基于實(shí)測(cè)加速度的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)外界時(shí)段激勵(lì)評(píng)價(jià)方法
【專利說(shuō)明】基于實(shí)測(cè)加速度的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)外界時(shí)段激勵(lì)評(píng)價(jià)方法 一、技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)外界時(shí)段激勵(lì)評(píng)價(jià)方法，涉及到大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān) 測(cè)，具體是一種基于實(shí)測(cè)加速度的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)外界時(shí)段激勵(lì)評(píng)價(jià)方法。
[0002] 二、背景介紹
[0003] 大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)在橋梁的管理和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。結(jié)構(gòu) 健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是分析橋梁結(jié)構(gòu)損傷以及外界激勵(lì)作用的重要參考。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損傷判斷較 為簡(jiǎn)單，僅僅通過(guò)有限元分析工具來(lái)模擬外界激勵(lì)以及橋梁響應(yīng)，然而激勵(lì)的不確定性以 及隨機(jī)性很難精確模擬，激勵(lì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用影響較大，模擬不準(zhǔn)確往往會(huì)造成對(duì)橋梁 的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)不夠精確。
[0004] 采用基于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析橋梁結(jié)構(gòu)損傷是一種在實(shí)際外界 激勵(lì)條件下的評(píng)價(jià)方法，結(jié)論具有可靠性和說(shuō)服力。采用加速度均方根值以及函數(shù)逼近方 法來(lái)評(píng)價(jià)外界激勵(lì)的時(shí)段響應(yīng)具有準(zhǔn)確解決外界激勵(lì)不確定性和隨機(jī)性的作用。對(duì)于橋梁 的科學(xué)管理和維護(hù)工作，具有積極作用。 三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于，提供一種使用范圍廣，測(cè)量精度高的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)外界時(shí) 段激勵(lì)評(píng)價(jià)方法，該方法只需將時(shí)刻帶入擬合函數(shù)或者曲線進(jìn)行計(jì)算即可實(shí)時(shí)得出任何時(shí) 刻外界激勵(lì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的振動(dòng)影響。該方法還可廣泛應(yīng)用于大型建筑、隧道等常見的 重大基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：基于實(shí)測(cè)加速度的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)外界時(shí)段激勵(lì)評(píng) 價(jià)方法，首先由橋梁結(jié)構(gòu)上設(shè)置的加速度采集單元、應(yīng)變/應(yīng)力采集單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的加速度采集單元的加速度數(shù)據(jù)提取出來(lái)，并經(jīng)過(guò)濾波去噪處理； 其次將一天24小時(shí)數(shù)據(jù)按照小時(shí)進(jìn)行劃分，一共分成24個(gè)時(shí)段；再次針對(duì)24個(gè)時(shí)段的數(shù) 據(jù)進(jìn)行振動(dòng)的均方根（RMS)處理，計(jì)算RMS處理結(jié)果。每個(gè)時(shí)段計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加 即24個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加；繼而利用每個(gè)時(shí)段結(jié)果和累加的24個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)果，推算出每個(gè)時(shí)段振 動(dòng)比例，通過(guò)圖形方式描述出振動(dòng)比例變化趨勢(shì)圖；最后通過(guò)高斯逼近方法，計(jì)算出擬合函 數(shù)的各階參數(shù)，從而可以推導(dǎo)出擬合函數(shù)以及擬合曲線。根據(jù)擬合函數(shù)或者擬合曲線，可以 計(jì)算任意時(shí)刻外界激勵(lì)的變化規(guī)律以及振動(dòng)RMS比例，從而可以更好的評(píng)價(jià)外界激勵(lì)對(duì)橋 梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的作用規(guī)律。
[0007] 所述的均方根（RMS)處理，是指對(duì)每個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行均方根值計(jì)算，公式如下：
[0009]其中Xi代表這個(gè)時(shí)間段內(nèi)所有的加速度數(shù)值，N代表這個(gè)時(shí)間段內(nèi)采集到的加速 度個(gè)數(shù)，Xms代表計(jì)算出來(lái)的加速度有效值。
[0010] 所述的每個(gè)時(shí)段振動(dòng)比例值，各時(shí)段的振動(dòng)有效值除以所有時(shí)段累加值來(lái)計(jì)算 的，公式如下：
[0012] 其中R(i)代表計(jì)算出的個(gè)時(shí)段振動(dòng)比例值，Ui)代表第i個(gè)時(shí)段的加速度有效 值。
[0013] 所述的高斯逼近方法通過(guò)如下公式來(lái)計(jì)算，
[0014] f(X)=al*exp(_ ((x_bl)/cl) ~2)+a2*exp(_ ((x_b2)/c2) ~2) +
[0015]a3*exp(- ((x_b3) /c3) ~ 2) +a4*exp(- ((x_b4) /c4) ~ 2) +
[0016]a5*exp(_((x_b5)/c5)~ 2)+a6*exp(_ ((x_b6)/c6)~ 2)
[0017]其中f(x)代表擬合函數(shù)；al,a2,a3,a4,a5,a6 ;bl,b2,b3,b4,b5,b6 ;cl,c2,c3,c4 ，c5,c6分別代表各階參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)具體原始數(shù)值擬合出來(lái)。
[0018] 基于實(shí)測(cè)加速度的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)外界時(shí)段激勵(lì)評(píng)價(jià)方法，所述的橋梁結(jié)構(gòu)健康 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊，信號(hào)調(diào)理模塊，光纖轉(zhuǎn)換模塊及收發(fā)器，以及監(jiān)控中心；其中 數(shù)據(jù)采集模塊包括加速度采集單元，應(yīng)變/應(yīng)力采集單元，溫濕度采集單元以及位移采集 單元等等；數(shù)據(jù)采集單元完成的任務(wù)包括數(shù)據(jù)的采集工作，數(shù)據(jù)的抗混疊濾波工作，數(shù)據(jù)的 終端傳輸（有線和無(wú)線均可）至信號(hào)調(diào)理單元，信號(hào)調(diào)理單元用于數(shù)據(jù)的數(shù)字化工作，包括 一個(gè)16位以上模數(shù)轉(zhuǎn)換器；光纖轉(zhuǎn)換模塊及收發(fā)器用于將數(shù)字化信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)并通 過(guò)光纖傳輸至監(jiān)控中心；監(jiān)控中心用于數(shù)據(jù)圖形化，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)建模，結(jié)構(gòu)健康狀 態(tài)評(píng)價(jià)等等工作。應(yīng)變/應(yīng)力采集單元是應(yīng)力分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括分布式傳感光纜； 分布式傳感光纜敷設(shè)于橋梁的梁柱應(yīng)力處。
[0019] 溫濕度采集單元用于修訂加速度采集單元、應(yīng)變/應(yīng)力采集單元數(shù)據(jù)。
[0020] 本發(fā)明的有益效果包括：（1)采用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，解決了傳統(tǒng)有 限元模擬數(shù)據(jù)的不精確性；（2)提出了采用RMS方法將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域振動(dòng)分析，解決了 振動(dòng)有效值計(jì)算問(wèn)題；(3)采用高斯逼近方法，提出了基于高斯概率密度函數(shù)來(lái)擬合曲線， 將離散數(shù)值連續(xù)化，并計(jì)算出函數(shù)參數(shù)，從而可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算任何時(shí)段的振動(dòng)RMS比例；(4) 通過(guò)本發(fā)明的創(chuàng)造，可快速實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的評(píng)價(jià)，以及將外界激勵(lì)進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)； (5)可根據(jù)本發(fā)明，對(duì)車載荷進(jìn)行有針對(duì)性的控制和調(diào)節(jié)。提供一種使用范圍廣，測(cè)量精度 高的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)外界時(shí)段激勵(lì)評(píng)價(jià)方法。該方法可實(shí)時(shí)計(jì)算任何時(shí)刻外界激勵(lì)對(duì)橋梁 結(jié)構(gòu)狀態(tài)的振動(dòng)比例與影響。該方法還可廣泛應(yīng)用于大型建筑、隧道等常見的重大基礎(chǔ)設(shè) 施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。 四、【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)24小時(shí)加速度數(shù)據(jù)；
[0023]圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)工作流程圖；
[0024] 圖4是將24小時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行RMS處理，并比例化的結(jié)果；
[0025] 圖5是將RMS比例曲線進(jìn)行高斯逼近，并擬合出的曲線。
[0026]五、具體實(shí)施案例
[0027] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)闡述，但本系統(tǒng)應(yīng)用范圍不限于此例。
[0028] 結(jié)合圖1，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型一般包括加速度、應(yīng)變/應(yīng)力、溫濕度、 以及位移等等。其中加速度和應(yīng)變/應(yīng)力是結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析的兩個(gè)重要的參數(shù)。系統(tǒng)架構(gòu)一 般包括采集單元，信號(hào)調(diào)理單元，光纖收發(fā)單元以及監(jiān)控中心。采集單元可以通過(guò)有線或者 無(wú)線方式傳輸，內(nèi)部集成抗混疊濾波器保證原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。信號(hào)調(diào)理單元會(huì)對(duì)原始數(shù) 據(jù)進(jìn)行濾噪處理以及數(shù)字化處理等工作。光纖收發(fā)單元將數(shù)據(jù)從橋梁傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的監(jiān)控中 心。監(jiān)控中心進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析，曲線擬合，以及其他結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)工作等等。
[0029] 加速度采集單元：加速度傳感器（SD1221)置于橋梁振動(dòng)幅度較大或者易于發(fā)生 結(jié)構(gòu)損傷的區(qū)域；應(yīng)變/應(yīng)力采集單