一种基于日温度效应的桥梁损伤在线监测方法

摘要

本发明公开了一种基于日温度效应的桥梁损伤在线监测方法，包括对桥梁在线监测系统的应变测量数据进行处理，得到日温度应变响应；其次，计算不同传感器之间的日温度响应的相位差，并根据日温度响应的幅值变化，判断桥梁损伤位置及损伤程度。本发明利用日温度作为强迫激励源，即桥面在日温度作用下的热胀冷缩运动，由于日温度变化周期缓慢，因而可以大大降低监测系统的采样频率，从而降低系统的软硬件成本；另外，采用日温度响应的相位差来判断损伤，能有效弥补应变传感器测量范围有限的缺陷，提高损伤判别的准确性；基于上述两个特点，本发明贴近工程，非常适合在桥梁在线检测系统中应用。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁状态监测技术领域，具体为一种基于日温度效应的桥梁损伤在线监测方法。

背景技术

随着我国经济发展，基础建设的投入力度和发展规模越来越大，相应地，结构安全问题也凸显出来，其中桥梁结构的安全性得到了普遍的重视。

桥梁工程往往具有投资大、设计周期长、使用环境恶劣，易受周围大气、温度、湿度及天气的影响而发生劣化以及长期承受动荷载等特点，对桥梁结构的安全进行检测和评估就显得非常必要。按照相关规范，桥梁结构的责任方需要定期组织专业人员对桥梁进行检测并评定出桥梁的安全等级，其检测方法主要是根据现场勘查的结果进行打分评定，这种做法很大程度上依赖评定者的主观因素。为了减小人的主观性，增加安全评估的准确性，目前在桥梁检测中，有一些采用了现代光学、超声波、电磁等技术手段对桥梁的力学性能和工作性能进行检测，但这些技术只能提供局部的检测和诊断信息，而不能提供整体和全面的全桥结构健康检测和评估信息，并且这些检测方法很难能够做到在线的连续实时监测。

综合监测是桥梁检测的发展方向。融局部于整体检测技术于一体、集实时与自动监测功能于一身的桥梁综合监测系统的应用，适应了对桥梁工作状态监控及整体安全性评估的需要。随着人们对桥梁结构安全性和耐久性的重视程度不断提高，桥梁综合监测技术得到迅速发展，目前世界上一些桥梁上已安装了多种测试设备对桥梁进行监测。

对综合监测得到的、满足一定条件的测试数据进行处理可以得到若干桥梁结构的固有特征量，这些特征量反映了桥梁本身的固有特性，与外部因素（如温湿度、风、车辆荷载等）无关，只有在桥梁结构出现损伤、病变时，这些特征量才会发生变化，因此通过实时监测这些特征量也就实时监测了桥梁的损伤、病变状态。

通常采用模态分析方法来获得这些特征量。按照结构动力学理论，桥梁结构的某一单元处的动力学模型为：

（1）

其中，分别为单元处的质量系数、阻尼系数和刚度系数，为单元受到的总外力。式（1）Laplace变换的通解为：

（2）

式（2）中的为单元处的固有频率，为单元处的衰减率。当单元处发生损伤或病害时，其质量系数一般不变，而阻尼系数和刚度系数会发生改变，从而导致固有频率和衰减率发生变化。

按照有限元分析理论，整个桥梁的动力学模型是各个单元模型的串联叠加，因此，整个桥梁结构具有无穷个固有频率，其中的低频振动部分是桥梁振动的主要部分，工程中的综合监测主要围绕着桥梁结构的低频振动信息的测量来展开，通过监测低频振动信息的变化情况来判断桥梁是否有损伤。这一思想衍生出许多损伤诊断方法，如：模态频率、坐标模态保证准则、模态曲率、模态应变能、模态柔度、残余力、频响函数等，其中，模态应变能方法对损伤的识别较为敏感。

上述各种模态分析方法都需要激励源对桥梁结构施加激励作用以获得振动信息，传统的做法是利用车辆行驶过桥面，形成一个冲击响应，进而得到桥梁的低阶模态信息，这种做法精度较高，但需要中断交通。另一种做法是把环境激励（风作用、载荷等）近似看作是白噪声激励源（即幅值为1，频率成分为无限宽的信号），通过桥梁的响应分析得到低阶模态信息，显然，这种方法的误差较大。

由式（2）可以看出，模态分析通过监测桥梁结构的动力学模型变化来判断结构是否有损伤，这种评估是全局性的，因为结构任何形式的损伤都会改变式（2）中的模型系数（），进而使固有频率发生改变。但在实际工程中，进行有效的模态分析是十分困难的：一方面，获取桥梁结构的谐振频率需要较高的硬件条件（传感器数量、布置位置，专用的频率分析仪等），另一方面，对传感器数据需要进行非常精细的处理。这些因素限制了模态分析技术在工程中的推广应用。

传统模态分析需要利用加速度传感器来进行振动分析。为了简化问题，实际工程中往往直接利用应变传感器^[5]和挠度传感器的测量数据对桥梁的状态进行评估，例如，去掉载荷效应之后，应变传感器和挠度传感器的数据不应发生大的跳变，若发生，则判断桥梁出现了结构损伤。这种做法虽然简单，但也存在一些缺陷，一方面，应变传感器对结构损伤较为敏感，但其作用范围有限，需要密集的应变传感器阵列才能有效监测损伤（或采用长标距应变传感器）；另一方面，常规的挠度传感器虽然能弥补应变传感器作用范围有限的缺陷，但它响应缓慢，不能及时敏感损伤，对小的损伤甚至侦测不到。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于日温度效应的桥梁损伤在线监测方法，就不同应变传感器，在日温度作用下的相位差能够反映结构动力学模型参数（）的变化，以解决上述背景技术中提出的应变传感器作用范围有限的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于日温度效应的桥梁损伤在线监测方法，包括以下步骤：

S1：根据桥梁监测系统的应变传感器实时监测数据，利用小波变换，提取数据中的日温度响应信号；

S2：根据处理得到的日温度响应信号，计算两传感器间的相位差和幅值差，综合两者的信息，对桥梁损伤状态进行评判。

优选的，所述步骤S1具体方法如下：

S1.1：在桥梁面下安装若干应变传感器构成测量阵列，实时监测桥梁面的应变数据；

S1.2：由于应变数据中包含车辆载荷的信息，而载荷往往在日温度响应曲线的一侧，直接对测量信号进行滤波会造成日温度响应曲线整体偏移，需进行数据预处理，即利用如下方法将载荷均与分布于日温度响应曲线的两侧：

式中为载荷判断阈值，取为，为日温度响应的波峰波谷间的差值；

S1.3：利用小波变换对数据预处理结果进行滤波，提取日温度响应数据，首先利用如下matlab语句对预处理数据进行小波分解：[C_stress,L_stress]=wavedec(stress_array,nlay,'db6');式中stress_array为预处理后的传感器监测数据；再对返回数据C_stress,L_stress进行信号重构，获得信号中的低频部分stress_low即为日温度响应：

stress_low=wrcoef('a',C_stress,L_stress,'db6',nlay);

优选的，所述步骤S2的具体方法为：

S2.1：利用日温度响应信号计算两个传感器测量信号的相位差，考虑到相位差计算的复杂性，用两个数据向量的方向余弦来代替相位差计算：

S2.2：幅值差计算，幅值差计算利用下式进行：

，数据窗口内的相对幅值差；

S2.3：综合相位差和幅值差获得损伤指标，由于且变化逻辑与相反，需将该值映射到[0,1]之间，且变化逻辑与相同：

式中的为权重因子，由于相位差在一定程度上反映了桥梁面的“扭曲”程度，具有全局属性，而幅值差则反映了桥梁面变化的局部属性，因此，权重因子一般要取得较大些，工程实例中取为0.8；

式中为损伤状态指标，当其值较大时，说明相位差和幅值差变化较大，损伤发生的可能性较大；而当值较小时，则情况相反，判断损伤状态的阈值可根据具体情况确定，一般可取0.5～1之间一个值，也可以不设定阈值，直接将、作为监测参量实时显示出来。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本基于日温度效应的桥梁损伤在线监测方法，与传统的振动模态分析方法相比，本发明利用日温度响应进行结构的损伤分析，其不需要对桥梁施加额外的激励源激发桥梁振动，也不许需要实施交通管制；而且，采样频率可以取得很低，便于系统采集和处理数据，大大降低了系统的软硬件成本。

2、本基于日温度效应的桥梁损伤在线监测方法，应变传感器日温度响应的幅值和相位的变化反映了模型参数的变化，克服了应变传感器作用范围有限的缺陷，有效提高损伤分析的准确性。

附图说明

现在参考附图对本发明作进一步描述，其中：

图1为本发明数据处理原理框图；

图2为本发明应变传感器安装示意图；

图3为本发明东川河大桥每跨一幅的传感器安装位置；

图4为本发明两应变传感器YLL442、YLL443的原始数据图；

图5为本发明从两应变传感器YLL442、YLL443中提取的日温度响应数据图；

图6为本发明两传感器日温度响应信号的相角差图；

图7为本发明两传感器日温度响应信号的幅值差图；

图8为本发明由相角差和幅值差综合得到的损伤指标图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

本发明实施例中：一种基于日温度效应的桥梁损伤在线监测方法，包括以下步骤：

第一步：建立桥梁在线监测系统，实时采集桥梁梁面的应变数据；桥梁实时监测系统主要由传感器系统、数据传输系统、数据处理系统等三个部分组成，其中，在每个箱梁上安装若干个应变传感器，传感器数据由数据传输系统采集，打包发送到数据处理系统，构成数据库；

第二步：从应变传感器数据中提取日温度响应数据；应变传感器数据信号中包含载荷响应、日温度响应、收缩徐变以及传感器本身的噪声等信号；其中，日温度响应是太阳照射引起桥梁热胀冷缩而引发的应变，其周期固定，但由于幅值变化没有规律可循，因此，在日温度响应提取时，既要考虑载荷响应、噪声等信号的滤除，还要兼顾日温度响应信号的信息损失，同时，由于本发明是基于相位差来判别损伤的，而传统的滤波方法或多或少地会造成相位变化，因此，日温度响应数据的提取方法只能采用奇异值分解法（SVD）或小波分解（wavelet）等方法，在本发明采用小波分解方法提取日温度响应数据；

假设某两个应变传感器、在数据窗中的数据序列为、，数据窗的长度通常取1～3天的数据；由于载荷响应通常是叠加在日温度响应的一侧方向，因此需要对传感器数据进行预处理，使载荷响应均匀分布在日温度响应曲线的两侧；预处理方法为：

（3）

式中为载荷相应的判断阈值，可取为日温度响应的有效值，即，为日温度响应的波峰波谷间的差值，可预先根据传感器信号取定初值，待后续得到日温度响应后计算更新这个阈值；

预处理得到的经小波分解重构得到日温度响应，采用DB6小波，小波阶数取为4，变换后的低频系数为，将重构得到低频信号，由于是1～3天的数据，中包含的年温度响应、收缩徐变的缓慢变化因素可忽略不计，因此，可看作是日温度响应信号；

第三步：对日温度响应数据进行处理，得到相邻应变传感器的相位差和幅值差；按照动力学理论，对于式（1）所示的二阶系统，假设日温度激励为，则应变传感器的输出信号的拉氏变换为：

（4）

式中：为结构单元的传递函数、为日温度激励的Laplace变换，为日温度频率，即1/天；式（4）中的稳态增益为，即输出响应信号和日温度激励信号的幅值比为，的相位可以由单元的传递函数求出：

（5）

第四步：由于日温度信号的频率是固定的，因此，输出信号（即应变传感器测量信号）的幅值和相位只和单元的模型参数（）有关，当结构存在损伤时，势必会导致模型参数（）发生变化，进而影响输出信号的幅值和相位；按照模态分析理论，两个传感器之间的传递函数反映了两者之间结构物的状态，而相位差又和传递函数的变化相关联，因此相位差反映了两个传感器间结构物的状态变化，这一特点解决了应变传感器作用范围有限的缺陷；直接利用式（5）求解相位会十分繁琐，这里采用方向余弦来代替两个应变传感器日温度响应之间的相角差：

（6）

式中的即为两应变传感器间的相位差，方向余弦的值，且相角越大其值越小，为此需用下式进行转换：

（7）

幅值差则采用如下的算式计算：

（8）

即两传感器的当前测量值之差除以数据窗口内最大幅值差，以该相对差值作为幅值差参量：按照式（4）、式（5）的动力学分析结果，相位差与幅值差和结构有限元节点的动力学模型参数相关，因而相位差与幅值差则反应了两个传感器安装位置之间的结构物的传递关系，相位差和幅值差的变化情况则反应了这一传递关系的变化情况，而传递关系的变化则反映了结构物的状态变化，因此，通过监测两个应变传感器相位差和幅值差的变化情况就可以进行结构物的损伤分析。

实施例二：

基于上述实施例一描述，本发明完整的数据处理过程如图1所示，下面就框图中各部分内容作一详细介绍：

步骤一：安装应变传感器；在同一梁的跨中、1/4跨、3/4跨处安装3个相同型号的应变传感器（如图2所示）；初值校准后，将信号接入数据采集模块，由采集模块无线发送至数据平台进行处理和显示；数据采样率固定设为30分钟（由于是采集日温度效应数据，这里的采样率可适当放宽，这样可减低监测平台数据存储的要求）；

步骤二：测试数据通路；由数据平台显示传感器数据，人工判断数据采集系统是否工作正常；

步骤三：数据预处理；通常应变传感器信号包含载荷响应、温度响应、噪声等，图4给出了两应变传感器的原始信号；从信号波形中可以明显地看到载荷响应（图中毛刺信号）和日温度响应（图中周期为24小时的缓变信号），由于毛刺基本上位于日温度曲线的上侧，直接对滤波会造成日温度响应的上移，因此需要利用式（3）将毛刺均匀分布在日温度响应曲线的两侧；图2中的三个应变传感器测量信号经预处理后得到新的数据序列，其中，为数据窗长度；

步骤四：日温度信号的提取；对预处理后得到的数据进行小波变换和信号重构，采用DB6小波，分解层数nlay取为4，则小波分解可以用如下的matlab语句实现：

[C_stress,L_stress]=wavedec(stress_array,nlay,'db6');

其中：stress_array为上述三个预处理后得到的数据序列的任一个，C_stress、L_stress是返回的小波系数和小波系数长度；由返回参数C_stress、L_stress，利用如下matlab语句可以重构出数据序列中的低频部分：

stress_low=wrcoef('a',C_stress,L_stress,'db6',4);

stress_low即为提取出的日温度响应信号、、；图4中的两应变传感器测量信号经预处理、小波滤波后的日温度响应信号如图5所示；

步骤五：计算两传感器间相位差、幅值差；利用式（6）计算两个日温度响应信号、的方向余弦：

同样、间的方向余弦为：

再利用式（7）将上述方向余弦转化成相角变化参量：

利用式（8）计算两个日温度响应信号、之间的幅值差为：

同样，、之间的幅值差为：

步骤六：损伤分析；采用权重因子折衷相位差和幅值差。由于相位差反映了两传感器之间的全局信息，因此，在综合相位差和幅值差时，相位差的要取较大的权:

这里的为损伤状态指标；当其的值较大时，说明相位差和幅值差变化较大，损伤发生的可能性较大；而当值较小时，则情况相反；判断损伤状态的阈值可根据具体情况确定，一般可取0.5～1之间一个值；也可以不设定阈值，直接将作为监测参量实时显示出来。

实施例三：

基于上述实施例一、实施例二描述，以忻保高速公路的东川河大桥为例来说明本发明的损伤判断情况；该桥为6跨连续箱梁桥，在主跨第三跨、第四跨安装有4*3*2*2=48个应变传感器，其中，每跨的左幅和右幅安装位置相同（如图3所示）；

以其中的YLL442、YLL443为例，人为变更传感器的紧固状态以模拟应力状态发生改变的情形，两传感器的原始监测数据如图4所示，经预处理和小波滤波后提取的日温度响应信号如图5所示；对这两个传感器进行相位差和幅值差计算，其结果分别如图6、图7所示；最后综合出的损伤状态指标如图8所示；在图8中有一处阈值超限的地方，而该处正对应着应力传感器紧固状态变更造成相位发生变化。

综上所述：本发明提供的基于日温度效应的桥梁损伤在线监测方法，与传统的振动模态分析方法相比，本发明利用日温度响应进行结构的损伤分析，其不需要对桥梁施加额外的激励源激发桥梁振动，也不许需要实施交通管制；而且，采样频率可以取得很低，便于系统采集和处理数据，大大降低了系统的软硬件成本；另外，应变传感器日温度响应的幅值和相位的变化反映了模型参数的变化，克服了应变传感器作用范围有限的缺陷，有效提高损伤分析的准确性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。