CN111397821A - 一种基于车桥信号互相关性的桥梁结构损伤定位方法 - Google Patents

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谢永康
马宏伟
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Abstract

本发明公开了一种基于车桥信号互相关性的桥梁结构损伤定位方法，步骤如下：在桥梁上任一位置布置一个竖向加速度传感器；在车辆上安装一个竖向加速度传感器，并使车辆匀速通过桥梁；分别收集车辆驶过桥梁过程中桥梁的加速度信号ab(i)和车辆的加速度信号av(i)；定义一个长度为L的时间窗，同步分别截取所得加速度信号；定义指示桥梁损伤位置的车桥信号互相关性损伤指标COR(i)；移动时间窗，得到窗口化COR(i)的时间序列，并根据COR(i)曲线的突变位置确定车辆经过桥梁损伤位置的时间点；计算得到桥梁的损伤位置。该方法为数据驱动方法，无需桥梁健康状态下的基准数据和结构有限元模型，仅利用两个传感器即可实现桥梁损伤定位，操作简单、降低成本。

Description

一种基于车桥信号互相关性的桥梁结构损伤定位方法
技术领域
本发明涉及结构安全监测技术领域，具体涉及一种基于车桥信号互相关性的桥梁结构损伤定位方法。
背景技术
当前桥梁结构损伤检测存在着监测点过多，结构健康数据缺失的问题。现行的桥梁结构损伤检测***中，通常在桥梁结构上安装大量传感器收集信号，并通过对比实时与健康状态下的信号特征以检测桥梁健康状况。一方面，大量传感器设备的安装与维护费用会大幅度增加工程成本；另一方面，多数运营时间较长的桥梁缺失初始健康状态下的基准数据。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于车桥信号互相关性的桥梁结构损伤定位方法。此方法基于数据驱动原理，无需桥梁健康状态下的基准数据，仅利用车辆上的单个移动传感器和桥梁上的一个传感器的所测数据，即可实现桥梁损伤定位。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于车桥信号互相关性的桥梁结构损伤定位方法，包括下列步骤：
S1、在待测桥梁上任一位置布置一个测量竖向加速度的加速度传感器；
S2、在车辆上安装一个测量方向为竖直方向的加速度传感器，并行驶该车辆匀速通过待测桥梁；
S3、分别收集车辆驶过桥梁过程中桥梁的加速度信号ab(i)和车辆的加速度信号av(i)，其中i＝1,2,…，N，N为采样点长度；
S4、定义一个长度为L的时间窗，同步分别截取桥梁和车辆的加速度信号，得到窗内信号abL(n)和avL(n)，其中n＝1,2,,…L；
S5、定义指示桥梁损伤位置的车桥信号互相关性损伤指标COR(i)：
COR(i)＝max{Rvb(i)}
其中，Rvb(i)为车辆与桥梁的第i对时间窗信号的互相关序列，i＝1,2,…,N-L+1；
S6、移动时间窗，移动步长为一个采样间隔，得到窗口化损伤指标COR(i)的时间序列，并根据COR(i)曲线的突变位置确定车辆经过桥梁损伤位置的时间点；
S7、将确定的损伤时间点乘以车辆的移动速度，计算得到桥梁的损伤位置，利用此机理实现桥梁结构损伤定位。
进一步地，根据香浓采样定理，所述时间窗的长度L的确定方式如下：
Figure BDA0002437922390000031
其中，fs为信号采样频率，f1为待测桥梁加速度的基频，该基频从所测信号的快速傅里叶变换后的频谱图中得到。
进一步地，所述步骤S5中，车辆与桥梁的第i对时间窗信号的互相关序列Rvb(i)确定方式如下：
Figure BDA0002437922390000032
其中，τ为延迟时间，i＝1,2,…,N-L+1。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)本发明无需桥梁健康状态下的基准数据，只需直接分析所测加速度信号，即可实现桥梁结构损伤定位，属于数据驱动方法，适用于实际桥梁的工程应用。传统的需要结构健康状况基准数据作对比的检测方法，对于修建时间久远、原始健康数据缺失的桥梁不适用，而且桥梁健康状态数据的检测和存储也需耗费大量的工程成本。并且，绝大多数桥梁监测***是运营一定的时间后才被安装，无前期基础数据。
2)本发明无需建立桥梁结构的有限元模型，是一种完全数据驱动的方法，只需检测时所测量的数据就能达到损伤诊断的目的。而对于传统的需要建立结构有限元模型的基于模型的方法，需要建立精确的有限元模型，进而进行模型修正，但无法跨越有限元模型与真实结构存在误差这一鸿沟，导致其精确性往往满足不了工程需求。本方法免去这一过程。
3)本发明只需利用车辆上的一个移动传感器和桥梁上的一个传感器即可实现桥梁损伤定位，免去了传统监测方法中在桥梁上布置大量传感器的工序，大幅度地减少了监测传感器的数目和监测数据的存储量，有效解决了结构损伤检测需要大量传感器和海量数据难以处理的难题，且大大降低***建设成本。
附图说明
图1是本发明中公开的基于车桥信号互相关性的桥梁结构损伤定位方法流程图；
图2是实施例中简支梁桥模型简图；
图3是实施例中所测梁桥加速度信号(30％损伤)及时间窗示意图；
图4是实施例中所测梁桥加速度信号(30％损伤)的频谱图；
图5是实施例中梁桥损伤为30％，传感器1和车辆传感器的互相关序列COR(i)曲线图；
图6是实施例中梁桥损伤为50％，传感器1和车辆传感器的互相关序列COR(i)曲线图；
图7是实施例中梁桥损伤为30％，传感器2和车辆传感器的互相关序列COR(i)曲线图；
图8是实施例中梁桥损伤为50％，传感器2和车辆传感器的互相关序列COR(i)曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。显然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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
如图1所示，图1为本发明实施例中公开的基于车桥信号互相关性的桥梁结构损伤定位方法流程图。本实施例中使用的钢桥模型见示意图2，模型梁长l为40m，采样频率fs为1000Hz。为了说明该方法的有效性，在梁长0.4l处分别设置30％和50％的截面损失率以模拟两种损伤工况，以及在桥梁上安装了2个不同位置的加速度传感器，来验证使用桥梁上不同位置传感器的有效性和可靠性。具体实施过程如下：
S1、在待测桥梁上布置一个竖向加速度传感器；为说明本方法传感器安装在不同位置的有效性，在梁桥3/10处和8/10处分别安装加速度传感器1和加速度传感器2，如图2所示；
S2、在车辆上安装一个测量方向为竖直方向的加速度传感器，并使车辆以v＝1m/s的速度匀速通过桥梁；
S3、分别收集车辆驶过桥梁过程中桥梁的加速度信号ab(i)和车辆的加速度信号av(i)，其中i＝1,2,,…N，N为采样点长度，如图3所示；此处采样长度N＝lfs/v＝40000；
S4、定义一个长度为L的时间窗，同步分别截取桥梁和车辆的加速度信号，得到窗内信号abL(n)和avL(n)，其中n＝1,2,,…L；
该步骤S4中，根据香浓采样定理，时间窗的长度L的确定方式如下：
Figure BDA0002437922390000061
其中，fs为信号采样频率，f1为待测桥梁加速度的基频，该基频从所测信号的快速傅里叶变换后的频谱图中得到；30％损伤工况下FFT变换后的频谱图如图4所示，由图可知基频为2.136Hz,则窗长L＝1000/2.136＝468.165,取整为468。其余工况同理可求，限于篇幅不再附图与赘述。
S5、定义指示桥梁损伤位置的车桥信号互相关性损伤指标COR(i)：
COR(i)＝max{Rvb(i)}
其中，Rvb(i)为车辆与桥梁的第i个时间窗内两信号的互相关序列，i＝1,2,…,39533；
该步骤S5中，车辆与桥梁的第i个时间窗口内两信号的互相关序列Rvb(i)确定方式如下：
Figure BDA0002437922390000062
其中，τ为延迟时间，i＝1,2,…,39533。延迟时间按无偏估计相关性计算选取，所得互相关序列Rvb(i)为一长度为2L-1的列向量。
S6、移动时间窗，如图3所示，得到窗口化损伤指标COR(i)的时间序列，并根据COR(i)曲线确定车辆经过桥梁损伤位置的时间点；若桥梁出现损伤，COR(i)曲线将会在车辆经过损伤位置时刻发生跳跃性突变；健康状况下COR(i)曲线则没有出现突变现象。30％损伤和50％损伤工况下突变位置对应的损伤时刻为t＝16000/1000Hz＝16s；
S7、将确定的损伤时间点乘以车辆的移动速度，计算得到桥梁的损伤位置为16s*1m/s＝16m，即在梁长0.4l处。图5和图6为两种工况下车辆传感器和桥梁传感器1所测信号互相关性指标COR(i)曲线图，图7和图8为两种工况下车辆传感器和桥梁传感器2所测信号互相关性指标COR(i)曲线图，均精确定位了损伤。
综上所述，本发明提出的基于车桥信号互相关性的桥梁结构损伤定位方法，无需桥梁健康状态下的基准数据，无需结构有限元模型，仅利用车辆上的单个移动传感器和桥梁上的一个传感器的所测数据，即可实现桥梁损伤定位。

Claims (3)

1.一种基于车桥信号互相关性的桥梁结构损伤定位方法，其特征在于，所述定位方法包括下列步骤：
S1、在待测桥梁上任一位置布置一个加速度传感器,测量竖向方向上加速度信号；
S2、在车辆上安装一个测量方向为竖直方向的加速度传感器，并行驶该车辆匀速通过待测桥梁；
S3、分别收集车辆驶过桥梁过程中桥梁的加速度信号ab(i)和车辆的加速度信号av(i)，其中i＝1,2,…,N，N为采样点长度；
S4、定义一个长度为L的时间窗，同步分别截取桥梁和车辆的加速度信号，得到窗内信号abL(n)和avL(n)，其中n＝1,2,…,L；
S5、定义指示桥梁损伤位置的车桥信号互相关性损伤指标COR(i)：
COR(i)＝max{Rvb(i)}
其中，Rvb(i)为车辆与桥梁的第i个时间窗口内两个信号的互相关系数序列，i＝1,2,…,N-L+1；
S6、移动时间窗，移动步长为一个采样间隔，得到窗口化损伤指标COR(i)的时间序列，并根据COR(i)曲线的突变位置确定车辆经过桥梁损伤位置的时间点；
S7、将确定的损伤时间点乘以车辆的移动速度，计算得到桥梁的损伤位置，利用此机理实现桥梁结构损伤定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于车桥信号互相关性的桥梁结构损伤定位方法，其特征在于，所述时间窗的长度L的确定方式如下：
Figure FDA0002437922380000021
其中，fs为信号采样频率，f1为待测桥梁加速度的基频，该基频从待测桥梁加速度信号的快速傅里叶变换后的频谱图中得到。
3.根据权利要求1所述的一种基于车桥信号互相关性的桥梁结构损伤定位方法，其特征在于，所述步骤S5中，车辆与桥梁的第i个时间窗口内两信号的互相关序列Rvb(i)确定方式如下：
Figure FDA0002437922380000022
其中，τ为延迟时间，i＝1,2,…,N-L+1。
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