左侧区域和右侧区域的桥梁结构状态诊断阈值，
Figure BDA0003590701370000056
式中，TYv,PU、TYv,UP分别为空间窗左侧区域第v个待诊断区域和空间窗右侧区域第v个待诊断区域的桥梁结构状态诊断阈值；
Figure BDA0003590701370000057
分别为空间窗左、右侧区域第v个待诊断区域由小到大排列的桥梁结构状态诊断因子序列中取统计数据95％置信概率的分位数；
(3)按下式实现桥梁结构状态的诊断，
y′v,PU＞TYv,PU (8)
y′v,UP＞TYv,UP (9)
式中，y′v,PU、y′v,UP分别为待诊断状态下空间窗左侧区域第v个待诊断区域和空间窗右侧区域第v个待诊断区域的桥梁结构状态诊断因子；
若公式(8)成立，则记录空间窗左侧区域第v个待诊断区域异常，若公式(9)成立，则记录空间窗右侧区域第v个待诊断区域异常，
(4)按公式(8)和(9)可对所有待诊断区域进行诊断，如果空间窗左侧各个待诊断区域均有异常，而右侧仅有部分待诊断区域异常，则可判断桥梁结构损伤发生在空间窗右侧出现异常的待诊断区域；如果空间窗右侧各个待诊断区域均有异常，而左侧仅有部分待诊断区域异常，则可判断桥梁结构损伤发生在空间窗左侧出现异常的待诊断区域。
实施例1：
本实施例选取某实际桥梁结构的有限元模型作为算例，验证本发明提出的基于应变滑动空间相关模型的桥梁结构状态交叉诊断方法的有效性。该桥梁的结构关键点示意如图2所示，有限元模型如图3所示。采用本发明所提方法，从桥端逐步移动空间窗，每次移动时空间窗的大小和位置如图4所示。设置损伤发生在桥梁结构左侧区域B点，采用本发明所提方法诊断该桥梁结构状态，桥梁结构左侧区域B点和C点处的诊断结果分别如图5和图6所示，桥梁结构右侧区域B′点和C′点处的诊断结果分别如图7和图8所示，桥梁结构左侧区域的状态诊断结果汇总如图9所示，桥梁结构右侧区域的状态诊断结果汇总如图10所示。
由图5～10可以看出，桥梁结构左侧区域只有B点处的桥梁结构状态诊断因子超过阈值，而对桥梁结构右侧区域B点所在的空间窗，其绝大部分测点处的桥梁结构状态诊断因子都超过阈值。因此，根据本发明所提交叉诊断方法可以判断桥梁结构出现损伤，且损伤位于左侧区域B点，这一结果与实际状况一致，验证了本发明所提方法的有效性。

Claims (1)

1.基于应变滑动空间相关模型的桥梁结构状态交叉诊断方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：将分布式传感光纤布设在桥梁主梁上，获取主梁结构密集测点的应变监测数据，将适当长度的主梁区段及该区段关于桥梁纵桥向对称轴对称的区域划分为一个空间窗；所述空间窗的划分方法为：
(1)将靠近桥梁端部的空间窗边界称为外边界，远离桥梁端部的空间窗边界称为内边界；将空间窗内的两个相互对称的主梁区段分别称为左侧区域和右侧区域；如果空间窗还未开始滑动，则将外边界设置为桥梁端部；如果空间窗已经开始滑动，则将外边界设置为上一次空间窗所在位置的内边界；
(2)按下式计算空间窗内边界所有可能位置对应的空间窗长度判别指标，
Figure FDA0003912442280000011
Figure FDA0003912442280000012
Figure FDA0003912442280000013
Figure FDA0003912442280000014
Figure FDA0003912442280000015
Figure FDA0003912442280000016
Figure FDA0003912442280000017
式中，Cr为空间窗长度判别指标；
Figure FDA0003912442280000018
为分布式应变空间相关模型参数；cov(·)为矩阵的协方差计算函数；
Figure FDA0003912442280000019
为空间窗左侧区域第j个测点在i时刻的应变测量值；
Figure FDA00039124422800000110
为i时刻空间窗右侧区域第j个测点的应变测量值；n为空间窗左侧区域的结构分布式应变测点总数；
(3)Cr最小时的内边界为最优内边界，由外边界和最优内边界完成该空间窗的划分；
步骤二：构建步骤一所划分空间窗内分布式应变的空间相关模型，以该模型的应变残差为基础，计算该空间窗对应主梁区域的桥梁结构状态诊断因子；所述桥梁结构状态诊断因子的计算方法为：
(1)按下式建立窗内分布式应变的空间相关模型，
Figure FDA00039124422800000111
Figure FDA0003912442280000021
Figure FDA0003912442280000022
式中，
Figure FDA0003912442280000023
为空间窗内结构分布式应变
Figure FDA0003912442280000024
的估计值；
Figure FDA0003912442280000025
为空间窗内结构分布式应变
Figure FDA0003912442280000026
的估计值；
(2)按下式计算窗内分布式应变空间相关模型的残差ePU和eUP，
Figure FDA0003912442280000027
Figure FDA0003912442280000028
Figure FDA0003912442280000029
和
Figure FDA00039124422800000210
为中间变量，无具体含义；
(3)将空间窗均匀划分为多个区域，各个区域的模型残差如下式所示，
Figure FDA00039124422800000211
Figure FDA00039124422800000212
式中，
Figure FDA00039124422800000213
为空间窗左侧区域第v个待诊断区域的应变残差向量；
Figure FDA00039124422800000214
为空间窗左侧区域内第n个测点在第s时刻的应变残差值，该测点属于第v个待诊断区域；
Figure FDA00039124422800000215
为空间窗右侧区域第v个待诊断区域的应变残差向量；
Figure FDA00039124422800000216
为空间窗右侧区域内第n个测点在第s时刻的应变残差值，该测点属于第v个待诊断区域；
(4)按下式计算左侧区域和右侧区域的桥梁结构状态诊断因子，
Figure FDA00039124422800000217
Figure FDA00039124422800000218
Figure FDA0003912442280000031
Figure FDA0003912442280000032
式中，YPU,v、YUP,v分别为空间窗左侧和右侧区域第v个待诊断区域的桥梁结构状态诊断因子；
Figure FDA0003912442280000033
分别为
Figure FDA0003912442280000034
的均值向量；diag(·)为矩阵主对角线上的元素提取函数；
步骤三：以步骤一所划分空间窗内对称区域的桥梁结构状态诊断因子为基础，采用交叉诊断方法实现该桥梁结构对称区域的状态诊断；所述的桥梁结构状态交叉诊断方法为：
(1)采集参考状态下桥梁结构分布式应变监测数据，计算相应的桥梁结构状态诊断因子，并将桥梁结构状态诊断因子从小到大排列，如下式所示，
Figure FDA0003912442280000035
式中，
Figure FDA0003912442280000036
为空间窗右侧区域第v个待诊断区域由小到大排列的桥梁结构状态诊断因子序列中的第s个值；
Figure FDA0003912442280000037
为空间窗左侧区域第v个待诊断区域由小到大排列的桥梁结构状态诊断因子序列中的第s个值；
(2)按下式计算空间窗左侧区域和右侧区域的桥梁结构状态诊断阈值，
Figure FDA0003912442280000038
式中，TYv,PU、TYv,UP分别为空间窗左侧区域第v个待诊断区域和空间窗右侧区域第v个待诊断区域的桥梁结构状态诊断阈值；
Figure FDA0003912442280000039
分别为空间窗左、右侧区域第v个待诊断区域由小到大排列的桥梁结构状态诊断因子序列中取统计数据95％置信概率的分位数；
(3)按下式实现桥梁结构状态的诊断，
y′v,PU＞TYv,PU (8)
y′v,UP＞TYv,UP (9)
式中，y′v,PU、y′v,UP分别为待诊断状态下空间窗左侧区域第v个待诊断区域和空间窗右侧区域第v个待诊断区域的桥梁结构状态诊断因子；
若公式(8)成立，则记录空间窗左侧区域第v个待诊断区域异常，若公式(9)成立，则记录空间窗右侧区域第v个待诊断区域异常，
(4)按公式(8)和(9)可对所有待诊断区域进行诊断，如果空间窗左侧各个待诊断区域均有异常，而右侧仅有部分待诊断区域异常，则可判断桥梁结构损伤发生在空间窗右侧出现异常的待诊断区域；如果空间窗右侧各个待诊断区域均有异常，而左侧仅有部分待诊断区域异常，则可判断桥梁结构损伤发生在空间窗左侧出现异常的待诊断区域；
步骤四：从桥梁端部开始不断滑动空间窗，并重复步骤一～步骤三，最终使空间窗遍历主梁全域，实现主梁所有区域的结构状态诊断。
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