本发明涉及一种基于IMU的抗震支吊架损伤状态监测与评估方法，包括以下步骤：1)搭建抗震支吊架损伤监测装置，并通过IMU采集抗震支吊架各构件的响应数据后进行预处理；2)在抗震支吊架安装后正式投入使用前，选取第一采集区间，通过各测点的IMU的时序响应数据计算正常状态下的统计特征值V0；3)在抗震支吊架正式使用阶段中，选取第二采集区间，利用各测点的IMU的时序响应数据计算损伤状态下的统计特征值V1；4)计算所有统计特征值的相对变化量RV；5)选择最终支吊架的损伤敏感指标；6)对抗震支吊架进行损伤评估。与现有技术相比，本发明利用测点三方向六自由度的响应数据，丰富了支吊架的损伤敏感指标，并实现对支吊架损伤状态的全面评估。
1.一种基于IMU的抗震支吊架损伤状态监测与评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)搭建抗震支吊架损伤监测装置，并通过IMU采集抗震支吊架各构件的响应数据后进行预处理；
2)在抗震支吊架安装后正式投入使用前，选取设定的时长t1为第一采集区间，通过各测点的IMU的时序响应数据计算正常状态下的统计特征值V0；
3)在抗震支吊架正式使用阶段中，考虑抗震支吊架上的固定螺栓因外界震动导致松动形成构件局部损伤，选取设定的时长t2为第二采集区间，利用各测点的IMU的时序响应数据计算损伤状态下的统计特征值V1；
5)设定变幅阈值TV，提取所有监测通道采集的响应数据中RV＞TV对应的统计特征值，并将其作为一阶敏感指标，统计一阶敏感指标分别在所有监测通道中被提取的总数，总数最多的前3项指标认定为二阶敏感指标，即最终支吊架的损伤敏感指标；
6)根据获取的损伤敏感指标对抗震支吊架进行损伤评估。
2.根据权利要求1所述的一种基于IMU的抗震支吊架损伤状态监测与评估方法，其特征在于，所述的步骤1)中，抗震支吊架损伤监测装置包括安装在抗震支吊架上的多个IMU、与IMU进行无线通信的采集设备以及进行数据处理的处理器。
3.根据权利要求2所述的一种基于IMU的抗震支吊架损伤状态监测与评估方法，其特征在于，所述的IMU设有三个，分别刚性固定在在抗震支吊架的U形管夹外表面、竖向吊杆中部以及斜撑中部位置。
4.根据权利要求3所述的一种基于IMU的抗震支吊架损伤状态监测与评估方法，其特征在于，在三个IMU分别刚性固定后，定义支吊架纵向和管道方向为X轴，与X轴水平垂直方向为Y轴，与X轴垂直竖向为Z轴，并且在初始时刻所有IMU坐标系方向与支吊架坐标系保持一致。
5.根据权利要求1所述的一种基于IMU的抗震支吊架损伤状态监测与评估方法，其特征在于，所述的步骤1)中，响应数据包括加速度、角速度和姿态角数据，对响应数据进行的预处理包括剔除异常点、去趋势项和带通滤波。
6.根据权利要求1所述的一种基于IMU的抗震支吊架损伤状态监测与评估方法，其特征在于，所述的步骤2)和步骤3)中，统计特征值V0与V1均包括有量纲统计特征值及无量纲统计特征值，所述的有量纲统计特征值包括均值、标准差、方差、均方根、平均幅值、方根幅值、中值、平方根和峰值均方根比，所述的无量纲统计特征值包括峭度、偏度、峰值因子、脉冲因子、裕度因子和余隙因子。
7.根据权利要求1所述的一种基于IMU的抗震支吊架损伤状态监测与评估方法，其特征在于，所述的步骤4)中，相对变化量RV的计算公式为：
8.根据权利要求1所述的一种基于IMU的抗震支吊架损伤状态监测与评估方法，其特征在于，所述的设定的时长t1取值为30min或24h，所述的设定的时长t2取值为30min或24h。
9.根据权利要求1所述的一种基于IMU的抗震支吊架损伤状态监测与评估方法，其特征在于，所述的步骤5)中，变幅阈值TV的取值为20％。
10.根据权利要求1所述的一种基于IMU的抗震支吊架损伤状态监测与评估方法，其特征在于，所述的步骤6)具体为：以TV值为基础设立分级评估阈值S1与S2，且S1S1时表明支吊架响应出现异常，需及时对其进行异常点定位、异常原因排除并重新采集数据，判断指标是否下降至正常范围,令S2为红色预警值，当RV>S2时表明支吊架结构发生严重破坏，需及时对其加固或更换，黄色预警值S1和红色预警值S2根据试验结合实际情况或相关设计规范获得。
一种基于IMU的抗震支吊架损伤状态监测与评估方法
技术领域
[0001] 本发明涉及工程结构健康监测领域，尤其是涉及一种基于IMU的抗震支吊架损伤状态监测与评估方法。
背景技术
[0002] 抗震支吊架是支承水管、风管和桥架等机电管线设备并提供抗震保护的支吊架产品，一般分为纵向支吊架和侧向支吊架两种，主要承受水平方向的地震作用，可以限制附属机电工程设施产生位移，控制设施振动，并将荷载传递至承载结构上的各类组件或装置，支吊架最常见的损伤类型为螺栓松动引起的结构刚度退化，以及构件裂纹、螺栓螺母脱落、焊缝裂纹、撕裂和连接部件松动等情况，目前对抗震支吊架的性能评估方法尚不完善，有必要对常见抗震支吊架构件的损伤指标进行进一步的研究。
[0003] 随着结构健康监测领域研究的深入，利用时间序列进行损伤识别成为研究的热点，通过采集服役状态下结构振动响应的实时监测数据，能够提取数据的相关特征信息以映射损伤特征指标，进而在信号特征发生变化时提供预警，从而对结构进行性能评估和损坏预后并对结构剩余寿命进行预测，进而为维修、改造和更换等结构干预措施提供决策支持，因此，以抗震支吊架为代表的非结构构件性能的监测与评估具有广泛的应用价值。
[0004] 在以往支吊架动力监测与性能监测方面，相关专利及文献主要采用反映支吊架振动及变形特性的加速度传感器和应变传感器，以刚度变化作为主要指标，并对信号进行频域分析，反映出传感器种类以及损伤指标判据相对单一，因此，丰富传感器种类并将其布置在结构的最优位置，从而获取更多结构的物理量信息，提出更为准确易得的损伤指标，也是目前支吊架结构监测领域研究的关键问题。
发明内容
[0005] 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基于IMU的抗震支吊架损伤状态监测与评估方法。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007] 一种基于IMU的抗震支吊架损伤状态监测与评估方法，该方法包括以下步骤：
[0008] 1)搭建抗震支吊架损伤监测装置，并通过IMU采集抗震支吊架各构件的响应数据后进行预处理；
[0009] 2)在抗震支吊架安装后正式投入使用前，选取设定的时长t1为第一采集区间，通过各测点的IMU的时序响应数据计算正常状态下的统计特征值V0；
[0010] 3)在抗震支吊架正式使用阶段中，考虑抗震支吊架上的固定螺栓因外界震动导致松动形成构件局部损伤，选取设定的时长t2为第二采集区间，利用各测点的IMU的时序响应数据计算损伤状态下的统计特征值V1；
[0011] 4)计算所有统计特征值的相对变化量RV；
[0012] 5)设定变幅阈值TV，提取所有监测通道采集的响应数据中RV＞TV对应的统计特征值，并将其作为一阶敏感指标，统计一阶敏感指标分别在所有监测通道中被提取的总数，总数最多的前3项指标认定为二阶敏感指标，即最终支吊架的损伤敏感指标；
[0013] 6)根据获取的损伤敏感指标对抗震支吊架进行损伤评估。
[0014] 所述的步骤1)中，抗震支吊架损伤监测装置包括安装在抗震支吊架上的多个IMU、与IMU进行无线通信的采集设备以及进行数据处理的处理器。
[0015] 所述的IMU设有三个，分别刚性固定在在抗震支吊架的U形管夹外表面、竖向吊杆中部以及斜撑中部位置。
[0016] 在三个IMU分别刚性固定后，定义支吊架纵向和管道方向为X轴，与X轴水平垂直方向为Y轴，与X轴垂直竖向为Z轴，并且在初始时刻所有IMU坐标系方向与支吊架坐标系保持一致。
[0017] 所述的步骤1)中，响应数据包括加速度、角速度和姿态角数据，对响应数据进行的预处理包括剔除异常点、去趋势项和带通滤波。
[0018] 所述的步骤2)和步骤3)中，统计特征值V0与V1均包括有量纲统计特征值及无量纲统计特征值，所述的有量纲统计特征值包括均值、标准差、方差、均方根、平均幅值、方根幅值、中值、平方根和峰值均方根比，所述的无量纲统计特征值包括峭度、偏度、峰值因子、脉冲因子、裕度因子和余隙因子。
[0019] 所述的步骤4)中，相对变化量RV的计算公式为：
[0020]
[0021] 所述的设定的时长t1取值为30min或24h，所述的设定的时长t2取值为30min或24h。
[0022] 所述的步骤5)中，变幅阈值TV的取值为20％。
[0023] 所述的步骤6)具体为：
[0024] 以TV值为基础设立分级评估阈值S1与S2，且S1S1时表明支吊架响应出现异常，需及时对其进行异常点定位、异常原因排除并重新采集数据，判断指标是否下降至正常范围,令S2为红色预警值，当RV>S2时表明支吊架结构发生严重破坏，需及时对其加固或更换，黄色预警值S1和红色预警值S2根据试验结合实际情况或相关设计规范获得。
[0025] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0026] 一、本发明安装有IMU的抗震支吊架能够集成多通道物理量同步采集的优势，在短时间内同时获取高采样率加速度及角速度时序数据，对监测数据进行实时分析和评估，能够有效实时的判断抗震支吊架的抗震性能以及运行姿态。
[0027] 二、本发明以平稳运行阶段时序数据统计特征值为基准，能够精准判定损伤状态下特征值的变化情况，去除冗余指标，保留敏感指标，为抗震支吊架的维修或者替换提供辅助决策，能有效减少地震带来的损失。
[0028] 三、本发明选取的IMU测点为U形管夹外表面、竖向吊杆中部以及斜撑中部，均为支吊架关键节点，考虑到这些测点位置受力性能明显且振动响应敏感，因此能够有效代表支吊架整体运行状态及损伤情况。
附图说明
[0029] 图1为本发明实施例中抗震支吊架IMU监测装置布置图。
[0030] 图2为本发明实施例中提供的损伤敏感指标判定流程图。
[0031] 图中标记说明：
[0032] 1、支吊架U形管夹外表面，2、吊杆中点，3、斜撑中点，4、IMU，5、IMU，6、IMU。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0034] 实施例
[0035] 本实施例中，抗震支吊架IMU监测装置布置图如图1所示，包括：设置在支吊架U形管夹外表面1、吊杆中点2和斜撑中点3上的IMU(分别标号4、5、6)。
[0036] 本实施例的实施方案中，使用4G、5G、Zigbee、NB‑IOT或WiFi等无线装置传输IMU的监测数据，但本发明方法不局限于使用上述传输方法，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0037] 本实施例中，本实施例损伤敏感指标判定流程如图2所示，包括如下步骤：
[0038] 步骤一，对采集到的监测数据进行实时的预处理，通过去趋势消除传感器产生的偏移对后期计算产生的影响，通过带通滤波消除高频与低频段的噪声干扰。
[0039] 步骤二，在抗震支吊架安装阶段完成时，选取30min的监测数据，对IMU获取的初始时序数据计算有量纲及无量纲统计特征值V0，各特征值计算公式详见表1。
[0040] 表1各统计特征值的计算公式
[0041]
[0042]
[0043] 步骤三，在抗震支吊架正式投入使用阶段，由于外界震动等干扰，支吊架因螺栓松动等产生损伤，会导致时序特征值较平稳状态产生不同程度的变化，选取24h的监测数据，再次对时序数据计算各项统计特征值V1。选取的计算时长也可以缩短，以达到更佳的实时监测目的。
[0044] 步骤四，提取步骤二与步骤三中计算的特征值V0和V1，并计算二者的相对变化量RV。
[0045] 步骤五，提取步骤四中所有监测通道的采集数据对应计算得到的RV，将其与预先设定的变幅阈值TV进行比较，将所有RV＞TV的特征值判定为一阶敏感指标。
[0046] 步骤六，提取步骤五中各项一阶敏感指标分别在所有监测通道中显现的总数，将总数最多的前3项指标判定为二阶敏感指标，二阶敏感指标为选用的支吊架损伤状态下的敏感指标。
[0047] 步骤七，设立黄色预警值S1与红色预警值S2，根据获取的损伤敏感指标对抗震支吊架进行损伤评估，当RV>S1时表明支吊架响应出现异常，需及时对其进行异常点定位、异常原因排除并重新采集数据，判断指标是否下降至正常范围；令S2为，当RV>S2时表明支吊架结构发生严重破坏，需及时对其加固或更换。
[0048] 优选地，本实施例的实施方案以螺栓松动作为局部损伤形式，但本发明方法不局限于上述损伤，其他因使用过程导致的常见损伤均适用于上述判定流程。
[0049] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
