一种用于高速铁路挡风墙结构的损伤预警方法技术

本发明专利技术涉及一种用于高速铁路挡风墙结构的损伤预警方法，属于挡风墙预警技术领域。该损伤预警方法包括以下步骤：借助高速行驶列车引起的振动对高速铁路挡风墙结构施加环境激励；通过无线传感器将挡风墙的动力响应信号经过无线信号传输系统传送到计算机；通过计算机对传输信号进行处理，得到挡风墙结构响应信号间的虚拟脉冲响应函数；对虚拟脉冲响应函数进行希尔伯特‑黄变换；对虚拟脉冲响应函数进行希尔伯特边际能量谱分析，并创建希尔伯特损伤特征向量谱，提出损伤预警指标；过预警指标对挡风墙损伤状态和损伤程度进行预警。本发明专利技术通过损伤预警指标对高速铁路挡风墙结构“健康状况”进行预警，具有简单方便、快速高效、现代智能等特点。

A Damage Early Warning Method for Windbreak Structure of High-speed Railway

【技术实现步骤摘要】
一种用于高速铁路挡风墙结构的损伤预警方法
本专利技术属于挡风墙预警
，涉及一种用于高速铁路挡风墙结构的损伤预警方法
技术介绍
目前，关于土木工程结构的损伤预警方法大多是针对梁、板、柱等结构构件，或是建筑、桥梁等结构，而对于挡风墙结构(尤其是高铁挡风墙)的损伤预警技术还处于起步阶段。但是在环境侵蚀、材料老化、荷载变异等因素共同作用下，损伤将会在挡风墙结构内部不断地出现并积累，当损伤积累到一定程度，轻则引起挡风墙局部破坏、重则造成其失稳，削弱挡风墙对高速行驶列车的保护能力。尤其在大风区、沙漠、戈壁等条件恶劣的地区，高铁挡风墙因损伤一旦发生破坏或失稳势必威胁高速列车安全。一方面，在大风地区挡风墙破坏或失稳会削弱挡风墙的抗风能力，大风引起的紊乱气流可能造成铁路中断行车、引发列车脱线、吹翻列车的重大事故；另一方面，穿过挡风墙的砂石可能会击中高速行驶的列车或者堆积在铁轨上，这将严重影响高速行驶列车的安全。因此，必须定期或实时对高铁挡风墙“健康状况”进行监测，当发现安全隐患时及时预警。但目前，对于高速铁路挡风墙结构的损伤预警方法或技术仍处于空白状态。因此，迫切需要一种简单方便、快速高效、无损智能的挡风墙结构损伤预警方法。在多因素综合共同作用下，运营状态下的挡风墙会产生损伤。通过对初始状态(无损状态)和运营状态下的挡风墙施加振动激励，然后对初始和运营状态下挡风墙的动力响应信号进行希尔伯特-黄变换，则可提取反映其损伤的信息。但对挡风墙这类大体积、高质量的结构施加激励，要使其产生有用的响应必须采用专用设备施加较大的激励力，而过大的人工激励又可能造成其损伤。相对于人工激励，环境激励(如风荷载、地震荷载、爆炸荷载、机械振动荷载、车辆动荷载等或其组合)需要简单的试验装备和少量试验仪器，且环境激励能够进行结构全尺度的测量。而且事实上，挡风墙结构的振动大多是由于高速行驶列车的振动荷载或风荷载引起的。所以，为了采集挡风墙的动力响应，对挡风墙施加环境激励更为便捷、合理。另外，直接基于挡风墙结构动力响应的希尔伯特边际能量谱并不是其固有动力参数，它随外界荷载变化而变化，但是基于动力响应间的虚拟脉冲响应函数与激励无关。因此，基于虚拟脉冲响应函数的希尔伯特边际能量谱亦与激励无关。于是，基于虚拟脉冲响应函数的希尔伯特边际能量谱，创建希尔伯特损伤特征向量谱，并提出预警指标。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种用于高速铁路挡风墙结构的损伤预警方法，基于
技术介绍
的思想，首先，通过对高速铁路挡风墙结构施加环境激励；通过无线传感器将挡风墙的动力响应信号经过无线信号传输系统传送到计算机；然后，通过计算机对传输信号进行处理，得到挡风墙结构响应信号间的虚拟脉冲响应函数；对虚拟脉冲响应函数进行希尔伯特-黄变换和希尔伯特边际能量谱分析，并创建希尔伯特损伤特征向量谱，提出损伤预警指标；最后，通过预警指标对挡风墙损伤状态和损伤程度进行预警。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种用于高速铁路挡风墙结构的损伤预警方法，该方法包括以下步骤：步骤一：借助高速行驶列车引起的振动对初始状态和运营状态下的高速铁路挡风墙结构施加环境激励；步骤二：通过无线传感器采集挡风墙在初始状态和运营状态下的动力响应信号，采集的信号经无线传输系统传送到计算机；步骤三：通过计算机对采集信号进行处理，得到挡风墙在初始状态和运营状态下动力响应间的虚拟脉冲响应函数信号H(t)u和H(t)d；步骤四：分别对H(t)u和H(t)d进行经验模态分解，得到初始和运营状态下的固有模态函数{IMF}u和{IMF}d，分别对{IMF}u和{IMF}d进行希尔伯特变换，得到挡风墙在初始状态和运营状态下动力响应信号间虚拟脉冲响应函数的希尔伯特谱H(ω,t)u和H(ω,t)d；步骤五：计算H(ω,t)u和H(ω,t)d的希尔伯特边际能量谱E(ω)u和E(ω)d，创建希尔伯特损伤特征向量谱ERD(ω)及损伤预警指标ERSD；步骤六：通过ERSD对挡风墙损伤状态和损伤程度进行预警。进一步，在所述步骤一中，通过高速行驶列车引起的振动对初始状态和运营状态下的挡风墙结构施加环境激励，高速行驶的列车必然引起挡风墙振动，而且列车激励符合环境激励的特征，因此将高速行驶列车引起的振动作为环境激励装置。进一步，在所述步骤三中，通过计算机对采集信号进行处理，得到挡风墙在初始状态和运营状态下动力响应间的虚拟脉冲响应函数信号H(t)u和H(t)d；以参考点的动力响应作为虚拟激励、计算点的动力响应作为虚拟响应，然后计算H(t)u和H(t)d。进一步，在所述步骤四中，通过计算机分别对H(t)u和H(t)d进行希尔伯特变换，得到挡风墙在初始状态和运营状态下动力响应信号间虚拟脉冲响应函数的希尔伯特谱H(ω,t)u和H(ω,t)d；41)先对H(t)u和H(t)d进行经验模态分解，得到n个频段的固有模态函数{IMF}，包括初始状态和运营状态下的固有模态函数{IMF}u和{IMF}d；42)分别对{IMF}u和{IMF}d进行希尔伯特变换，得到H(ω,t)u和H(ω,t)d。进一步，在所述步骤五中，计算H(ω,t)u和H(ω,t)d的希尔伯特边际能量谱E(ω)u和E(ω)d，创建表征损伤的希尔伯特损伤特征向量谱ERD(ω)及损伤预警指标ERSD；51)分别对H(ω,t)u和H(ω,t)d振幅的二次方对时间进行积分，得到挡风墙在初始状态和运营状态下动力响应信号间虚拟脉冲响应函数的希尔伯特边际能量谱E(ω)u和E(ω)d；52)分别计算E(ω)u和E(ω)d中各个频段的能量Eju和Ejd(j＝1,2,…,n)占总能量和的比值，得到挡风墙在初始状态和运营状态下动力响应信号间虚拟脉冲响应函数的希尔伯特边际能量比谱ER(ω)u和ER(ω)d；53)通过一个阈值ε从这n个频段中提取p(p≤n)个频段，这p个频段对应的能量比用于反映损伤信息；除了这p个频段外，剩余(n-p)个频段对于反映损伤信息的作用也不能忽视，将这(n-p)个频段合并为第(p+1)个频段，并称之为附加频段，对应的能量比记为ERp+1，通过这(p+1)个频段的能量比构建希尔伯特特征向量谱ERV(ω)u和ERV(ω)d；54)基于ERV(ω)u和ERV(ω)d，计算挡风墙在初始状态和运营状态下第k个频段上的希尔伯特边际能量比偏差ERD(ω)k＝|ERVku-ERVkd|(k＝1,2,…,p,p+1)，ERVku和ERVkd分别表示第k个频段的希尔伯特边际能量比；然后创建希尔伯特损伤特征向量谱ERD(ω)以及预警指标：希尔伯特边际能量比标准偏差进一步，在所述步骤六中，通过ERSD对挡风墙损伤状态和损伤程度进行预警；61)当ERD(ω)为零向量时，挡风墙没有发生损伤；当ERD(ω)为非零向量时，挡风墙发生损伤；通过ERD(ω)定性判别挡风墙损伤状态；当ERSD＝0时，挡风墙没有发生损伤；当ERSD＞0时，挡风墙发生损伤；通过ERSD定量判别挡风墙损伤状态，当挡风墙发生损伤时及时预警；62)通过建立损伤预警指标ERSD与损伤程度DI间的定量关系判别挡风墙损伤程度，当损伤程度超过预警值时及时预警。本专利技术的有益效果在于：本专利技术针对保护高铁安全运行的挡风墙结构，对环境激励(高速列车激励)下无损本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高速铁路挡风墙结构的损伤预警方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一：借助高速行驶列车引起的振动对初始状态和运营状态下的高速铁路挡风墙结构施加环境激励；步骤二：通过无线传感器采集挡风墙在初始状态和运营状态下的动力响应信号，采集的信号经无线传输系统传送到计算机；步骤三：通过计算机对采集信号进行处理，得到挡风墙在初始状态和运营状态下动力响应间的虚拟脉冲响应函数信号H(t)u和H(t)d；步骤四：分别对H(t)u和H(t)d进行经验模态分解，得到初始和运营状态下的固有模态函数{IMF}u和{IMF}d，分别对{IMF}u和{IMF}d进行希尔伯特变换，得到挡风墙在初始状态和运营状态下动力响应信号间虚拟脉冲响应函数的希尔伯特谱H(ω,t)u和H(ω,t)d；步骤五：计算H(ω,t)u和H(ω,t)d的希尔伯特边际能量谱E(ω)u和E(ω)d，创建希尔伯特损伤特征向量谱ERD(ω)及损伤预警指标ERSD；步骤六：通过ERSD对挡风墙损伤状态和损伤程度进行预警。

【技术特征摘要】
1.一种用于高速铁路挡风墙结构的损伤预警方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一：借助高速行驶列车引起的振动对初始状态和运营状态下的高速铁路挡风墙结构施加环境激励；步骤二：通过无线传感器采集挡风墙在初始状态和运营状态下的动力响应信号，采集的信号经无线传输系统传送到计算机；步骤三：通过计算机对采集信号进行处理，得到挡风墙在初始状态和运营状态下动力响应间的虚拟脉冲响应函数信号H(t)u和H(t)d；步骤四：分别对H(t)u和H(t)d进行经验模态分解，得到初始和运营状态下的固有模态函数{IMF}u和{IMF}d，分别对{IMF}u和{IMF}d进行希尔伯特变换，得到挡风墙在初始状态和运营状态下动力响应信号间虚拟脉冲响应函数的希尔伯特谱H(ω,t)u和H(ω,t)d；步骤五：计算H(ω,t)u和H(ω,t)d的希尔伯特边际能量谱E(ω)u和E(ω)d，创建希尔伯特损伤特征向量谱ERD(ω)及损伤预警指标ERSD；步骤六：通过ERSD对挡风墙损伤状态和损伤程度进行预警。2.根据权利要求1所述的一种用于高速铁路挡风墙结构的损伤预警方法，其特征在于：在所述步骤一中，通过高速行驶列车引起的振动对初始状态和运营状态下的挡风墙结构施加环境激励，高速行驶的列车必然引起挡风墙振动，而且列车激励符合环境激励的特征，因此将高速行驶列车引起的振动作为环境激励装置。3.根据权利要求1所述的一种用于高速铁路挡风墙结构的损伤预警方法，其特征在于：在所述步骤三中，通过计算机对采集信号进行处理，得到挡风墙在初始状态和运营状态下动力响应间的虚拟脉冲响应函数信号H(t)u和H(t)d；以参考点的动力响应作为虚拟激励、计算点的动力响应作为虚拟响应，然后计算H(t)u和H(t)d。4.根据权利要求1所述的一种用于高速铁路挡风墙结构的损伤预警方法，其特征在于：在所述步骤四中，通过计算机分别对H(t)u和H(t)d进行希尔伯特-黄变换，得到挡风墙在初始状态和运营状态下动力响应信号间虚拟脉冲响应函数的希尔伯特谱H(ω,t)u和H(ω,t)d；41)先对H(t)u和H(t)d进行经验模态分解，得到n个频段的固有模态函数{IMF}，包括初始状态和运营状态下的固有模态函数{IMF}u和{IMF}d；42)分别对{IMF}u和...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐乾，
申请(专利权)人：陕西理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61