[發明專利]懸索橋及拱橋吊桿定期檢測的損傷定位系統及其方法

有效

• 申請號: 201410141040.8
• 申請日: 2014-04-04
• 公開（公告）號: CN103911958A
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發明（設計）人: 安永輝;歐進萍
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: E01D22/00
• 分類號: E01D22/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 趙連明

1.懸索橋及拱橋吊桿定期檢測的損傷定位系統及其方法，其特征在于該系統由激勵模塊、數據采集模塊、數據分析模塊、決策模塊組成；

其中激勵模塊為將一個無線加速度傳感器依次安裝在每根吊桿的測點上，用力錘逐個激勵每根吊桿的測點并通過力錘端部的力傳感器記錄下脈沖激勵的幅值；

數據采集模塊分別采集來自力傳感器的激勵信號和來自吊桿測點的無線加速度傳感器發送的加速度信號，對每根吊桿依次采集，并存儲在計算機中；

數據分析模塊針對收集到的所有吊桿的激勵信號和加速度信號采用提出的吊桿的兩種損傷定位方法進行計算并給出損傷定位結果；

決策模塊顯示是否有損傷吊桿以及損傷吊桿的編號，若無損傷吊桿，則說明所有吊桿都是安全的；若有損傷吊桿，再使用物理無損檢測等局部檢測方法對損傷的吊桿進行檢測，然后根據吊桿損傷的嚴重性做出維修或更換吊桿的決策。

四個模塊之間為先后順序的關系：首先激勵吊桿；然后采集激勵信號和加速度振動響應信號；再將所有這些采集到的信號傳送到數據分析模塊中由提出的兩種損傷定位方法模塊進行計算；計算結果可顯示是否有損傷吊桿以及損傷吊桿的編號；最后在決策模塊中再次基于物理檢測工具和方法對已經找到的有損傷的吊桿進行損傷程度評估并采取最終決策。本發明結合了整體法和局部法對吊桿進行檢測。

2.懸索橋及拱橋吊桿定期檢測的第一種損傷定位方法，其特征在于如下步驟：

步驟一、測點和激勵點布置：在待檢測的每根吊桿上布置一個固定的測點和一個固定的激勵點；

步驟二、獲得加速度響應：在每根吊桿的激勵點用力錘以與吊桿索面垂直方向激勵該吊桿，同時力錘端部的力傳感器記錄下激勵幅值，并傳輸到計算機的數據采集模塊中；數據采集模塊分別基于損傷前的結構和未知狀態的結構獲得所有測點上與激勵方向相同方向的加速度；將不同脈沖激勵幅值下得到的加速度信號對激勵幅值進行歸一化，得到單位激勵幅值(1N)下的加速度響應；

步驟三、計算各測點加速度響應的修正對數加速度能量：吊桿k上測點的加速度時間序列(信號a^k)的各散點為則加速度信號a^k的修正對數加速度能量MLAE為

MLAE(ak)=logΣi=1N-1(aikai+1k)2---(1)]]>

其中log為常用對數，N為信號點數；損傷前后用于計算的加速度響應數據長度應相同，選擇完整的脈沖激勵加速度響應進行計算；得到每個測點的修正對數加速度能量后，連接這些值便可得到修正對數加速度能量波形；

步驟四、計算修正對數加速度能量波形差：損傷前后吊桿k上測點處信號的修正對數加速度能量差D^k定義如下，

(Dk)rs=(MLAEbeforek)r-(MLAEafterk)s---(2)]]>

其中(D^k)_rs是針對損傷前的第r個和損傷后的第s個響應信號計算出來的D^k，是損傷前吊桿k上測點處的第r個響應信號的修正對數加速度能量值，是損傷后吊桿k上測點處的第s個響應信號的修正對數加速度能量值；

步驟五、對所有測點處基于損傷前和損傷后的一對響應計算出的修正對數加速度能量差D^k進行歸一化，這樣每次識別中最大的修正對數加速度能量差值變為1；歸一化后的修正對數加速度能量差為

(Dk)rs*=(Dk)rs/maxk[(Dk)rs]---(3)]]>

步驟六、數據分析模塊中對多次激勵采集到的多組振動加速度進行步驟一至步驟五的多次計算后，定義損傷指標為平均歸一化修正對數加速度能量波形差；吊桿k上測點的損傷指標值如下式：

(DI)k=μk=1RSΣr=1RΣs=1s(Dk)rs*---(4)]]>

根據經驗，RS≥10；RS的值越大越好，實際使用中一般可取20；

步驟七、決策模塊：吊桿測點處的平均歸一化修正對數加速度能量差μ_k大于等于δ，將這個吊桿判別為損傷吊桿，即

損傷吊桿={(DI)_k≥δ}?????????(5)

其中δ是為了避免誤報結果的出現而引入的閾值；δ基于無損工況下振動響應數據的損傷定位結果確定，δ是一個比無損工況的歸一化修正對數加速度能量差均值μ_k略大的值；

若有損傷吊桿，使用物理無損檢測等局部檢測方法對損傷的吊桿進行檢測，然后根據吊桿損傷的嚴重性做出維修或更換吊桿的決策。

3.懸索橋及拱橋吊桿定期檢測的第二種損傷定位方法，其特征在于如下步驟：

步驟一至步驟五、與第一種懸索橋及拱橋吊桿定期檢測方法相同；這樣就獲得了所有測點處歸一化損傷特征函數差

步驟六、確定歸一化損傷特征函數差值是否大于等于閾值δ，

Γrsk=H{(DΔrsk*)---(6)]]>

其中H(·)是Heaviside階躍函數，若歸一化損傷特征函數差值大于等于閾值δ，H(·)的值為1，否則其值為0；此處的δ和式(5)中的閾值δ相同。

步驟七、數據分析模塊中基于RS組數據的識別將用來觀察各單元在多次損傷定位結果中的出現情況，定義多次識別中各單元大于等于閾值的次數占總次數的百分比為單元的損傷概率，并將吊桿k上測點的損傷概率定義為吊桿k的損傷指標(DI)_k，其公式如下：

(DI)k=1RSΣr=1RΣs=1sΓrsk---(7)]]>

步驟八、決策模塊：將損傷概率大于等于概率閾值ρ的單元確定為損傷單元，即

損傷吊桿={(DI)_k≥ρ}????????????(8)

其中ρ為概率閾值，基于無損數據的損傷概率結果確定。若某工況的多次識別結果中每個單元的損傷概率都小于ρ，則此工況為無損工況。

若有損傷吊桿，使用物理無損檢測等局部檢測方法對損傷的吊桿進行檢測，然后根據吊桿損傷的嚴重性做出維修或更換吊桿的決策。