一種利用雙傳感器進行梁式橋梁結構損傷定位的方法與流程

本發明涉及無損檢測技術領域，具體涉及一種利用雙傳感器進行梁式橋梁結構損傷定位的方法。

背景技術：

當前，在橋梁結構健康監測與損傷檢測領域，其基本方法是通過在橋梁上安裝的結構響應采集系統獲得橋梁結構響應，依據采集的不同類型的數據從中提取損傷特征量，基于不同的損傷識別理論對橋梁的損傷進行診斷并定位。目前監測系統主要關注橋梁形變、靜應變、動應變、振動加速度、索力、溫濕度、風荷載等相關數據。

傳統的橋梁結構損傷檢測方法需要足夠多的傳感器數量，比如基于動力指紋方法須進行結構的模態識別，而要識別出結構模態必須要大量的傳感器系統。因此，目前國內外現有的橋梁監測系統安裝有幾百甚至上千個傳感器，耗資巨大，根據現有統計，其耗資達到整個橋梁建設的0.5％-2％。且測得的數據量巨大，如何處理監測海量數據是當前結構健康監測領域遇到的一大難題。當前橋梁健康監測系統數據沒有得到充分應用，甚至形成了“海量垃圾數據”的局面。

總的看來，橋梁結構安全監測技術的開發尚屬于基礎性的探索階段，距離實際工程應用有一定的差距，而其中一個關鍵原因是：監測系統安裝的測點(傳感器)繁多，耗資巨大，形成的海量數據難以處理。基于以上背景，目前亟待提出一種只需在橋梁上安裝兩個傳感器來測量橋梁的響應，分析這兩個傳感器信號進行橋梁的損傷診斷和定位的方法，以大大降低傳感器的使用量，解決測點過多，耗資巨大等問題。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決現有技術中的上述缺陷，提供一種利用雙傳感器進行梁式橋梁結構損傷定位的方法，該方法只利用安裝在移動車輛荷載作用下的梁式橋梁上的兩個傳感器，根據兩個傳感器所測加速度信號的互相關函數來診斷和定位橋梁損傷。

本發明的目的可以通過采取如下技術方案達到：

一種利用雙傳感器進行梁式橋梁結構損傷定位的方法，所述方法包括:

s1、在橋梁上任意兩個不同位置分別安裝加速度傳感器a和加速度傳感器b，安裝方向為垂直于橋面方向；

s2、測量車輛荷載經過橋梁時的加速度響應，分別得到加速度傳感器a和加速度傳感器b的測點加速度信號a(t)、b(t)；

s3、定義移動時間窗口，窗口長度為：

其中，f為橋梁基頻，fs為采樣頻率；

s4、利用定義的移動時間窗口對兩個測點加速度信號a(t)、b(t)從t＝0開始進行同步信號截取，對窗口內的兩段信號進行互相關計算，得到窗口內兩段信號的相關系數：

其中，i為截取的第i段信號，n為原信號的總長度，窗口從t＝0開始進行截取，因此第一次截取時i＝1；

s5、計算窗口內信號的損傷特征量指標k：

其中r^d為橋梁損傷狀況下加速度傳感器a和b信號的窗口內互相關系數，r^u為橋梁完好狀況下加速度傳感器a和b信號的窗口內互相關系數；

s6、在所測信號的時間軸上移動時間窗口，移動步長為δt，δt為信號的采樣時間間隔，每移動一次窗口，重復s4和s5所述過程，得到損傷特征量指標k的時間序列，其長度為n-l；

s7、通過損傷特征量指標k曲線定位梁式橋梁結構損傷。

進一步地，所述步驟s7、通過損傷特征量指標k曲線定位梁式橋梁結構損傷的過程如下：

s71、根據所述損傷特征量指標k的時間序列繪制所述損傷特征量指標k曲線；

s72、通過所述損傷特征量指標k曲線的最大峰值位置確定車輛經過損傷位置的時刻；

s73、通過車輛速度乘于車輛經過損傷位置的時刻，即把時間軸換算成空間位置軸，從而確定梁式橋梁結構損傷的位置。

進一步地，所述橋梁基頻f通過對測得的加速度信號a(t)、b(t)進行fft變換獲得。

本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果：

1)本發明只需用到兩個傳感器數據，就能定位橋梁損傷位置，降低了傳感器的數量和成本。

2)本發明提出的方法，操作簡單，計算快捷，橋梁結構損傷定位效果明顯。

附圖說明

圖1是本發明中公開的利用雙傳感器進行梁式橋梁結構損傷定位的方法流程圖；

圖2是實施例中梁式橋梁模型簡圖；

圖3是實施例中測得的加速度信號及移動窗口示意圖；

圖4是實施例中所測加速度信號的頻譜圖；

圖5是實施例中橋梁損傷10％時指標k的曲線圖；

圖6是實施例中橋梁損傷30％時指標k的曲線圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

實施例

如圖1所示，圖1為橋梁損傷定位的兩個傳感器方法的流程步驟圖，實施例中使用的鋼梁橋模型示意圖如圖2。模型梁長l為10m，采樣頻率4000hz，損傷在梁長的2/5處。具體實施過程如下：

s1、在橋梁上任意兩個不同位置分別安裝加速度傳感器a和加速度傳感器b，安裝方向為垂直于橋面方向，如圖2所示實施例中，兩個傳感器安裝位置分別為梁長的1/4處和1/2處。

s2、測量車輛荷載經過橋梁時其加速度響應，分別得到加速度傳感器a和加速度傳感器b的測點加速度信號a(t)、b(t)，如圖3所示為其中一個傳感器所測得的信號，信號長度n為2000。

s3、定義移動時間窗口，窗口長度為：

首先對s2中測得的信號進行fft變換，獲得橋梁基頻f。如圖4所示為fft變換后的頻譜圖，從圖中可得基頻f為57hz。再根據采樣頻率fs，可計算得到窗口長度為l＝4000/57＝70.17,取整為70。

s4、利用定義的窗口對兩個測點加速度信號a(t)、b(t)從t＝0開始進行同步信號截取，對窗口內的兩段信號進行互相關計算，得到窗口內兩段信號的相關系數：

其中，i為截取的第i段信號，n為原信號的總長度，即為2000。窗口從t＝0開始進行截取，因此第一次截取時i＝1。

s5、計算窗口內信號的損傷特征量指標k：

其中r^d為橋梁損傷狀況下加速度傳感器a和b信號的窗口內互相關系數，相對應的，r^u為完好狀況下a和b信號的窗口內互相關系數。

s6、在所測信號時間軸上滑動s3定義的窗口，如圖3所示，移動步長為δt，δt為信號的采樣時間間隔。每移動一次窗口，重復s4和s5所述過程，得到損傷指標k的時間序列，其長度為n-l，即2000-70＝1930。

s7、通過損傷特征量指標k曲線定位損傷。

該步驟具體過程如下：

s71、根據損傷特征量指標k的時間序列繪制損傷特征量指標k曲線；

s72、當移動時間窗口移動到車輛剛好經過橋梁損傷位置時，損傷特征量指標k曲線出現峰值，通過損傷特征量指標k曲線的最大峰值位置來確定車輛經過損傷位置的時刻。

s73、用車輛速度乘于車輛經過損傷位置的時刻，即把時間軸換算成空間位置軸，從而確定損傷位置。

如圖5為橋梁損傷10％的k值曲線，圖6為橋梁損傷30％的k值曲線，從圖5和6曲線峰值判斷出，橋梁損傷位置為0.4，即梁長的2/5處，準確定位了橋梁的損傷。

綜上所述，該實施例公開的梁式橋梁結構損傷定位的方法只利用安裝在移動車輛荷載作用下的梁式橋梁上的兩個傳感器，根據兩個傳感器所測加速度信號的互相關函數來診斷和定位橋梁損傷。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。