一种大跨斜拉桥拉索阻尼器的失效监测报警方法

摘要

本发明公开了一种大跨斜拉桥拉索阻尼器的失效监测报警方法，属于桥梁结构性能监测领域技术领域，本发明包括如下步骤：(1)采集布设测点截面处的加速度响应；(2)计算不同截面的加速度功率谱；(3)进行高斯聚类分析，得到高斯混合模型；(4)获取最大功率谱值，形成最大功率谱值时程曲线；(5)建立最大功率谱值和桥梁环境温度的线性回归模型、温度归一化的最大功率谱值时程曲线；(6)进行极值分析，得到99％保证率的最大功率谱值的极大值；(7)监测脉冲突变，做出拉索阻尼器失效的报警。本发明利用主梁的加速度响应与拉索的加速度响应之间关联性，实现阻尼器失效预警，方便维护人员及时感知并及时检查。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁结构性能监测领域，具体涉及一种基于主梁加速度功率谱高斯混合模型的拉索阻尼器状态感知方法。

背景技术

斜拉桥的拉索是其关键传力路径，拉索的工作状态对斜拉桥性能影响非常大，因此常在斜拉索上加装阻尼器，通过改善其力学特征提升斜拉桥的力学性能。

阻尼器处于露天环境，受到风雨日晒的直接作用，同时承受车辆交变荷载。因此，拉索阻尼器容易产生病害与疲劳损伤，甚至直接在强风作用下被彻底破坏。为了感知阻尼器的工作性能，通常的方式是在其上安装加速度传感器，当其动力性能参数发生改变时，即可判断阻尼器的损伤情况。然而对于大跨斜拉桥而言，其拉索构件的数量较多，一作大跨斜拉桥上可达上百甚至几百根拉索。仅通过在拉索上加装传感器，成本将不可接受，因此必须探索利用桥梁多源响应数据来感知拉索状态的新技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于主梁加速度功率谱高斯混合模型的大跨斜拉桥拉索阻尼器的失效监测报警方法。

本发明的技术方案是：一种大跨斜拉桥拉索阻尼器的失效监测报警方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：在斜拉桥主梁上设置多个布设测点，布设测点具备表达斜拉桥主梁势能的作用，通过加速度传感器采集每个布设测点截面位置的加速度响应；

步骤2：计算相同时间步长下的每个布设测点处截面的加速度功率谱；

步骤3：对所有布设测点截面的加速度功率谱进行高斯聚类分析，得到以时间步长为时间区间的加速度功率谱的高斯混合模型；

步骤4：获取高斯混合模型的最大功率谱值，形成最大功率谱值时程曲线；

步骤5：建立最大功率谱值和桥梁环境温度的线性回归模型，进而剔除温度的影响，建立温度归一化的最大功率谱值时程曲线；

步骤6：对温度归一化的最大功率谱值时程曲线进行极值分析，得到99％保证率的最大功率谱值的极大值；

步骤7：当监测的最大功率谱值时程曲线产生一个脉冲突变，超过了步骤6得到的极大值就做出拉索阻尼器失效的报警。

进一步的技术方案，步骤1中采集斜拉桥主梁主跨跨中、主跨1/4跨、主跨1/8跨和边跨跨中的加速度响应。

进一步的技术方案，步骤2中的时间步长取1min。

进一步的技术方案，步骤2中需要计算数据加速度功率谱，计算方法为PSD或LPSD或DPSD等算法。

进一步的技术方案，步骤5获取回归模型的方式为最小二乘或机器学习与深度学习等回归技术。

进一步的技术方案，将步骤6中的最大值设置为预警阈值，根据桥梁的特点调整预警阈值的偏差范围。

本发明的有益效果：

作为于拉索直接连接的结构，斜拉桥主梁的加速度响应与拉索的加速度响应有很强的关联性，当拉索工作状态突发失效事件时，必定引起拉索的异常振动，进而在斜拉桥主梁动力参数上得到反应。因此可以利用斜拉桥主梁动力参数的异动识别拉索阻尼器的失效，实现对桥梁管养。

本发明中利用斜拉桥主梁状态识别拉索阻尼器异常失效，通过将阻尼器引起的桥梁加速度异常振动信息放大，同时消除环境温度对桥梁构件固有频率的影响，提取联合信息性能表征值，最终得到表征阻尼器性能异常失效的预警阈值，实现桥梁构件损伤事件报警。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)信息倍增：利用高斯混合聚类，联合使用所有主梁加速度传感器的信息，将拉索异常振动传递到主梁的较小信号峰值进行倍增，基于主梁振动信息反演拉索阻尼器异常事件的基本信息保证；

(2)特征数据精度高：将主梁加速度信息转换为功率谱值，能有效降低加速度数据离散型带来的不确定性；通过建立功率谱特征值与温度信息的相关性模型，去除温度效应带来的漂移误差；采用99％保证率确定阈值，确保告警系统具备相当高的可靠性。

附图说明

图1为本发明方法的算法流程图，

图2为本发明方法计算所得主梁加速度1min区间数据的功率谱，

图3为本发明方法所得各主梁加速度传感器功率谱联合信息的混合高斯聚类模型，

图4为本发明方法所得高斯聚类模型峰值时程曲线，

图5为利用高斯聚类峰值时程数据与温度数据所得回归模型，

图6为利用回归模型输出回归值去除温度效应后的功率谱峰值数据，

图7为利用归一化峰值时程数据进行的概率统计极值分析，

图8为利用归一化峰值时程数据与极值分析所得阈值进行的失效告警。

具体实施方式

下面通过非限制性实施例，进一步阐述本发明，理解本发明。

如图1所示为本方法的流程图，具体包括如下步骤：

步骤1：利用桥梁监测系统布设的加速度传感器采集斜拉桥主梁主跨跨中、主跨1/4跨、主跨1/8跨和边跨跨中的加速度响应；

步骤2：将采集到的各个主梁加速度传感器数据以1min为时间区间，进行分段，然后采用PSD算法对每段数据进行功率谱计算，得到所有传感器的1min间隔功率谱数据；

步骤3：对所有截面的加速度功率谱进行组合，然后进行高斯聚类分析，得到主梁以1min为时间区间的振动功率谱高斯聚类模型；

步骤4：取每分钟的高斯混合模型的最大功率谱值，形成最大功率谱值时程曲线；

步骤5：将桥梁环境温度同样以1min时间长度进行分段，取每段数据的平均值，获取1min间隔的环境温度时程数据，将环境温度时程数据与步骤4所得最大功率谱时程数据进行线性回归分析，获得表达两者关联的线性回归模型；再用步骤4所得功率谱最大值时程数据减去线性回归模型所得的回归值，得到归一化的功率谱最大值时程曲线，剔除功率谱最大值中的环境温度作用；

步骤6：对温度归一化的最大功率谱值时程曲线进行极值分析，得到99％保证率的最大功率谱值的极大值，以此极大值作为预警阈值；

步骤7：当监测的最大功率谱值时程曲线产生一个脉冲突变，超过了极大值就做出拉索阻尼器失效的报警。

实施例1：

以黄冈公铁两用斜拉桥的温度监测数据与主梁挠度的监测数据为基础，说明本发明的具体实施过程。

(1)建立黄冈公铁两用斜拉桥加装的桥梁结构健康监测系统，收集主跨跨中、主跨1/4跨、主跨1/8跨和边跨跨中截面的主梁加速度，这些加速度数据是数据驱动的基础；

(2)以1min为时间区间，对采集到所有加速度时程数据分段处理，并对每一段数据均进行一次功率谱分析计算，通过该方法获得的某一1min内计算所得四个传感器功率谱示意图如图2所示；

(3)对四个截面加速度传感器的功率谱分析数据进行组合，然后对联合数据进行高斯聚类分析，聚类模型如图3所述；

(4)取图3聚类模型的极值，得到每1min时间区间的联合信息的功率谱峰值，从而获得主梁加速度的高斯聚类分析的峰值时程曲线，如图4所示为一段时间内的峰值时程曲线。

(5)对监测系统获得的桥梁环境温度也进行1min区间分段处理，并取每分钟平均值作为环境温度荷载代表值，获得环境温度的1min间隔时序数据，运用图4所示最大功率谱值数据和桥梁环境温度建立线性回归模型，进而剔除温度的影响，建立如图5所示的温度归一化的最大功率谱值时程曲线；

(6)如图6，对温度归一化的最大功率谱值时程曲线进行极值分析，得到99％保证率的最大功率谱值的极大值，以此极大值作为预警阈值；

(7)当监测的最大功率谱值时程曲线产生一个脉冲突变，代表拉索阻尼器突发失效，将引起拉索异常传递至主梁，因此主梁振动功率谱的高斯聚类极值将超过图7所得极值，进而可以实现拉索阻尼器失效的报警；如图8，即为一次阻尼器失效报警实例。

以上实施例仅是对本发明方案的进一步具体说明和示例，在阅读了本发明实施例之后，本领域普通技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均属于本发明申请权利要求所限定的保护的范围。