[發明專利]板梁橋鉸縫損傷狀態識別方法

有效

• 申請號: 202010066509.1
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN113139707B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 周球尚;宗剛;任曉崧
• 申請（專利權）人: 上海遞革檢測有限公司
• 主分類號: G06Q10/06
• 分類號: G06Q10/06;G06Q50/08
• 代理公司: 上海科律專利代理事務所(特殊普通合伙) 31290
• 代理人: 葉鳳

1.一種板梁橋鉸縫損傷狀態識別方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1:通過對正常車下與板梁拼裝數量相適應測點的監測數據進行多點時間同步、樣本截取、低通濾波、篩選預處理，生成有效分析樣本集[S]；

步驟2:計算有效分析樣本的信號能量集[E]，并計算板橋振動能量橫向傳遞率集[D]；

步驟3：計算鉸縫損傷狀態指標cr_k，生成鉸縫損傷狀態向量{CR}；

步驟4：由{CR}計算鉸縫損傷狀態統計評估指標F_stj，根據F_stj進行鉸縫損傷狀態統計評定；

上述步驟具體為：

步驟1，生成有效分析樣本集[S]

(1.1)與板梁的拼裝數量n相適應，每根板梁下測點數不少于1個，獲取每根板梁底部的振動響應數據，生成車輛行經產生的板梁振動監測原始數據集，由式(1)給出，所述板梁振動原始數據集提供給步驟1.2；

[R]＝[r₁ … r_i … r_n] (1)

式(1)中[R]表示原始數據集，r_i表示第i個測點的獲得的監測數據時程，n為測點總數；

(1.2)進行板梁前2階自振頻率識別

利用監測數據時間戳對式(1)給出的原始數據集[R]進行多測點時間同步校正，截取無車脈動數據段進行Fourier變換，由頻譜識別板橋的前2階自振頻率：第一階頻率f₁對應板橋整體縱向即板梁縱軸向的彎曲振型、第二階頻率f₂對應板橋整體扭轉振型；f₁和f₂提供給步驟1.3.b；

(1.3)濾波與有效分析樣本篩選

(1.3.a)對步驟1.1中每個測點的監測數據r_i進行車行激勵段子樣本截取得到由式(2)給出的車行激勵段子樣集合提供給步驟1.3.b；

式中m為步驟1.1中r_i包含的車行激勵段子樣本總數，n為測點總數，表示第i個測點獲取的第j次車行激勵段樣本，其中j為篩選前的樣本編號；

(1.3.b)對式(2)給出的任一行數據子樣進行低通濾波，低通濾波的上截止頻率f取f＝(f₁+f₂)/2，當低通濾波后的信號殘值能量占濾波前信號能量比小于80％時，丟棄此行數據，否則保留并提供給步驟1.3.c；

(1.3.c)采用步驟1.3.b對所有數據進行遍歷篩選，生成有效分析樣本集[S]如式(3)所示，提供給步驟2；

式中，l為有效樣本總數，l≤m，是步驟1.3.a中共m行數據經篩選后保留的有效樣本總數，s_ki表示第i測點獲取的第k次車行激勵段有效分析樣本，k為篩選后的樣本編號，其余符號同前；

步驟2，計算有效樣本能量集[E]

針對步驟1.3.c有效分析樣本集[S]的第i列數據，計算信號能量，時序樣本s_ki的信號能量e_ki由式(4)計算：

式中，為與s_ki時程對應的第ti時刻振動響應值的平方，tn為s_ki樣本時程的總數據點數；對[S]中的所有樣本均進行式(4)的計算，得到有效樣本能量集[E]，由式(5)給出，提供給步驟3.1；

式中e_ki表示樣本s_ki的信號能量，其余符號意義同前；

步驟3，鉸縫損傷狀態指標C_rk

(3.1)振動能量橫向傳遞率集[D]

板橋的鉸縫是聯系各根板梁橫向整體參與工作的結構部件，車輛行經板橋橋面時引發直接承托車輛處板梁的振動，由于板梁間結構鉸縫的作用，振動經鉸縫進行橫向傳遞，從而表現為多根板梁參與的整體振動：鉸縫完好時，車行引發的板梁振動能量經鉸縫進行有效的橫向傳遞，所有板梁均參與振動；鉸縫失效時能量無法橫向傳遞，振動僅限于直接參與承托車輛的個別板梁；

取步驟2中式(5)的任意一行，其物理意義表示車輛行經橋面時，車輛引發的各根板梁以一階模態控制的振動響應能量e_ki，板梁與測點數量匹配；由于步驟1.3.b已經濾除了高階模態參與的振型形狀影響，當僅考慮一階縱向整體彎曲時，式(5)任一行的相鄰元素差分就表征了振動能量的橫向傳遞效應；基于此，對式(5)中的第k行的相鄰兩個元素定義經測點距離歸一化后的振動能量橫向傳遞率d_ki，如式(6)所示；

式中Δ_i+1,i為第(i+1)個測點與第i個測點沿板橋橫向的直線距離，abs()表示取絕對值，其余符號同前；

對式(5)中第k行元素均依照式(6)計算，并將計算結果經d_ki的最大值歸一，得到：

ksj55us_k＝{d_k1 d_k2 … d_ki … d_k,n-1} (7)

式中，d_ki表示振動能量在第i根板梁和第i+1根板梁間的經鉸縫相互傳遞的橫向傳遞率，其余號意義同前；

對式(5)中[E]的所有行數據均進行式(6)、(7)的遍歷計算，得到振動能量橫向傳遞率集[D]由式(8)給出，提供給步驟3.2；

式中各符號意義同前；

(3.2)鉸縫損傷狀態向量{CR}

取式(8)中任一行，去除其中最大值元素和次最大值元素，其中最大值元素值為1.0，得到子向量v59hjgd_k,sub

ivlzlme_k,sub＝{d_ks,1 … d_ks,n-3} (9)

對式(9)各元素計算均值d_k,meam

定義鉸縫損傷狀態指標cr_k

cr_k＝1/d_k,mean (11)

對式(8)中的所有行數據執行式(9)～式(11)的遍歷計算，得到鉸縫損傷狀態向量{CR}，由式(12)給出，提供給步驟4.1、4.2；

{CR}＝{cr₁ cr₂ … cr_k … cr_l}^T (12)

式中上標T表示向量轉置，cr_k表示由第k次車行激勵段樣本數據計算所得的鉸縫損傷狀態指標值，其余符號同前；

步驟4，鉸縫損傷狀態統計評估

(4.1)鉸縫損傷狀態累積變量st_j，j＝1,2,3

定義如下與三種鉸縫損傷狀態對應的累積變量，提供給步驟4.2.1：

(a)st₁：表示鉸縫損傷狀態為完好無損傷；st₁初值為0，對式(12)遍歷查詢，當滿足cr_k≤1.3時，st₁＝st₁+1；

(b)st₂:表示鉸縫損傷狀態為部分損傷；st₂初值為0，對式(12)遍歷查詢，當滿足1.3cr_k3.0，st₂＝st₂+1；

(c)st₃:表示鉸縫損傷狀態為完全失效；st₃初值為0，對式(12)遍歷查詢，當滿足cr_k≥3.0時，st₃＝st₃+1；

(4.2)鉸縫損傷狀態統計評估指標

st₁+st₂+st₃＝l，l為有效樣本總數，定義鉸縫損傷狀態統計評估指標如式(13)所示，提供給步驟4.3；

(4.3)鉸縫損傷狀態統計評估

依據式(13)中F_stj結果，其中j＝1,2,3，依照如下統計評估判據評定鉸縫損傷狀態:

(a)當某一個F_stj0.5時，鉸縫損傷狀態統計評估結論取為該F_stj對應狀態見式(13)；

(b)當某一個F_stj滿足0.35F_stj≤0.5，且其余兩個取值均小于該F_stj時，鉸縫損傷狀態統計評估結論取為該F_stj對應狀態見式(13)；

(c)當某兩個F_stj均滿足0.35F_stj0.5時，取這兩個中的大者對應狀態作為鉸縫損傷狀態統計評估結論；

(d)當上述三種情況均不出現時，取三個F_stj中的最大值對應狀態作為鉸縫損傷狀態統計評估結論。