一种基于归一化车辆轴重时程监测的桥梁损伤定位方法

摘要

本发明属于结构安全性检测领域，公开了一种基于归一化车辆轴重时程监测的桥梁损伤定位方法。方法包括：(1)在运营状态下采集多个轴距相同的双轴车辆单独行驶过桥梁时的桥梁支座处转角响应数据及车辆轴距和车速信息；(2)运用最小二乘QR分解递推算法根据实测转角响应和标定影响线计算平均归一化轴重时程；(3)根据车辆前轴经过损伤时造成的轴重时程的突变进行损伤定位。本发明利用运营状态下多个轴距相同的随机双轴车辆计算平均归一化轴重时程来进行桥梁损伤定位，方法鲁棒性和损伤定位精度较高。同时不需要中断交通，可用于对桥梁结构的长期健康监测，具备良好的工程应用前景和较大的发展潜力。

说明书

技术领域

本发明属于结构安全性检测领域，具体涉及一种基于归一化车辆轴重时程监测的桥梁损伤定位方法。

技术背景

近年来，桥梁的数量不断增多，由于超载所导致的桥梁健康事故屡屡发生，所以如何精确的定位桥梁损伤并进行损伤监测对于桥梁健康状态的评估以及运营维护管理等方面都具有重要意义。

目前的桥梁损伤识别方法主要分为基于结构动力性能指标和基于结构静力响应两类。前者主要是基于固有频率、模态振型、阻尼和频率响应函数变化的损伤检测法，已经取得了一定的实际应用效果，但是其存在需要传感器数量多和受环境噪声影响大等不足。而基于影响线等结构静力响应的损伤检测方法具有信噪比高的优点，同时采用影响线可以大大减少传感器的数量，近年来得到了广泛的发展。但是大部分方法为对桥梁的检测方法，其有一定的时效性，所以不能实现对桥梁损伤的监测。

影响线的另一个方面的重要应用是桥梁动态称重(BWIM)技术，它能够长时间记录过往车辆的信息。这些信息能够反映桥梁结构状况，是桥梁健康监测的重要手段。它利用全桥作为称重设备，利用车辆移动时某一点的响应曲线即可计算出车辆的重量分布。

在利用BWIM技术的桥梁损伤识别方面，Daniel等指出当桥梁发生损伤时，继续使用标定影响线会识别错误的轴重，利用BWIM系统识别的车辆总重与 WIM系统测得的车辆总重的误差大小可以作为损伤识别指标，这给桥梁损伤的实时监测提供了可能。

传统的基于影响线的损伤识别方法均需要获取损伤后影响线，这是利用已知轴重的试验车辆通过桥梁的实测响应反算得出的，需要中断交通，且获取的实测响应数量少导致其受随机误差的影响较大，不利于对桥梁损伤的监测。而基于BWIM的损伤识别方法一般是对BWIM数据进行统计分析，由于BWIM 数据通常是识别的车辆荷载，它反映的是桥梁的整体结构信息，不能反映局部结构信息，所以这些方法一般可以判别桥梁是否发生损伤，但很难对局部损伤进行精确定位。因此，本发明提出了一种基于归一化车辆轴重时程监测的桥梁损伤定位方法。

发明内容

本发明的目的是对桥梁局部损伤进行精确定位，提供了一种基于归一化车辆轴重时程监测的桥梁损伤定位方法。

本发明的技术方案：

一种基于归一化车辆轴重时程监测的桥梁损伤定位方法，步骤如下：

步骤1，在运营状态下，采集多个轴距相同的双轴车辆单独行驶过桥梁时的桥梁支座处转角响应数据及车辆轴距和车速信息；

(1.1)在运营状态下，利用布设在桥梁一端支座处的倾角仪不间断地收集桥梁端部转角响应，并通过BWIM系统的车轴检测装置识别桥上行驶车辆的车速、轴数和轴距；

(1.2)根据采集到的桥梁端部转角响应数据，从中截取出双轴车辆单独行驶过桥梁时的桥梁端部转角响应数据，每一组数据长度N与采样频率f和车速v 的关系见下式，其中，L为桥梁长度；并且要求两个响应点的间距小于车辆的轴距d；

再根据车辆轴距大小对其进行分组，选择车辆数量相对较多且轴距较小的一组数据进行分析计算；

步骤2，运用最小二乘QR分解递推算法，根据实测转角响应和标定影响线计算平均归一化轴重时程；

(2.1)将截取出来的转角响应数据乘上各自的车速从而进行时空转换，使响应点和车辆前轴在桥梁上的位置一一对应；采用车辆刚上桥时的少量响应和对应的标定影响线值计算车辆的初始轴重；多轴车辆荷载与响应的关系表示为：

θ＝IL·P

其中，θ表示实测转角响应；P表示车辆轴重，IL表示标定影响线值；利用QR分解求解此超定问题，获得车辆的初始轴重；

其中，Q和R分别表示对标定影响线矩阵进行QR分解后获得的正交矩阵和上三角矩阵；

(2.2)假设步骤(2.1)中的轴重是利用前k次转角响应进行求解的，则k+ 1时刻的标定影响线矩阵和转角响应矩阵分别为：

其中：θ(k+1)为新增转角响应；X

P

(2.3)利用全部转角响应识别车辆轴重作为归一化参数

其中，l表示的是车辆编号，从1–a；a是车辆总数量；i表示的是车辆第i 轴；然后，对所有车辆的归一化轴重时程的各点求均值得到平均归一化轴重时程；

步骤3，根据车辆前轴经过损伤时造成的轴重时程的突变进行损伤定位

双轴车辆的各轴经过损伤时均会在轴重时程上造成一个突变，车辆前轴经过损伤位置造成的轴重时程的突变处用来进行损伤定位，其对应的桥梁位置即为损伤位置。

本发明的有益效果：

(1)本发明的桥梁损伤定位方法具备严格的理论基础，通过结合先进轴重识别算法，利用运营状态下的多个随机双轴车辆共同识别的归一化轴重时程即可实时识别损伤，其不受车辆轴重的影响，可以显著降低噪声等随机误差带来的影响，损伤定位具有较高精度。

(2)本发明的桥梁损伤定位方法不需要已知车辆重量，利用运营状态下的随机双轴车辆即可实时识别损伤，不需要中断交通。可以实现对桥梁健康状况的实时监测，具备良好的工程应用前景和较大的发展潜力。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明方法实施例中模拟的简支梁模型；

图3为本发明方法实施例1中考虑不同噪声水平下的识别结果；

图4为本发明方法实施例1中考虑不同损伤长度的识别结果(3％噪声)；

图5为本发明方法实施例1中考虑不同损伤程度的识别结果(3％噪声)；

图6为本发明方法实施例1中考虑双损伤的识别结果(3％噪声)。

具体实施方式

下面结合附图和一个数值算例来对本发明做进一步的详细说明。

本发明的桥梁损伤定位方法分“在运营状态下采集多个轴距相同的双轴车辆单独行驶过桥梁时的桥梁支座处转角响应数据及车辆轴距和车速信息”、“运用最小二乘QR分解递推算法根据实测转角响应和标定影响线计算平均归一化轴重时程”和“根据车辆前轴经过损伤时造成的轴重时程的突变进行损伤定位”三步，接下来结合一个算例说明本发明的使用方法。

实施算1：简支梁的损伤定位

本算例假定多个轴距为4.2m但轴重随机的双轴车辆自左向右依次通过简支梁，梁长20m，弹性模量为206×10

在对简支梁虚拟加载后，按本发明所介绍的方法求解平均归一化轴重时程，采用1000辆轴重不同轴距相同的双轴车辆。分别考虑了不同噪声水平、不同损伤长度、不同损伤程度和双损伤对损伤定位的影响，结果如图3至图6所示，算例中各图所对应的损伤工况见表2。

从结果来看，本发明所提方法受噪声影响较小，鲁棒性高。采用平均归一化轴重时程定位损伤精度较高，其不受车辆轴重的影响，对于简支桥梁单损伤和多损伤均能精确定位。采用运营状态下的随机双轴车辆即可用于桥梁的损伤定位，可以实现对桥梁健康状况的实时监测。

表1双轴车辆的轴重分布

表2损伤工况