[發明專利]基于被動激勵的橋梁結構應變監測系統在線校準方法

有效

• 申請號: 202110689876.1
• 申請日: 2021-06-22
• 公開（公告）號: CN113483723B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發明（設計）人: 荊根強;彭璐;張冰;郭鴻博
• 申請（專利權）人: 交通運輸部公路科學研究所
• 主分類號: G01B21/32
• 分類號: G01B21/32
• 代理公司: 北京惠森至誠知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11992
• 代理人: 王園園

本發明公開了一種基于被動激勵的橋梁結構應變監測系統在線校準方法，包括：以橋梁正常通行車輛的動態載荷為被動激勵源作用于橋梁結構上；RS系統和待校準的SMS系統連續同步采集橋梁結構的應變數據，并按時間排序形成測量數據序列；根據RS系統和待校準的SMS系統分別采集的所述測量數據序列，計算SMS系統的瞬時測量誤差、期間測量誤差、基本誤差；以瞬時測量誤差、和/或期間測量誤差、和/或基本誤差為校準依據，對SMS系統進行的計量性能進行在線評測。本發明以橋梁正常通行時的車輛動態荷載為激勵條件，通過應變監測系統與參考測量系統對結構響應參量的同步測量建立校準鏈，并基于大樣本數據的計量特性分析模型實現了在線校準特性的量化表征。

技術領域

本發明涉及橋梁安全監測技術領域，具體涉及一種基于被動激勵的橋梁結構應變監測系統在線校準方法。

背景技術

應變監測是橋梁、大壩、高層建筑等結構健康監測的重要任務。應變傳感系統的計量性能是結構監測數據準確性的重要保障，也是結構監測系統發揮其損傷檢測、性能評估、安全預警、壽命預測等作用的基本前提。

應變監測的常用傳感器包括光纖光柵式應變計、電阻式應變計、振弦式應變計等。其共性原理是通過結構變形的傳導作用，將結構應變測量轉化為對傳感元件自身應變的測量問題，然后利用傳感元件的長度變化與特定物理參量(如光波長、電阻、固有頻率等)的耦合關系，實現應變的間接測量。

應變測量的原理決定了監測結果的可靠性不僅取決于傳感器自身的計量性能，也與傳感器的固定、張拉狀態密切相關。為滿足橋梁結構全壽命周期內應變狀態參量連續獲取的需要，傳感器在其服役期內，既要開展溯源性校準，又不能任意改變其安裝狀態。因此，在役結構應變監測系統必然面臨野外環境、持續監測和被動激勵條件下的在線校準問題。

在傳感系統校準方法領域，國內外近20年來開展了廣泛的研究，已形成一定的范式。其基本思路是：在特定激勵源作用下，通過一種測量方法與另一種測量方法的同步測量比較來建立溯源鏈。氣浮質量法(Levitation Mass Method,LMM)是一種經典的力傳感器校準方法。該方法通過特定激勵源驅動標準質量塊運動產生慣性力，由被校準傳感器測量輸出力值；同時，通過運動測量系統測量標準質量塊的加速度，依牛頓第二定律測算標準力值；通過傳感器的輸出和標準力值的同步比較實現力傳感器的動態校準。此方法中驅動標準質量塊運動的激勵源主要有沖擊激勵、振蕩激勵、臺階激勵三種。德國聯邦物理技術研究院(PTB)、美國國家標準技術研究院(NIST)等研究機構均通過類似方法實現了力傳感系統的動態校準。LMM方法在實施過程中不影響被校準系統的連續正常工作，與在線校準的實際需求是一致的，但對激勵源和測量系統的工作條件要求苛刻，無法滿足現場在線校準的要求。

外部激勵條件下的數據分析是橋梁結構狀態評估的重要技術手段。橋梁荷載試驗采用載重車輛對橋梁進行動態或靜態加載，同時監測橋梁結構響應以實現結構損傷探測、性能評估、承載力分析等。基于結構振動監測的運行模態分析(Operational ModalAnalysis，OMA)方法，通過綜合環境激勵下橋梁結構的響應數據進行結構模態分析，可在無需中斷交通的條件下進行橋梁狀態評估。目前，在針對大型橋梁的結構性能研究中，以車輛荷載、環境振動等作為激勵條件，仍是最為便捷可行的試驗模式。但由于車輛荷載和環境條件的不可控性，以此類被動激勵為基礎的在線校準，將面臨理論模型和實施方案的多重挑戰。

發明內容

本發明針對橋梁結構應變監測系統全天時工作狀態下的在線校準問題，從不阻斷正常交通的便捷性原則出發，提出了一種基于被動激勵的橋梁結構應變監測系統在線校準方法。該方法以橋梁正常通行時的車輛動態荷載為激勵條件，通過應變監測系統與參考測量系統對結構響應參量的同步測量建立校準鏈，并基于大樣本數據的計量特性分析模型實現了在線校準特性的量化表征。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

提供一種基于被動激勵的橋梁結構應變監測系統在線校準方法，步驟包括：