基于健康監測數據的高鐵大型橋梁性能評定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及橋梁工程檢測領域，具體為基于健康監測數據的高鐵大型橋梁性能評 定方法。
【背景技術】
[0002] 隨著超大型橋梁的不斷發展，相應橋梁在運營中檢測評定的工作要求也越來越 高，傳統以人工檢測評估為主的方法難以適應超大型橋梁檢測評定需要。在此背景下，橋梁 結構健康監測系統也不斷得到發展，并成為結構領域的研究熱點之一。橋梁健康監測系統 通過在橋梁上設置各類傳感器、信號傳輸設備等，對周圍環境參數以及橋梁結構各類動態 響應進行實時自動化的動態監測，并在監測數據的基礎上對橋梁結構的承載能力、構件損 傷等問題作出實時評估與安全預警。
[0003] 隨著高速鐵路大型橋梁的不斷發展，為保證高速列車安全平穩通行橋梁，對橋梁 結構的振動、動態變形、局部疲勞受力、行車舒適性等運營性能提出更高的要求。而目前， 高速鐵路橋梁均采用白天高密度連續行車，在夜間24點~凌晨4點的"天窗時間"采用傳 統的方法進行人工為主的檢查養護，存在著檢查盲區，特別是高鐵橋梁采用的新材料、新結 構、新設備，檢查質量難以保證。因此健康監測系統是解決目前高速鐵路大型橋梁檢測評估 的重要途徑之一，與此同時，在高速鐵路大型橋梁的健康監測系統中，除對結構損傷、承載 能力進行監測外，更關注橋梁的高速列車運行安全性能的監測與評估。
[0004] 現有技術一的技術方案
[0005] 既有公路大型橋梁及普速鐵路的健康監測系統中，更多關注橋梁的承載能力，以 損傷識別、損傷指標等進行橋梁損傷位置、損傷程度等評定與預警。
[0006] (1)橋梁損傷識別與修正的發展歷程
[0007] 早在20世紀60年代，在航空航天、機械工程界就已經開始采用動力數據來評估結 構的完整性，隨后引起了土木工程領域的關注。近幾十年來，試驗模態分析理論技術以及一 些先進的動力測量分析儀器設備的不斷發展，為既有工程結構獲取準確的模態參數及動力 響應參數提供了強有力的保障。正是在此背景下，基于動力測試的損傷檢測評定方法得以 迅速發展。與傳統的檢測手段相比，動力檢測的優點在于無損、測試便捷、可不中斷交通并 能夠從總體上把握結構的狀態。近二十多年來，動力法損傷檢測與評估已經成為國內外學 者密切關注且研究得非常活躍的課題。
[0008] 基于動測參數的損傷準則及指標法如頻率變化平方比、模態置信準則（MAC)、曲率 模態法、柔度矩陣差、模態應變能（MSE)等這方面的研究相對較早，并不斷得到發展。此類 損傷準則與指標法均可以采用數值仿真識別的方法得到良好驗證，但此類方法不足之處是 需要大量而又必須精確的實測數據。之后，神經網絡、遺傳算法、小波變換、Hilbert-Huang 變換、數據融合等算法與工具陸續被引入損傷識別中，豐富并發展了損傷識別理論與方法。 相關損傷識別的研究內容越來越廣泛，其中測試信號處理、測試數據處理、動力測試誤差降 低措施、動力測點優化布置以及在健康監測中的應用等均為損傷識別領域重要的分支內 容。在各類研究方法中，基于模態參數的優化反演類損傷識別算法及模型修正一直是其中 的重要組成部分。
[0009] (2)基于模態參數的模型修正理論與算法
[0010] 橋梁結構依據實測動力參數進行有限元模型修正亦可實現損傷識別。Berman早在 1983年就通過最小化加權質量、剛度誤差的范數，以參數矩陣的對稱、正交性及剩余模態向 量為零作為約束條件，修正了質量矩陣和剛度矩陣。隨后，特征值和特征向量的靈敏度計算 方法被運用于結構局部損傷特征的研究。Bicanic&Chen采用高斯-牛頓最小二乘法或直 接迭代法進行模型修正來識別結構損傷，結果表明只需要少數幾階固有頻率測試數據即能 獲得較好的識別結果。張啟偉等以江陰長江公路大橋為工程背景，研究了利用現場的環境 振動測量值進行懸索橋結構的有限元模型修正。宗周紅，高銘霖，夏樟華系統深入研究連 續剛構橋有限元模型修正問題，修正模型有效應用于橋梁健康監測中的損傷診斷和安全評 估。李正，李忠獻對混凝土材料模型進行修正，有效進行了混凝土結構循環受力下的受力行 為研究，并研究了其在高墩地震損傷識別中的應用。余嶺及徐鵬提出一重基于連續優化蟻 群算法（CAC0)的結構多損傷識別方法，為損傷識別約束優化算法擴展了新的研究手段。戰 家旺及夏禾等人[提出一種基于損傷靈敏度的利用橋梁結構在車輛荷載作用下在線動力響 應評估結構性損傷的方法，拓寬了基于動力測試的損傷識別方法。林賢坤，張令彌等人針對 預應力連續箱梁橋，利用實數編碼加速遺傳算法，基于環境激勵模態試驗的前7階模態參 數，對該橋初始有限元模型進行修正，取得良好效果。張石磊，陳少峰等人基于正演分析法 依據少量測量數據的情況下對一鋼桁架模型進行模型參數修正，并總結出了一套適用于大 型復雜結構模型修正的方法并給出計算步驟。王蕾，郁勝等人基于徑向基神經網絡以模態 分析頻率作為輸入向量對某預應力混凝土大跨剛構-連續梁橋有限元模型進行修正，得到 能更真實地反映結構的物理狀態的結構有限元模型。韓芳，鐘冬望等人提出一種基于信息 融合和貝葉斯理論的模型修正方法，該方法充分利用先驗信息，迭代計算量較小，可推廣至 大型復雜非線性結構。祁泉泉，辛克貴針對不完備復模態條件下有限元結構模型修正結果 的不唯一性，利用添加質量塊和未添加質量塊2組模型的動力試驗數據和質量矩陣差，結 合差分概念，推導了一種新的模型修正算法。
[0011] 袁愛民，戴航等人考慮到了橋梁結構邊界條件約束和參數靈敏度，以實測模態參 數對一斜拉橋進行有限元模型修正，研究認為邊界條件剛度應當作為修正參數，其修正結 果反映了橋梁的實際情況。施洲等在基于模態參數的損傷研究中中提出應用約束優化反演 方法進行橋梁結構模型的邊界條件修正，以及邊界條件與構件彈性模量的聯合修正，還初 步討論了考慮邊界條件變異的橋梁結構損傷識別。
[0012] (3)大型公路橋梁健康監測系統的發展
[0013] 目前，大型公路橋梁等結構的健康監測系統不斷得到發展，并成為結構領域的研 究熱點之一。橋梁健康監測在監測內容、監測傳感器、測點優化布置、監測信號處理、評定算 法等方面取得良好進展。但在當前的健康監測系統中，限于監測測點數量、監測信號噪聲干 擾等眾多因素，基于健康監測數據的橋梁損傷識別理論與算法、橋梁技術狀況指標等方面 仍存在諸多困難。
[0014] 現有技術一的缺點
[0015] 在目前健康監測系統主要應用于大型公路橋梁中，限于監測測點數量、監測信號 噪聲干擾等眾多因素，基于健康監測數據的橋梁損傷識別理論與算法、橋梁技術狀況指標 等方面仍存在諸多困難。目前既有的大型公路橋梁健康監測系統的工程實際應用表明，除 了有效監測到一定數量的數據外，后續的橋梁分析評定等工作實用性相對較差。既有大型 公路橋梁健康監測系統的橋梁性能評定存在具體問題如下：
[0016] 1)現有橋梁健康監測系統更多關注橋梁損傷識別、承載力安全，因而也不適合高 速鐵路大型橋梁更多關注高速列車通行橋梁時的運營安全性；
[0017] 2)限于實測數據的數量與誤差等，監測系統尚不能有效實現橋梁結構與構件的損 傷與否、損傷程度、損傷定位的識別，尚未能有效對橋梁結構的承載能力及橋梁的適用性作 出進行評判；
[0018] 3)健康監測評定方法、結論等與傳統的公路、鐵路橋梁檢測評定以及承載能力評 定等亦不能有效銜接；
[0019] 4)健康監測系統未能實現在橋梁性能評定的基礎上對橋梁的養護維修提出有效 的養護維修決策建議。
[0020] 現有技術二的技術方案
[0021] 高速鐵路大型橋梁仍然以傳統的方法進行檢測與評估，按照《高速鐵路橋隧建筑 物修理規則（試行）》（TG/GW114-2011)、《高速鐵路橋梁運營性能檢定規定（試行）》（TG/ GW209-2014)等進行傳統的以人工檢測、評定為主。以"期性檢查、臨時檢查、水文觀測、 專項檢查、檢定試驗等"為內容的檢查制度，并對照相應的《高速鐵路橋隧建筑物狀態評定 標準》評定尚速鐵路橋梁結構技術狀態。
[0022] 現有技術二的缺點
[0023]目前的高速鐵路橋梁主要依據《高速鐵路橋隧建筑物修理規則（試行）》（TG/ GW114-2011)、《高速鐵路橋梁運營性能檢定規定（試行）》（TG/GW209-2014)等進行常規檢 測養護，基本參考普通鐵路的管養方式進行，以傳統的人工檢測為主，在高速鐵路線路白天 運營"夜間24點~凌晨4點維護"的特定條件下，檢測工作耗費大量的人力與物力，并存在 檢測評定效率低、評定準確性弱等問題。
【發明內容】
[0024] 本發明的目的在于提供一種基于健康監測數據的高鐵大型橋梁性能評定方法，針 對目前高速鐵路大型橋梁檢測評定中存在"夜間天窗"人工檢測、檢測評定效率低、準確性 弱等問題，以及目前現有大型橋梁健康監測系統中因測點數量有限、測試噪聲影響而導致 的損傷識別、橋梁性能評定困難等問題。
[0025] 為了解決以上問題，本發明采用的技術方案如下，一種基于健康監測數據的高鐵 大型橋梁性能評定方法，包括以下步驟：在高鐵橋梁上優化布置自動化的傳感器硬件設備 系統，實現自動化的數據采集，對實測數據依次進行初步降噪處理、時域統計處理及頻域處 理后，基于健康監測數據進行