一种利用双传感器进行梁式桥梁结构损伤定位的方法

摘要

本发明公开了一种利用双传感器进行梁式桥梁结构损伤定位的方法，包括下列步骤：S1、在桥梁上任意两个不同位置分别安装两个加速度传感器；S2、测量车辆荷载经过桥梁时的加速度响应，分别得到加速度传感器的测点加速度信号a(t)、b(t)；S3、定义移动时间窗口；S4、利用移动时间窗口对两个测点加速度信号a(t)、b(t)进行同步信号截取，对窗口内的两段信号进行互相关计算，得到窗口内信号的相关系数；S5、计算窗口内信号的损伤特征量指标K：S6、在所测信号时间轴上滑动移动时间窗口，得到损伤特征量指标K的时间序列；S7、通过损伤特征量指标K曲线定位梁式桥梁结构损伤。该方法只需用到两个传感器数据，就能定位桥梁损伤位置，降低了传感器的数量和成本。

权利要求

1.一种利用双传感器进行梁式桥梁结构损伤定位的方法，其特征在于，所述方法包括:S1、在桥梁上任意两个不同位置分别安装加速度传感器a和加速度传感器b；

S2、测量车辆荷载经过桥梁时的加速度响应，分别得到加速度传感器a和加速度传感器b的测点加速度信号a(t)、b(t)；

S3、定义移动时间窗口，窗口长度为：

其中，f为桥梁基频，fs为采样频率；

S4、利用定义的移动时间窗口对两个测点加速度信号a(t)、b(t)从t＝0开始进行同步信号截取，对窗口内的两段信号进行互相关计算，得到窗口内两段信号的相关系数：其中，i为截取的第i段信号，N为原信号的总长度，窗口从t＝0开始进行截取，因此第一次截取时i＝1；

S5、计算窗口内信号的损伤特征量指标K：

其中Rd为桥梁损伤状况下加速度传感器a和b信号的窗口内互相关系数，Ru为桥梁完好状况下加速度传感器a和b信号的窗口内互相关系数；

S6、在所测信号的时间轴上移动时间窗口，移动步长为Δt，Δt为信号的采样时间间隔，每移动一次窗口，重复S4和S5所述过程，得到损伤特征量指标K的时间序列，其长度为N-L；

S7、通过损伤特征量指标K曲线定位梁式桥梁结构损伤。

2.根据权利要求1所述的一种利用双传感器进行梁式桥梁结构损伤定位的方法，其特征在于，所述步骤S7、通过损伤特征量指标K曲线定位梁式桥梁结构损伤的过程如下：S71、根据所述损伤特征量指标K的时间序列绘制所述损伤特征量指标K曲线；

S72、通过所述损伤特征量指标K曲线的最大峰值位置确定车辆经过损伤位置的时刻；

S73、通过车辆速度乘于车辆经过损伤位置的时刻，即把时间轴换算成空间位置轴，从而确定梁式桥梁结构损伤的位置。

3.根据权利要求1所述的一种利用双传感器进行梁式桥梁结构损伤定位的方法，其特征在于，所述桥梁基频f通过对测得的加速度信号a(t)、b(t)进行FFT变换获得。

4.根据权利要求1所述的一种利用双传感器进行梁式桥梁结构损伤定位的方法，其特征在于，所述加速度传感器a和所述加速度传感器b的安装方向为垂直于桥面方向。

说明书

一种利用双传感器进行梁式桥梁结构损伤定位的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及一种利用双传感器进行梁式桥梁结构损伤定位的方法。

背景技术

[0002] 当前，在桥梁结构健康监测与损伤检测领域，其基本方法是通过在桥梁上安装的结构响应采集系统获得桥梁结构响应，依据采集的不同类型的数据从中提取损伤特征量，基于不同的损伤识别理论对桥梁的损伤进行诊断并定位。目前监测系统主要关注桥梁形变、静应变、动应变、振动加速度、索力、温湿度、风荷载等相关数据。

[0003] 传统的桥梁结构损伤检测方法需要足够多的传感器数量，比如基于动力指纹方法须进行结构的模态识别，而要识别出结构模态必须要大量的传感器系统。因此，目前国内外现有的桥梁监测系统安装有几百甚至上千个传感器，耗资巨大，根据现有统计，其耗资达到整个桥梁建设的0.5％-2％。且测得的数据量巨大，如何处理监测海量数据是当前结构健康监测领域遇到的一大难题。当前桥梁健康监测系统数据没有得到充分应用，甚至形成了“海量垃圾数据”的局面。

[0004] 总的看来，桥梁结构安全监测技术的开发尚属于基础性的探索阶段，距离实际工程应用有一定的差距，而其中一个关键原因是：监测系统安装的测点(传感器)繁多，耗资巨大，形成的海量数据难以处理。基于以上背景，目前亟待提出一种只需在桥梁上安装两个传感器来测量桥梁的响应，分析这两个传感器信号进行桥梁的损伤诊断和定位的方法，以大大降低传感器的使用量，解决测点过多，耗资巨大等问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种利用双传感器进行梁式桥梁结构损伤定位的方法，该方法只利用安装在移动车辆荷载作用下的梁式桥梁上的两个传感器，根据两个传感器所测加速度信号的互相关函数来诊断和定位桥梁损伤。

[0006] 本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

[0007] 一种利用双传感器进行梁式桥梁结构损伤定位的方法，所述方法包括:

[0008] S1、在桥梁上任意两个不同位置分别安装加速度传感器a和加速度传感器b，安装方向为垂直于桥面方向；

[0009] S2、测量车辆荷载经过桥梁时的加速度响应，分别得到加速度传感器a和加速度传感器b的测点加速度信号a(t)、b(t)；

[0010] S3、定义移动时间窗口，窗口长度为：

[0011]

[0012] 其中，f为桥梁基频，fs为采样频率；

[0013] S4、利用定义的移动时间窗口对两个测点加速度信号a(t)、b(t)从t＝0开始进行同步信号截取，对窗口内的两段信号进行互相关计算，得到窗口内两段信号的相关系数：

[0014]

[0015] 其中，i为截取的第i段信号，N为原信号的总长度，窗口从t＝0开始进行截取，因此第一次截取时i＝1；

[0016] S5、计算窗口内信号的损伤特征量指标K：

[0017]

[0018] 其中Rd为桥梁损伤状况下加速度传感器a和b信号的窗口内互相关系数，Ru为桥梁完好状况下加速度传感器a和b信号的窗口内互相关系数；

[0019] S6、在所测信号的时间轴上移动时间窗口，移动步长为Δt，Δt为信号的采样时间间隔，每移动一次窗口，重复S4和S5所述过程，得到损伤特征量指标K的时间序列，其长度为N-L；

[0020] S7、通过损伤特征量指标K曲线定位梁式桥梁结构损伤。

[0021] 进一步地，所述步骤S7、通过损伤特征量指标K曲线定位梁式桥梁结构损伤的过程如下：

[0022] S71、根据所述损伤特征量指标K的时间序列绘制所述损伤特征量指标K曲线；

[0023] S72、通过所述损伤特征量指标K曲线的最大峰值位置确定车辆经过损伤位置的时刻；

[0024] S73、通过车辆速度乘于车辆经过损伤位置的时刻，即把时间轴换算成空间位置轴，从而确定梁式桥梁结构损伤的位置。

[0025] 进一步地，所述桥梁基频f通过对测得的加速度信号a(t)、b(t)进行FFT变换获得。

[0026] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

[0027] 1)本发明只需用到两个传感器数据，就能定位桥梁损伤位置，降低了传感器的数量和成本。

[0028] 2)本发明提出的方法，操作简单，计算快捷，桥梁结构损伤定位效果明显。

附图说明

[0029] 图1是本发明中公开的利用双传感器进行梁式桥梁结构损伤定位的方法流程图；

[0030] 图2是实施例中梁式桥梁模型简图；

[0031] 图3是实施例中测得的加速度信号及移动窗口示意图；

[0032] 图4是实施例中所测加速度信号的频谱图；

[0033] 图5是实施例中桥梁损伤10％时指标K的曲线图；

[0034] 图6是实施例中桥梁损伤30％时指标K的曲线图。

具体实施方式

[0035] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

[0036] 实施例

[0037] 如图1所示，图1为桥梁损伤定位的两个传感器方法的流程步骤图，实施例中使用的钢梁桥模型示意图如图2。模型梁长l为10m，采样频率4000Hz，损伤在梁长的2/5处。具体实施过程如下：

[0038] S1、在桥梁上任意两个不同位置分别安装加速度传感器a和加速度传感器b，安装方向为垂直于桥面方向，如图2所示实施例中，两个传感器安装位置分别为梁长的1/4处和1/2处。

[0039] S2、测量车辆荷载经过桥梁时其加速度响应，分别得到加速度传感器a和加速度传感器b的测点加速度信号a(t)、b(t)，如图3所示为其中一个传感器所测得的信号，信号长度N为2000。

[0040] S3、定义移动时间窗口，窗口长度为：

[0041]

[0042] 首先对S2中测得的信号进行FFT变换，获得桥梁基频f。如图4所示为FFT变换后的频谱图，从图中可得基频f为57Hz。再根据采样频率fs，可计算得到窗口长度为L＝4000/57＝70.17,取整为70。

[0043] S4、利用定义的窗口对两个测点加速度信号a(t)、b(t)从t＝0开始进行同步信号截取，对窗口内的两段信号进行互相关计算，得到窗口内两段信号的相关系数：

[0044]

[0045] 其中，i为截取的第i段信号，N为原信号的总长度，即为2000。窗口从t＝0开始进行截取，因此第一次截取时i＝1。

[0046] S5、计算窗口内信号的损伤特征量指标K：

[0047]

[0048] 其中Rd为桥梁损伤状况下加速度传感器a和b信号的窗口内互相关系数，相对应的，Ru为完好状况下a和b信号的窗口内互相关系数。

[0049] S6、在所测信号时间轴上滑动S3定义的窗口，如图3所示，移动步长为Δt，Δt为信号的采样时间间隔。每移动一次窗口，重复S4和S5所述过程，得到损伤指标K的时间序列，其长度为N-L，即2000-70＝1930。

[0050] S7、通过损伤特征量指标K曲线定位损伤。

[0051] 该步骤具体过程如下：

[0052] S71、根据损伤特征量指标K的时间序列绘制损伤特征量指标K曲线；

[0053] S72、当移动时间窗口移动到车辆刚好经过桥梁损伤位置时，损伤特征量指标K曲线出现峰值，通过损伤特征量指标K曲线的最大峰值位置来确定车辆经过损伤位置的时刻。

[0054] S73、用车辆速度乘于车辆经过损伤位置的时刻，即把时间轴换算成空间位置轴，从而确定损伤位置。

[0055] 如图5为桥梁损伤10％的K值曲线，图6为桥梁损伤30％的K值曲线，从图5和6曲线峰值判断出，桥梁损伤位置为0.4，即梁长的2/5处，准确定位了桥梁的损伤。

[0056] 综上所述，该实施例公开的梁式桥梁结构损伤定位的方法只利用安装在移动车辆荷载作用下的梁式桥梁上的两个传感器，根据两个传感器所测加速度信号的互相关函数来诊断和定位桥梁损伤。

[0057] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。