一种桥梁损伤检测方法技术

本发明专利技术通过现场实验，测试得到车辆过桥导致的桥梁底部测点挠度响应；然后结合车辆车轴信息，引入多段函数模型经数学反算求得测点的挠度影响线(该影响线包含桥梁损伤相关信息)；基于测点位置建立能反应未损状态的基函数‑“未损基函数”；结合挠度影响线和未损基函数构建损伤指标，通过损伤指标曲线局部峰值点可进行损伤定位。根据已经识别出来的损伤位置信息构建能够描述损伤程度的基函数‑称之为“损伤基函数”，联立桥梁实际挠度影响线、未损基函数及损伤基函数，通过最小二乘拟合计算实现对损伤程度的有效识别。本发明专利技术解决了现有桥梁损伤检测方法存在的需要未损状态信息的难题，且试验简单、测试数据信息量大，具有很强的实用意义和价值。

A bridge damage detection method

The deflection response of the bridge bottom measuring point caused by vehicle crossing the bridge is obtained by field experiment; then, combined with vehicle axle information, the deflection influence line of the measuring point is obtained by introducing multi-segment function model through mathematical inverse calculation (the influence line contains bridge damage related information); and the basic function that can reflect the undamaged state is established based on the position of the measuring point. Damage index is constructed by combining deflection influence line and undamaged basis function. Damage location can be achieved by local peak point of damage index curve. According to the identified damage location information, a basis function is constructed which can describe the damage degree. It is called \damage basis function\. The actual deflection influence line, undamaged basis function and damage basis function of bridges are combined, and the damage degree is effectively identified by least square fitting calculation. The invention solves the problem that the existing bridge damage detection method needs undamaged state information, and has strong practical significance and value because of simple test and large amount of test data information.

【技术实现步骤摘要】
一种桥梁损伤检测方法
本专利技术涉及一种桥梁损伤检测方法；属于土木工程应用

技术介绍
了解结构损伤状态的变化，使损伤积累尚未达到威胁结构安全的程度之前能被检测出来，不仅关系到结构使用安全，而且对于决定是否对结构进行修复，何时修复具有重要的意义。桥梁健康监测领域中关注最多的是损伤特征的提取，结构损伤检测是关系到其安全性的核心问题。基于结构动力特性(基于振动)的损伤检测方法在近二十年来比较广泛，典型的如基于模态参数(频率、模态振型、阻尼比、应变模态等)及其分支的损伤检测研究。这些基于振动的无损检测方法通常需要大量的传感器数据去获取精确的模态参数信息，对于实际工程结构会导致大量的时间成本和经济成本。不仅如此，损伤检测效果对频率或振型的微小偏差非常敏感，识别误差和测试噪音存在使得这些方法仅对数值模拟算例有很好的效果，而无法较好用到实际。考虑移动车辆荷载作用的损伤检测研究，比较接近桥梁实际运营情况，而且桥梁响应多具有较高信噪比，此方面研究最近几年逐渐引起关注。以上方法多都需要与结构未损状态下的信息比较来识别损伤，而对于已有结构，其未损状态下结构特征信息很难获得，不具可行性。对于这一问题，一些滤波的方法被用于对现有模态数据信息处理来得到未损时的信息，但是对于损伤检测结果质量并无实质突破，且需要获取实际结构精确的模态信息。总体而言，由于结构局部损伤的对整体特征的影响十分有限，损伤检测效果对结构特征参数的微小变化非常敏感，而测试误差、识别误差、测试噪音等往往不可避免，这导致当前的损伤检测方法普遍存在以下两方面的问题：1)需要未损状态下的特征参数信息作参考比较；2)多数方法仅在数值仿真及模型试验阶段具有一定可行性，应用到实际结构效果往往都不理想。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于影响线的损伤检测方法，在不需要未损状态结构信息的情况下实现对桥梁损伤的有效识别，包括损伤定位和定量。本专利技术为一种基于影响线桥梁损伤检测方法；包括下述步骤：步骤一桥梁实际影响线测试与提取采用已知轴重、轴距和轴数的车辆，从桥梁一端上桥并以速度v过桥，进行测试，以频率f进行采样，得到桥梁上各测点的动力响应，得到实际动力响应；选取车辆第一轴上桥至最后一轴出桥时间段内的实际挠度响应作为桥梁挠度影响线提取的计算数据；引入公式(4)所描述的桥梁挠度影响线模型，经最小二乘拟合计算确定模型中各参数从而获取桥梁的影响线信息；所述公式(4)为：DIL＝[I1,I2,...,IN-1,IN](4)其中第i段函数可表示为Ii＝aix3+bix2+cix+di,参数ai,bi,ci和di是第i段函数式的具体系数，x的取值范围取决于第i段的起始点位置；所述i选自1,2,...,N中任意一个整数；所述N大于等于20；当DIL用函数表达时，记为DIL(x)。公式(4)中各段之间的连接条件以及边界条件表示为公式(5)，其中Lb表示桥梁跨度，N表示分段函数段数；引入该多段模型和连接条件后，从实际动力响应中计算提取影响线；通过对实际动力响应进行拟合计算得到各段函数系数ai,bi,ci和di；步骤二未损基函数的建立基于测点位置信息lP构建未损基函数ξ0；M表示在静定梁结构的lp位置施加单位荷载后梁的弯矩，其表达式为公式(1)：单位荷载作用于测试点位置lP时，任意梁截面位置s处的弯矩函数表达式为：定义表示单位虚拟力作用在任意位置x(0≤x≤Lb)处时梁任意截面s处的弯矩，其函数表达式为公式(6)，桥梁任意截面s(0≤s≤Lb)处的弯矩会随着作用点位置x而改变；定义未损基函数ξ0(x)：步骤三构建损伤指标DI(x)(damageindex)，进行损伤定位定义：DI(x)＝DIL(x)-λ·ξ0(x)(8)其中：当用图形形式描述DI(x)时，它是一条横轴取值为(0-Lb)、纵轴描述损伤情况的曲线，即损伤指标曲线；该曲线的局部峰值点位置即为损伤发生位置，由此特性可实现损伤定位。作为优选方案；本专利技术为一种基于影响线桥梁损伤检测方法；包括下述步骤：步骤A桥梁实际影响线测试与提取采用已知轴重、轴距和轴数的车辆，从桥梁一端上桥并以速度v过桥，进行测试，以频率f进行采样，得到桥梁上各测点的动力响应；选取车辆第一轴上桥至最后一轴出桥时间段内的实际挠度响应作为桥梁挠度影响线提取的计算数据；引入公式(4)所描述的桥梁挠度影响线模型，经最小二乘拟合计算确定模型中各参数从而获取桥梁的影响线信息；所述公式(4)为：DIL＝[I1,I2,...,IN-1,IN](4)其中第i段函数可表示为Ii＝aix3+bix2+cix+di,参数ai,bi,ci和di是第i段函数式的具体系数，x的取值范围取决于第i段的起始点位置；所述i选自1,2,...,N中任意一个整数；所述N大于等于20；当DIL用函数表达时，记为DIL(x)。公式(4)中各段之间的连接条件以及边界条件表示为公式(5)，其中Lb表示桥梁跨度，N表示分段函数段数；引入该多段模型和连接条件后，从实际动力响应中计算提取影响线的具体过程可参考专利(专利号：201510212858.9)进行；通过对实际动力响应进行拟合计算得到各段函数系数ai,bi,ci和di；步骤B未损基函数的建立基于测点位置信息lP构建未损基函数ξ0；M表示在静定梁结构的lp位置施加单位荷载后梁的弯矩，其表达式为公式(1)：单位荷载作用于测试点位置lP时，任意梁截面位置s处的弯矩函数表达式为：定义表示单位虚拟力作用在任意位置x(0≤x≤Lb)处时梁任意截面s处的弯矩，其函数表达式为公式(6)，桥梁任意截面s(0≤s≤Lb)处的弯矩会随着作用点位置x而改变；定义未损基函数ξ0(x)：步骤C构建损伤指标DI(x)(damageindex)，进行损伤定位定义：DI(x)＝DIL(x)-λ·ξ0(x)(8)其中：当用图形形式描述DI(x)时，它是一条横轴取值为(0-Lb)、纵轴描述损伤情况的曲线，即损伤指标曲线；该曲线的局部峰值点位置即为损伤发生位置，由此特性可实现损伤定位；步骤D构建损伤基函数假定经损伤指标曲线确定的损伤位置点到测试车辆上桥端的距离为lS，结合公式(1)定义损伤基函数ξ1(x)：此处，ξ1(x)表示仅存在一处损伤的情况；当有多处位置存在局部损伤时，假定经损伤指标曲线确定的第n个损伤位置点到桥梁端部(车辆上桥端)距离为lSn，不同位置的损伤基函数依次用ξ1(x)、ξ2(x)、...、ξn(x)表示(n>1)；结合公式(1)，ξn(x)可表达如下：步骤E基于最小二乘拟合，进行损伤程度识别用未损基函数ξ0(x)和损伤基函数ξ1(x)、ξ2(x)、...、ξn(x)一起去拟合提取的影响线DIL(x)，得到公式(12)，通过最小二乘计算求解即可得到相应的参数值β0，β1，...，βn；DIL(x)＝β0ξ0(x)+β1ξ1(x)+…+βnξn(x)(12)上述求解所得的β0，β1，...，βn即可反应损伤程度。作为优选方案，通过最小二乘计算求解得到相应的参数值β0，β1，...，βn后；假定各段损伤处的刚度折减因子用αj(j＝1,2,...,n)表示，损伤区长度用δj(j＝1,2,...,n)表示；则有当有明确的损伤区长度δj时，其对应折减因子αj可结合(13)计算得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种桥梁损伤检测方法，其特征在于；包括下述步骤：步骤一桥梁实际影响线测试与提取采用已知轴重、轴距和轴数的车辆，从桥梁一端上桥并以速度v过桥，进行测试，以频率f进行采样，得到桥梁上各测点的动力响应，得到实际动力响应；选取车辆第一轴上桥至最后一轴出桥时间段内的实际挠度响应作为桥梁挠度影响线提取的计算数据；引入公式(4)所描述的桥梁挠度影响线模型，经最小二乘拟合计算确定模型中各参数从而获取桥梁的影响线信息；所述公式(4)为：DIL＝[I1,I2,...,IN‑1,IN]   (4)其中第i段函数可表示为Ii＝aix3+bix2+cix+di,参数ai,bi,ci和di是第i段函数式的具体系数，x的取值范围取决于第i段的起始点位置；所述i选自1,2,...,N中任意一个整数；所述N大于等于20；当DIL用函数表达时，记为DIL(x)；公式(4)中各段之间的连接条件以及边界条件表示为公式(5)，其中Lb表示桥梁跨度，N表示分段函数段数；

【技术特征摘要】
1.一种桥梁损伤检测方法，其特征在于；包括下述步骤：步骤一桥梁实际影响线测试与提取采用已知轴重、轴距和轴数的车辆，从桥梁一端上桥并以速度v过桥，进行测试，以频率f进行采样，得到桥梁上各测点的动力响应，得到实际动力响应；选取车辆第一轴上桥至最后一轴出桥时间段内的实际挠度响应作为桥梁挠度影响线提取的计算数据；引入公式(4)所描述的桥梁挠度影响线模型，经最小二乘拟合计算确定模型中各参数从而获取桥梁的影响线信息；所述公式(4)为：DIL＝[I1,I2,...,IN-1,IN](4)其中第i段函数可表示为Ii＝aix3+bix2+cix+di,参数ai,bi,ci和di是第i段函数式的具体系数，x的取值范围取决于第i段的起始点位置；所述i选自1,2,...,N中任意一个整数；所述N大于等于20；当DIL用函数表达时，记为DIL(x)；公式(4)中各段之间的连接条件以及边界条件表示为公式(5)，其中Lb表示桥梁跨度，N表示分段函数段数；引入该多段模型和连接条件后，从实际动力响应中计算提取影响线；通过对实际动力响应进行拟合计算得到各段函数系数ai,bi,ci和di，步骤二未损基函数的建立基于测点位置信息lP构建未损基函数ξ0；M表示在静定梁结构的lp位置施加单位荷载后梁的弯矩，其表达式为公式(1)：单位荷载作用于测试点位置lP时，任意梁截面位置s处的弯矩函数表达式为：定义M表示单位虚拟力作用在任意位置x(0≤x≤Lb)处时梁任意截面s处的弯矩，其函数表达式为公式(6)，桥梁任意截面s(0≤s≤Lb)处的弯矩会随着作用点位置x而改变；定义未损基函数ξ0(x)：步骤三构建损伤指标DI(x)(damageindex)，进行损伤定位定义：DI(x)＝DIL(x)-λ·ξ0(x)(8)其中：当用图形形式描述DI(x)时，它是一条横轴取值为(0-Lb)、纵轴描述损伤情况的曲线，即损伤指标曲线；该曲线的局部峰值点位置即为损伤发生位置，由此特性可实现损伤定位。2.根据权利要求1所述的一种桥梁损伤检测方法，其特征在于：包括下述步骤：步骤A桥梁实际影响线测试与提取采用已知轴重、轴距和轴数的车辆，从桥梁一端上桥并以速度v过桥，进行测试，以频率f进行采样，得到桥梁上各测点的动力响应；选取车辆第一轴上桥至最后一轴出桥时间段内的实际挠度响应作为桥梁挠度影响线提取的计算数据；引入公式(4)所描述的桥梁挠度影响线模型，经最小二乘拟合计算确定模型中各参数从而获取桥梁的影响线信息；所述公式(4)为：DIL＝[I1,I2,...,IN-1,IN](4)其中第i段函数可表示为Ii＝aix3+bix2+cix+di,参数ai,bi,ci和di是第i段函数式的具体系数，x的取值范围取决于第i段的起始点位置；所述i选自1,2,...,N中任意一个整数；所述N大于等于20；当DIL用函数表达时，记为DIL(x)。公式(4)中各段之间的连接条件以及边界条件表示为公式(5)，其中Lb表示桥梁跨度，N表示分段函数段数；引入该多段模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宁波，黄天立，李东平，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43