專利名稱：：基于梁端縱向位移的橋梁伸縮縫損傷診斷智能方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明是一種應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)伸縮縫損傷診斷的智能方法，涉及橋梁工程的無損檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：橋梁在溫度變化時，橋面有膨脹和收縮的縱向變形，另外，在車輛荷載的作用下，橋面也會產(chǎn)生縱向位移。為滿足這種變形，就要在橋梁的梁端與橋臺之間設(shè)置伸縮縫。在橋梁結(jié)構(gòu)中，伸縮縫不僅要滿足由于溫度變化和車輛荷載所引起的主梁的縱向變形，還要滿足混凝土收縮徐變引起的位移，并消減由于不均勻沉降所引起的上部結(jié)構(gòu)的二次應(yīng)力[1]，因此，伸縮縫是橋梁中很重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其狀態(tài)安全與否不僅關(guān)系到整個橋梁結(jié)構(gòu)的運營，還直接影響到車輛通過橋梁時的行車狀態(tài)。橋梁伸縮縫受力復(fù)雜，一直是橋梁的薄弱環(huán)節(jié)，但是由于存在著諸如設(shè)計施工缺陷、管理維護(hù)不善及車輛超載加劇等情況，使得實際工程中的伸縮縫發(fā)生損壞的情況較為嚴(yán)重，因此需要對伸縮縫的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和評估，以便準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)其損傷的發(fā)生，并及時地對伸縮縫進(jìn)行修復(fù)或者進(jìn)行更換。目前，伸縮縫損傷檢測主要采用人工定期檢測的方式，這種方式存在以下的問題(1)人工檢測的主觀性較強(qiáng)，不能對伸縮縫的損傷狀態(tài)做出定量的判斷；(2)人工檢測通常會影響交通，并且缺乏歷史數(shù)據(jù)的積累；(3)實時性較差，不能及時地發(fā)現(xiàn)伸縮縫損傷的發(fā)生，有可能影響到橋梁結(jié)構(gòu)和行車的安全；(4)由于需要長期定期的指派維護(hù)工人進(jìn)行現(xiàn)場查看，總體費用較高。因此，針對上述人工檢測的缺點，迫切需要發(fā)展一種智能方法對橋梁伸縮縫的狀態(tài)進(jìn)行實時地?fù)p傷診斷。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展為實現(xiàn)上述目的提供了契機(jī)[2—3]，工程建設(shè)過程中可以在橋梁結(jié)構(gòu)上敷設(shè)傳感器，在橋梁運營期間長期地記錄梁端的縱向變位、結(jié)構(gòu)溫度、交通荷載等數(shù)據(jù)，通過這些監(jiān)測數(shù)據(jù)，橋梁管理人員就可以對伸縮縫的"健康"狀態(tài)進(jìn)行評估，為伸縮縫的維護(hù)、維修和管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)[l]ChenWai-Fah，DuanLian.Bridgeengineeringhandbook[M].BocaRaton:CRCPress,2000.[2]李愛群，繆長青，李兆霞.潤揚長江公路大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，33(5):544-548.[3]KoJM，NiYQ.Technologydevelopmentsinstructuralhealthmonitoringoflarge-scalebridges[J].EngineeringStructures,2005，27(12):1715-1725.
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種基于梁端縱向位移異常監(jiān)測的伸縮縫損傷診斷方法，解決現(xiàn)有檢測技術(shù)的不足。技術(shù)方案本發(fā)明的基本思想是由于在橋梁主梁的端部設(shè)置伸縮縫的目的就是為了滿足主梁縱向變位的需要，因此，梁端縱向位移的變化規(guī)律就隱含了伸縮縫的狀態(tài)信息，當(dāng)伸縮縫發(fā)生損傷時，梁端縱向位移就會發(fā)生異常變化，基于這種位移的變化，就可以對橋梁伸縮縫的損傷進(jìn)行識別。但是，如
背景技術(shù)：
中所述，在橋梁的運營狀況下，溫度、車輛荷載的作用將會引起梁端縱向位移在一個較寬的范圍內(nèi)波動(溫度、車輛荷載引起梁端位移的原理見說明書附圖1和圖2)，這種波動將淹沒或掩蓋結(jié)構(gòu)因伸縮縫損傷所造成的位移變化。因此，本發(fā)明的方法是建立伸縮縫正常狀態(tài)下的梁端縱向位移與溫度、車輛荷載等環(huán)境條件的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上消除環(huán)境條件對縱向位移的影響，得到能夠真正反映伸縮縫健康狀態(tài)的縱向位移，并采用均值控制圖的方法識別由伸縮縫損傷所引起的縱向位移異常變化，從而建立了能夠?qū)ι炜s縫狀態(tài)進(jìn)行實時在線損傷診斷的智能方法。本發(fā)明提出的基于梁端縱向位移的橋梁伸縮縫損傷診斷的智能方法為1)主梁梁端的縱向位移及橋梁環(huán)境條件傳感器的設(shè)置橋梁施工建設(shè)時，在主梁梁端位置設(shè)置縱向位移傳感器，同時，在主梁的跨中位置安裝溫度傳感器和加速度傳感器，用以監(jiān)測主梁的溫度和由于車輛荷載引起的主梁豎向加速度；2)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理以10-min為計算區(qū)間，對傳感器獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算梁端縱向位移、溫度和車輛荷載的代表值；3)完好狀態(tài)下縱向位移和環(huán)境條件的數(shù)學(xué)相關(guān)模型a)選取橋梁施工建成后n天的監(jiān)測數(shù)據(jù)來建立相關(guān)模型，縱向位移D、溫度T和車輛荷載代表值R，b)采用線性回歸的方法建立溫度T和梁端縱向位移D之間的關(guān)系，回歸模型參數(shù)由最小二乘方法計算得到，c)在建立車輛荷載代表值R與位移的相關(guān)模型之前，先消除溫度對縱向位移的影響，選取參考溫度為Tr，將位移原始測試值D"歸一化"至參考溫度Tr，得到消除溫度影響的梁端縱向位移值D"d)采用線性回歸建立D工和車輛荷載代表值R的相關(guān)性模型，然后與步驟c)類似，選取車輛荷載的參考值為Rr，將步驟c)中得到的D/'歸一化"至車輛荷載的參考值Rr，得到消除車輛荷載影響的位移值02;4)控制圖顯著性水平的確定將步驟3)計算出的位移值D2取日平均值，記為&，將其輸入均值控制圖，調(diào)整控制圖的顯著性水平，使得上述n個樣本點全部落在控制圖的上、下控制線之內(nèi)；5)伸縮縫損傷的智能診斷對未知狀態(tài)的m天監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用伸縮縫完好狀態(tài)下的相關(guān)模型消除溫度和車輛荷載的影響，在此基礎(chǔ)上得到m個日平均位移值，記為&。保持步驟4)確定的顯著性不變，將^和55同時輸入均值控制圖，此時，若所有n+m個樣本仍全部位于上、下控制線內(nèi)，則說明伸縮縫狀態(tài)為正常，若有樣本落在了控制線以外，則說明伸縮縫狀態(tài)異常，可作出伸縮縫發(fā)生損傷的預(yù)警。有益效果針對運營狀態(tài)下橋梁伸縮縫極易發(fā)生損壞的工程實際，本發(fā)明綜合采用現(xiàn)場測試、線性回歸、均值控制圖等手段提出了基于梁端縱向位移的損傷診斷的智能方法，具有以下有益效果(1)本發(fā)明所需安裝的傳感器數(shù)量較少，僅需要位移傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器。同時，本發(fā)明采用的方法簡單易行，可以在計算機(jī)中較為方便地編程實現(xiàn)，方便實際工程的應(yīng)用。(2)本發(fā)明全面考慮了環(huán)境因素對梁端縱向位移所產(chǎn)生的影響，分步消除了結(jié)構(gòu)溫度、車輛荷載對位移測試值的影響，消除環(huán)境因素影響后的位移值可以準(zhǔn)確地反映運營狀態(tài)下橋梁伸縮縫的健康狀態(tài)。(3)本發(fā)明引入均值控制圖的方法對梁端縱向位移的異常變化進(jìn)行多樣本的假設(shè)檢驗，可以減少誤判的可能性。(4)本發(fā)明能夠?qū)ι炜s縫狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，方法的實現(xiàn)過程中無需人工干預(yù)，減少了人力勞動的支出，可以實現(xiàn)橋梁伸縮縫的無人值守的智能監(jiān)測，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。圖1是溫度升高時簡支梁縱向位移變形圖，圖中Tt表示溫度升高，dt表示溫度引起的梁端縱向位移；圖2是車輛荷載作用下簡支梁縱向位移變形圖，圖中F表示車輛荷載，df表示車輛荷載引起的梁端縱向位移；圖3為主梁北端縱向位移和溫度的相關(guān)性散點圖；圖4為主梁南端縱向位移和溫度的相關(guān)性散點圖；圖5為主梁北端縱向位移和加速度均方根的相關(guān)性散點圖，圖中的加速度RMS表示加速度均方根；圖6為主梁南端縱向位移和加速度均方根的相關(guān)性散點圖，圖中的加速度RMS表示加速度均方根；圖7為主梁北端縱向位移的日平均的實測值和消除環(huán)境影響后的歸一化值；圖8為主梁南端縱向位移的日平均的實測值和消除環(huán)境影響后的歸一化值；圖9為伸縮縫正常狀態(tài)下的位移均值控制圖，圖中的UCL表示上控制線，LCL表示下控制線，CL為控制圖的中線；圖IO伸縮縫損傷狀態(tài)下的位移均值控制圖，圖中的UCL表示上控制線，LCL表示下控制線，CL為控制圖的中線。具體實施例方式下面對本發(fā)明的具體實施方案進(jìn)行進(jìn)一步的描述(1)在梁端縱向位移及橋梁環(huán)境條件傳感器的設(shè)置過程中，傳感器的布置數(shù)量、位置及參數(shù)的設(shè)置可視橋的類型、跨徑、橋面寬度以及橋址的環(huán)境等具體情況而定，通常在主梁梁端各設(shè)置一個縱向位移傳感器，在主梁跨中設(shè)置一個溫度傳感器和一個加速度傳感器，即可滿足本發(fā)明的需要。(2)將原始監(jiān)測數(shù)據(jù)作如下處理梁端縱向位移和結(jié)構(gòu)溫度數(shù)據(jù)以10-min為區(qū)間計算其平均值，以此作為這一時間區(qū)段內(nèi)的梁端縱向位移和結(jié)構(gòu)溫度的代表值，以10-min為區(qū)間計算主梁豎向加速度的均方根(RootMeanSquare,簡記為RMS)，以此作為這一時間段內(nèi)的車輛荷載的強(qiáng)度代表值。(3)選擇橋梁施工完成后n天的監(jiān)測數(shù)據(jù)來建立相關(guān)模型，這是因為這段時間內(nèi)的伸縮縫可認(rèn)為處于完好的狀態(tài)，以D、T和R分別表示位移、溫度和車輛荷載代表值，樣本總數(shù)為144Xn。(4)采用線性回歸的方法建立溫度T和梁端縱向位移D之間的關(guān)系，模型表達(dá)式為D=P0+eJ(1)式中，|3。和|3i為回歸系數(shù)，可通過最小二乘的方法得到A=|F，13。=5-133(2)式中，SDT為位移與溫度的協(xié)方差；STT為溫度的方差；D和T分別為位移和溫度的均值。(5)選取參考溫度為Tr，將其代入式(l)，得到位移的參考值為Dr，同時將溫度代表值T也代入式(l)，得到位移的計算值Dt，于是可計算消除溫度影響的梁端縱向位移值D工D丄=D-(Dt_Dr)(3)(6)建立消除了溫度影響的位移值D工和車輛荷載代表值R的線性回歸模型=P2+P3R(4)式中，|32和|33為回歸系數(shù)，可類似式(2)計算。選取車輛荷載的參考值為&，將其代入式(4)，得到位移的參考值Drr，將車輛荷載代表值R也代入式(4)，得到位移的計算值Dtt，可計算消除了車輛荷載影響的位移值D2:D2=D「(Dtt—Drr)(5)(7)將消除了溫度和車輛荷載影響的144Xn個位移值D2取日平均值，得到了n個位移樣本，記為&，將&輸入均值控制圖，調(diào)整控制圖的顯著性水平，使得上述n個樣本點全部落在上、下控制線(UCL、LCL)之內(nèi)。(8)對未知狀態(tài)的m天監(jiān)測數(shù)據(jù)，首先將其處理為10-min為計算區(qū)間的代表值，然后采用伸縮縫完好狀態(tài)下的相關(guān)模型消除溫度和車輛荷載的影響，計算出144Xm個消除溫度和車輛荷載影響的位移值D3，然后再取日平均值，得到m個位移樣本，記為&。保持控制圖的顯著性水平與完好狀態(tài)下的一致，將^和&同時輸入均值控制圖，此時，若所有n+m個樣本仍全部位于上、下控制線內(nèi)，則說明伸縮縫狀態(tài)為正常，若有樣本落在了控制線以外，則說明伸縮縫狀態(tài)異常，可作出伸縮縫發(fā)生損傷的預(yù)警。下面以潤揚大橋南汊懸索橋為例，說明本發(fā)明的具體實施過程選取2006年一月到六月100天的監(jiān)測數(shù)據(jù)來建立梁端縱向位移和溫度及車輛荷載的相關(guān)性，傳感器選用的是主梁兩端的位移傳感器、主梁跨中的溫度傳感器和豎向加速度傳感器，以10-min為時距，計算了縱向位移、溫度和車輛荷載的代表值，共144X100=14400個樣本。圖3和圖4分別給出了主梁北端、南端的位移與溫度的相關(guān)性散點圖，從圖這兩幅圖可以看出，梁端縱向位移與溫度之間存在較強(qiáng)的線性相關(guān)性，并表現(xiàn)出"溫度高位移大、溫度低位移小"的特征。同時由圖3發(fā)現(xiàn)主梁北端位移的變化區(qū)間為[-23.0cm，28.7cm]，由圖4發(fā)現(xiàn)南端的變化區(qū)間為[-20.6cm，33.Ocm]，由此可得梁端縱向位移的變化幅度為51.7cm和53.6cm。表1給出了采用線性回歸分析建立的位移D和溫度T的相關(guān)性模型。表1溫度-位移的線性回歸模型<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>選取參考溫度L為2(TC，將參考溫度值代入表1的線性模型，得到梁端的參考位移Dr，同時將溫度代表值T也代入表1的模型，得到位移的計算值Dt，得到消除溫度影響的梁端縱向位移值D"圖5和圖6分別給出了主梁北端和南端的縱向位移D工與車輛荷載代表值R(加速度RMS)的相關(guān)性散點圖，從圖中可以看出數(shù)據(jù)點的分布較分散，但是仍然可以看到R和D工之間具有明顯的相關(guān)性，表現(xiàn)出"荷載大位移小，荷載小位移大"的特征。同樣，表2給出了采用回歸分析建立的位移D工和車輛荷載代表值R的相關(guān)性模型。表2車輛荷載_位移的線性回歸模型<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>選取參考車輛荷載代表值&為lcm/s2，將車輛荷載代表值代入表2的線性模型，得到梁端的參考位移Drr，同時將車輛荷載代表值R也代入表2的模型，得到位移的計算值Dtt，得到消除溫度和車輛荷載影響的梁端縱向位移值D2。將D2取日平均值，得到100個樣本，記為^。再取另外48天監(jiān)測數(shù)據(jù)作為伸縮縫狀態(tài)未知時的數(shù)據(jù)，采用本發(fā)明的方法得到48個日平均位移樣本，記為&。圖7和圖8分別給出了主梁北端和南端的縱向位移日平均的實測值和消除環(huán)境影響后的歸一化值。圖中實線表示位移的日平均實測值，虛線的前ioo個樣本即表示&，后48個樣本則表示55，從這兩幅圖可以看出南北端的位移歸一化值曲線變化都很平穩(wěn)，且幅度很小，這說明本發(fā)明的方法有效地去除了環(huán)境因素對梁端縱向位移的影響，將^和^同時輸入均值控制圖，圖9給出了伸縮縫正常狀態(tài)下的位移均值控制圖。圖中前100個數(shù)據(jù)表述伸縮縫完好狀態(tài)，即&;后48個數(shù)據(jù)表示伸縮縫未知狀態(tài)，即&。通過調(diào)整控制圖的顯著性水平使前100個樣本正好位于上下控制線之內(nèi)，同時，可以發(fā)現(xiàn)，后48個樣本同樣也位于控制線之內(nèi)，這說明此時伸縮縫處于健康狀態(tài)。為了檢驗本發(fā)明對伸縮縫進(jìn)行損傷評估的效果，將上述另取的48天的10-min平均的位移代表值施加一定的變化，以此來模擬伸縮縫損傷對位移的影響Dm=D-eAD(6)式中，D為后48天的10-min位移實測值；Dm為伸縮縫損傷狀態(tài)下后48天的10-min位移模擬值；e表示損傷水平，這里取為1.0%;AD為南北端梁端縱向位移的年變化幅度，即以上介紹的53.6cm和51.7cm。再將Dm按照本發(fā)明的方法計算得到48個日平均位移樣本，記為55。然后將^和^也同時輸入均值控制圖，保持控制圖的顯著性水平不變，圖IO給出了伸縮縫模擬損傷狀態(tài)下的位移均值控制圖，從圖中可以看出當(dāng)伸縮縫損傷引起位移發(fā)生1.0%的變化時，后48個樣本明顯地趨近下控制線，且有部分樣本已超出控制范圍，此時，可以判定伸縮縫發(fā)生損傷。以上算例表明本發(fā)明所提出的方法能夠有效地消除環(huán)境條件對梁端縱向位移變化的影響，提取出能夠反映伸縮縫狀態(tài)的縱向位移歸一化值，可以應(yīng)用于橋梁伸縮縫的長期在線監(jiān)測和損傷診斷。權(quán)利要求一種基于梁端縱向位移的橋梁伸縮縫損傷智能診斷方法，其特征在于該損傷診斷方法為1)主梁梁端的縱向位移及橋梁環(huán)境條件傳感器的設(shè)置橋梁施工建設(shè)時，在主梁梁端位置設(shè)置縱向位移傳感器，同時，在主梁的跨中位置安裝溫度傳感器和加速度傳感器，用以監(jiān)測主梁的溫度和由于車輛荷載引起的主梁豎向加速度；2)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理以10-min為計算區(qū)間，對傳感器獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算梁端縱向位移、溫度和車輛荷載的代表值；3)完好狀態(tài)下縱向位移和環(huán)境條件的數(shù)學(xué)相關(guān)模型a)選取橋梁施工建成后n天的監(jiān)測數(shù)據(jù)來建立相關(guān)模型，縱向位移D、溫度T和車輛荷載代表值R，b)采用線性回歸的方法建立溫度T和梁端縱向位移D之間的關(guān)系，回歸模型參數(shù)由最小二乘方法計算得到，c)在建立車輛荷載代表值R與位移的相關(guān)模型之前，先消除溫度對縱向位移的影響，選取參考溫度為Tr，將位移原始測試值D“歸一化”至參考溫度Tr，得到消除溫度影響的梁端縱向位移值D1，d)采用線性回歸建立D1和車輛荷載代表值R的相關(guān)性模型，然后與步驟c)類似，選取車輛荷載的參考值為Rr，將步驟c)中得到的D1“歸一化”至車輛荷載的參考值Rr，得到消除車輛荷載影響的位移值D2；4)控制圖顯著性水平的確定將步驟3)計算出的位移值D2取日平均值，記為D2，將其輸入均值控制圖，調(diào)整控制圖的顯著性水平，使得上述n個樣本點全部落在控制圖的上、下控制線之內(nèi)；5)伸縮縫損傷的智能診斷對未知狀態(tài)的m天監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用伸縮縫完好狀態(tài)下的相關(guān)模型消除溫度和車輛荷載的影響，在此基礎(chǔ)上得到m個日平均位移值，記為D3。保持步驟4)確定的顯著性不變，將D2和D3同時輸入均值控制圖，此時，若所有n+m個樣本仍全部位于上、下控制線內(nèi)，則說明伸縮縫狀態(tài)為正常，若有樣本落在了控制線以外，則說明伸縮縫狀態(tài)異常，可作出伸縮縫發(fā)生損傷的預(yù)警。全文摘要基于梁端縱向位移的橋梁伸縮縫損傷智能診斷方法，通過在橋梁上設(shè)置少量的傳感器獲得橋梁建成后的主梁縱向位移、溫度和豎向加速度的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，分步建立健康狀態(tài)下主梁縱向位移與橋梁溫度、豎向加速度的相關(guān)性模型，基于上述相關(guān)性模型可以消除主梁溫度、豎向加速度對縱向位移的影響，得到能夠反映伸縮縫工作狀態(tài)的“環(huán)境條件歸一化”位移。當(dāng)本方法應(yīng)用于伸縮縫的損傷診斷，只需采用已建立的相關(guān)性模型對未知狀態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后將健康狀態(tài)和未知狀態(tài)的“環(huán)境條件歸一化”位移同時輸入均值控制圖，若伸縮縫發(fā)生損傷，控制圖的樣本點就會超出控制線，這樣即實現(xiàn)了對伸縮縫損傷的智能識別。文檔編號G01B11/02GK101782372SQ20101902600公開日2010年7月21日申請日期2010年2月4日優(yōu)先權(quán)日2010年2月4日發(fā)明者丁幼亮,李愛群,鄧揚申請人:東南大學(xué)