CN109506615A - 基于梁式桥横截面中性轴安全指标的长期监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于梁式桥横截面中性轴安全指标的长期监测方法，包括：步骤S1：在桥梁监测截面顶底部设计安装长标距支架辅助的动应变计，并接收采集得到的桥梁的结构应变；步骤S2：对所采集的动应变信号进行一次检索和预处理以消除数据中的噪声和干扰；步骤S3：基于设立的阈值区间，提取同一活载引起的幅值超过阈值区间的波峰值和波谷值组成二元数组，得到应变响应幅值；步骤S4：基于平截面假定拟合应变分布，计算得到中性轴指标；步骤S5：对一段时间内的中性轴指标进行数据集成，使用统计模型分析其分布特征，判断结构安全。与现有技术相比，本发明具有针对性强、长期性能稳定、易推广等优点。

Description

基于梁式桥横截面中性轴安全指标的长期监测方法

技术领域

本发明涉及结构安全监测领域，尤其是涉及一种基于梁式桥横截面中性轴安 全指标的长期监测方法。

背景技术

梁式桥，在公路桥梁中占据着不可撼动的主体地位。随着桥梁服役年限的增加，大批新建桥梁正逐渐进入“老龄化”阶段，并不可避免地发生着各种形式的结构退 化。可见，开展梁式桥在运营状态下的安全监测研究是刻不容缓的。通过甄选合理、 通用的安全指标进行长期监测，可以有效地把握目标桥梁的结构退化过程，从而研 判目标的桥梁的安全储备，并进行预防性养护。

桥梁应变监测在工程实践中曾饱受诸多问题的困扰。例如，传统应变计监测结 构点应变，空间分辨率太低，导致损伤识别率不足，同时受扰环境温度的影响，应 变信号会随时间变化产生漂移，因此导致传统的监测方式并不能很准确地反映设计 的结构状态。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种将点应变转 化为宏应变，同时过滤干扰的低成本、高实用性的基于梁式桥横截面中性轴安全指 标的长期监测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于梁式桥横截面中性轴安全指标的长期监测方法，包括：

步骤S1：在桥梁监测截面顶底部设计安装长标距支架辅助的动应变计，并接 收采集得到的桥梁的结构应变；

步骤S2：对所采集的动应变信号进行一次检索和预处理以消除数据中的噪声 和干扰；

步骤S3：基于设立的阈值区间，提取同一活载引起的幅值超过阈值区间的波 峰值和波谷值组成二元数组，得到应变响应幅值；

步骤S4：基于平截面假定拟合应变分布，计算得到中性轴指标；

步骤S5：对一段时间内的中性轴指标进行数据集成，使用统计模型分析其分 布特征，判断结构安全。

所述步骤S2具体包括：

步骤S21：设定信号时窗长度；

步骤S22：获取设定的信号时窗长度内各通道采集的应变计的传感器信号时程 曲线；

步骤S23：对每个通道的应变数据，使用小波分析将其分解为细节成分与估计 成分；

步骤S24：抽取满足平滑要求的估计成分重构为该通道的滤波结果。

所述步骤S3具体包括：

步骤S31：提取超出幅值超过预设定的阈值区间的波峰值和波谷值；

步骤S32：根据波峰值和波谷值的对应关系，将由同一活载激励引起的波峰值 和波谷值组成二元数组；

步骤S33：将每个二元数组的波峰值和谷波值的差值作为该二元数组所对应的 活载激励下的应变相应幅值。

所述步骤S4具体为：综合同一截面不同高度测得的应变响应幅值，根据平截 面假定，线性拟合得到该截面的应变分布，以应变零点对应位置为中性轴指标，作 为结构安全指标。

若同一截面在不同高度处共安装了两个应变计传感器时，中性轴指标为：

其中：y_b为中性轴指标，ε_b为底部传感器测得应变，ε_t为顶部传感器测得应变， h为两个传感器的竖向距离。

若同一截面在不同高度处共安装了超过两个应变计传感器时，所述步骤S4具 体包括：

步骤S41：获取各传感器测得的应变以及传感器的位置信息；

步骤S42：线型拟合得到的应变，确定唯一的拟合直线：

y＝kx+y_b

其中：y_b为中性轴指标，y为截面上任一点距截面底部的距离，x为该点的正 应变值，k为拟合直线的斜率；

步骤S43：根据拟合直线确定中性轴指标。

所述步骤S5具体包括：

步骤S51：对一段时间内的所有中性轴监测数据进行频数统计，绘制成频率分 布直方图；

步骤S52：采用假设性检验的方法验证该数据样本是否服从正态分布，若为是， 则执行步骤S53；

步骤S53：获取该分布的均值与标准差，与历史特征参数进行比对，若变化大 于1％，则判定结构存在损伤，反之结构安全。

所述步骤S52中检验过程的显著性水平为0.01。

所述步骤S1中，设计安装动应变计过程具体包括：

步骤S11：至少选择桥梁跨中及两个四分点设为监测截面；

步骤S12：对于每一个监测截面，若其为窄截面结构，在腹板一侧顶底部设置 动应变计，若其为宽截面结构，在腹板两侧顶底部设置动应变计；

其中，传感器布设位置应远离实测中性轴位置并等距布设。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)综合了长标距应变支架的设计施工工法，动应变信号的采集和滤波技术， 基于应变的中性轴指标的推导和统计评估方法，形成了长期、稳定、可靠的评估方 案。通过安装长标距支架辅助的动应变计，便可将点应变转化为宏应变，有利于提 高早期损伤被识别的可能性。

2)通过引入应变信号的滤波和拾峰算法，可以有效地降低环境噪声和温度变 化的干扰，提高中性轴指标的准确性。

3)依此方法得到的中性轴指标特性在长期监测过程中与交通荷载时空分布无关，仅与桥梁结构状态有关，具有优秀的指示性能，为桥梁长期监测提供了一种低 成本、易推广的可行途径。

附图说明

图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；

图2(a)为长标距支架及其应变计的安装过程钻孔步骤示意图；

图2(b)为长标距支架及其应变计的安装过程注胶步骤示意图；

图2(c)为长标距支架及其应变计的安装过程植筋步骤示意图；

图2(d)为长标距支架及其应变计的安装过程安装步骤示意图；

图3为组装好的长标距支架及其应变计的结构示意图；

图4为原始应变信号与小波滤噪结果的对比示意图；

图5为对应变信号进行峰-谷值的拾取示意图；

图6为根据传感器安装高度和峰-谷值计算相应的中性轴指标示意图。

图7为中性轴的频率直方图和正态统计分布拟合示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

一种基于梁式桥横截面中性轴安全指标的长期监测方法，如图1所示，包括：

步骤S1：在桥梁监测截面顶底部设计安装长标距支架辅助的动应变计，并接 收采集得到的桥梁的结构应变；

动应变计的设计过程具体包括：

步骤S11：至少选择桥梁跨中及两个四分点设为监测截面，其他位置可根据结 构最不利弯矩分布酌情增加，例如某桥的最不利弯矩峰值位于三分点处，则可在此 处额外增加一个监测截面；

步骤S12：对于每一个监测截面，若其为窄截面结构(如T梁)，在腹板一侧 顶底部设置动应变计，若其为宽截面结构(如大箱梁)，在腹板两侧顶底部设置动 应变计，若监测截面需重点关注，可酌情考虑在腹板中部增设传感器；

原则上传感器布设位置应与实测中性轴位置尽量远，尽量等距布设，避免在中 性轴位置处安装传感器。

安装长标距支架及动应变计的过程如下为：将长标距辅助支架安装在监测截面的结构表面，并在其上固定动应变计，具体包括：根据预定的传感器部署位置，在 结构表面上确定钻孔点位，用马克笔标注；使用电钻在指定点位上打孔，并在孔内 灌注适量的植筋胶；植入钻孔螺纹钢筋，待其固定后，通过螺栓连接辅助支架；在 支架端部安装动应变计，最后将应变计的另一侧固定在结构表面。

步骤S2：对所采集的动应变信号进行一次检索和预处理以消除数据中的噪声 和干扰，本实施例中，设定信号时窗长度＝1天，对于当天内采集的所有动应变数 据进行检索、集成和预处理；使用多分辨率小波分析对应变信号进行分解，消除毛 刺，提取结构在车辆荷载激励下的响应趋势。

该步骤具体包括：

步骤S21：设定信号时窗长度为一天；

步骤S22：获取当天内各通道采集的应变计的传感器信号时程曲线；

步骤S23：对每个通道的应变数据，使用小波分析将其分解为若干层次的细节 成分与估计成分；

步骤S24：抽取满足平滑要求的估计成分重构为该通道的滤波结果。

步骤S3：设立阈值区间，拾取显著程度(即波峰的高度或波谷的深度)超过 区间范围的峰-谷值二元数组，得到应变响应幅值，即定义应变时程曲线中波峰的 高度或波谷的深度为其显著程度，定义相应的阈值区间，拾取超出阈值限的波峰、 波谷值；根据峰-谷值间的对应关系，将由同一活载激励引起的峰-谷值组成二元数 组，两者相减得到应变响应幅值，具体包括：

步骤S31：提取超出幅值超过预设定的阈值区间的波峰值和波谷值；

步骤S32：根据波峰值和波谷值的对应关系，将由同一活载激励引起的波峰值 和波谷值组成二元数组；

步骤S33：将每个二元数组的波峰值和谷波值的差值作为该二元数组所对应的 活载激励下的应变相应幅值。

步骤S4：根据传感器的安装高度，基于平截面假定拟合应变分布，计算每一 个二元数组的对应中性轴指标；

步骤S4具体为：综合同一截面不同高度测得的应变响应幅值，根据平截面假 定，线性拟合得到该截面的应变分布，以应变零点对应位置为中性轴指标，作为结 构安全指标。

若同一截面在不同高度处共安装了两个应变计传感器时，中性轴指标为：

其中：y_b为中性轴指标，ε_b为底部传感器测得应变，ε_t为顶部传感器测得应变， h为两个传感器的竖向距离。

若同一截面在不同高度处共安装了超过两个应变计传感器时，步骤S4具体包 括：

步骤S41：获取各传感器测得的应变以及传感器的位置信息；

步骤S42：使用最小二乘法，以各点到直线间误差平方和最小为目标，线型拟 合得到的应变，确定唯一的拟合直线：

y＝kx+y_b

其中：y_b为中性轴指标，y为截面上任一点距截面底部的距离，x为该点的正 应变值，k为拟合直线的斜率；

步骤S43：根据拟合直线确定中性轴指标。

步骤S5：对当天内监测得到的中性轴指标数据，进行频数统计并绘制频率分 布直方图，验证其正态分布特性并获取其统计特征；以历史统计特征为参考，以当 前统计特征为样本进行比对，判断各项参数是否产生了明显变化，依此实现指标的 长期观测，具体包括：

步骤S51：对当天的所有中性轴监测数据进行频数统计，绘制成频率分布直方 图；

步骤S52：采用假设性检验的方法验证该数据样本是否服从正态分布，检验过 程的显著性水平为0.01，若为是，则执行步骤S53；

步骤S53：获取该分布的均值与标准差，与历史特征参数进行比对，若变化大 于1％，则判定结构存在损伤，反之结构安全。

应用上述方法对某公路桥梁结构安全监测***中试用。该桥为预应力混凝土打箱梁桥，跨径组成为32+32+37+32m。在该桥第四孔1/4跨、1/2跨、3/4跨处分别 设置4个、6个、4个动应变测点，敷设于箱梁结构两侧的腹板上。按图2所示进 行长标距支架的安装，支架与应变计的连接形式应如图3所示。采用图4、图5、 图6的方法对原始数据进行处理，得到中性轴指标。经过数月的运行，证明本发明 方法是可靠的，数据非常稳定，避免以往梁式桥监测***的常见弱点与不足。图7 为一天内中性轴指标的统计评估结果。

Claims (9)

1.一种基于梁式桥横截面中性轴安全指标的长期监测方法，其特征在于，包括：

步骤S1：在桥梁监测截面顶底部设计安装长标距支架辅助的动应变计，并接收采集得到的桥梁的结构应变；

步骤S2：对所采集的动应变信号进行一次检索和预处理以消除数据中的噪声和干扰；

步骤S3：基于设立的阈值区间，提取同一活载引起的幅值超过阈值区间的波峰值和波谷值组成二元数组，得到应变响应幅值；

步骤S4：基于平截面假定拟合应变分布，计算得到中性轴指标；

步骤S5：对一段时间内的中性轴指标进行数据集成，使用统计模型分析其分布特征，判断结构安全。

2.根据权利要求1所述的一种基于梁式桥横截面中性轴安全指标的长期监测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

步骤S21：设定信号时窗长度；

步骤S22：获取设定的信号时窗长度内各通道采集的应变计的传感器信号时程曲线；

步骤S23：对每个通道的应变数据，使用小波分析将其分解为细节成分与估计成分；

步骤S24：抽取满足平滑要求的估计成分重构为该通道的滤波结果。

3.根据权利要求1所述的一种基于梁式桥横截面中性轴安全指标的长期监测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

步骤S31：提取超出幅值超过预设定的阈值区间的波峰值和波谷值；

步骤S32：根据波峰值和波谷值的对应关系，将由同一活载激励引起的波峰值和波谷值组成二元数组；

步骤S33：将每个二元数组的波峰值和谷波值的差值作为该二元数组所对应的活载激励下的应变相应幅值。

4.根据权利要求1所述的一种基于梁式桥横截面中性轴安全指标的长期监测方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：综合同一截面不同高度测得的应变响应幅值，根据平截面假定，线性拟合得到该截面的应变分布，以应变零点对应位置为中性轴指标，作为结构安全指标。

5.根据权利要求4所述的一种基于梁式桥横截面中性轴安全指标的长期监测方法，其特征在于，若同一截面在不同高度处共安装了两个应变计传感器时，中性轴指标为：

其中：y_b为中性轴指标，ε_b为底部传感器测得应变，ε_t为顶部传感器测得应变，h为两个传感器的竖向距离。

6.根据权利要求4所述的一种基于梁式桥横截面中性轴安全指标的长期监测方法，其特征在于，若同一截面在不同高度处共安装了超过两个应变计传感器时，所述步骤S4具体包括：

步骤S41：获取各传感器测得的应变以及传感器的位置信息；

步骤S42：线型拟合得到的应变，确定唯一的拟合直线：

y＝kx+y_b

其中：y_b为中性轴指标，y为截面上任一点距截面底部的距离，x为该点的正应变值，k为拟合直线的斜率；

步骤S43：根据拟合直线确定中性轴指标。

7.根据权利要求2所述的一种基于梁式桥横截面中性轴安全指标的长期监测方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

步骤S51：对一段时间内的所有中性轴监测数据进行频数统计，绘制成频率分布直方图；

步骤S52：采用假设性检验的方法验证该数据样本是否服从正态分布，若为是，则执行步骤S53；

步骤S53：获取该分布的均值与标准差，与历史特征参数进行比对，若变化大于1％，则判定结构存在损伤，反之结构安全。

8.根据权利要求7所述的一种基于梁式桥横截面中性轴安全指标的长期监测方法，其特征在于，所述步骤S52中检验过程的显著性水平为0.01。

9.根据权利要求1所述的一种基于梁式桥横截面中性轴安全指标的长期监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，设计安装动应变计过程具体包括：

步骤S11：至少选择桥梁跨中及两个四分点设为监测截面；

步骤S12：对于每一个监测截面，若其为窄截面结构，在腹板一侧顶底部设置动应变计，若其为宽截面结构，在腹板两侧顶底部设置动应变计；

其中，传感器布设位置应远离实测中性轴位置并等距布设。