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基于gps位移監(jiān)測的大跨橋梁鋼箱梁損傷預(yù)警方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于GPS位移監(jiān)測的大跨橋梁鋼箱梁損傷預(yù)警方法，通過在鋼箱梁上設(shè)置GPS位移監(jiān)測裝置和溫度傳感器、加速度傳感器獲得鋼箱梁的三維動態(tài)坐標(biāo)和溫度、加速度的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別研究健康狀態(tài)下鋼箱梁各個方向動態(tài)坐標(biāo)與溫度、交通荷載等環(huán)境因素的相關(guān)性，建立相關(guān)性回歸模型，然后構(gòu)造坐標(biāo)殘差預(yù)警指標(biāo)并采用均值控制圖法判別鋼箱梁位置坐標(biāo)的異常變化，建立鋼箱梁結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警方法。當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于大跨橋梁鋼箱梁損傷預(yù)警時，只需將健康狀態(tài)和未知狀態(tài)的鋼箱梁位置坐標(biāo)同時輸入均值控制圖，若鋼箱梁狀態(tài)發(fā)生異常，控制圖的樣本點就超出控制線，這樣即實現(xiàn)了大跨橋梁鋼箱梁損傷預(yù)警。
【專利說明】基于GPS位移監(jiān)測的大跨橋梁鋼箱梁損傷預(yù)警方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種應(yīng)用于大跨橋梁鋼箱梁損傷預(yù)警的方法，涉及橋梁工程的監(jiān)測與評 估領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 鋼箱梁作為大跨鋼橋的重要組成部分，其健康與否關(guān)系到橋梁使用安全及橋梁使 用年限。但是在正常運營期間內(nèi)，鋼箱梁由于受到長期的交通荷載、氣候與環(huán)境作用等將不 可避免地發(fā)生損傷及病害，導(dǎo)致其承載能力和耐久性能發(fā)生退化。因此，采用科學(xué)有效的方 法對鋼箱梁進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、預(yù)警、安全性及耐久性評估則顯得極為重要和迫切[1]。根 據(jù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)與參數(shù)，建立大跨橋梁鋼箱梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)預(yù)警與識別方法是重要的研究 方向。
[0003] 目前關(guān)于鋼箱梁狀態(tài)預(yù)警和損傷識別方法絕大部分是以結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)為基 礎(chǔ)構(gòu)建損傷預(yù)警指標(biāo)，建立橋梁的預(yù)警系統(tǒng)。然而，受溫度、風(fēng)等噪音及環(huán)境因素的影響，準(zhǔn) 確測量鋼箱梁試驗?zāi)B(tài)參數(shù)比較困難。
[0004] 位移和形變是大跨橋梁鋼箱梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的重要參數(shù)，它是橋梁受力的宏觀反映， 通過測量鋼箱梁的動態(tài)三維位移，可以實時了解橋梁的線型狀況和變化規(guī)律，從而衡量橋 梁是否處于正常營運狀態(tài)。傳統(tǒng)測量方法不僅工作量大周期長，其監(jiān)測時間和點位也不能 更好的實現(xiàn)統(tǒng)一，甚至?xí)哟笞冃畏治鲭y度。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及空間技術(shù)的 進步，GPS技術(shù)由于其可以實現(xiàn)實時、高動態(tài)、高精度位移測量而得到了廣泛的應(yīng)用，并成為 變形監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點 [2]。隨著GPS-RTK技術(shù)的出現(xiàn)，GPS接收機采樣頻率的提高，以 及GPS解算軟件的發(fā)展和完善，GPS技術(shù)在大型工程結(jié)構(gòu)物動態(tài)特性和變形監(jiān)測中的應(yīng)用 越來越廣泛。
[0005] 通過GPS監(jiān)測系統(tǒng)對大跨橋梁鋼箱梁進行實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析，可以及時捕捉鋼 箱梁在實際交通負荷與自然蛻化條件下的異常特征信息并發(fā)出預(yù)警信號，為橋梁維護、維 修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。同時，相比于文獻[3]中以梁端位移作為損傷預(yù)警指標(biāo)，梁 端位移僅僅表征了梁端位置主梁軸向變位，而且變化幅值較小，測量誤差容易掩蓋局部損 傷所造成的異常變化。本發(fā)明的方法以坐標(biāo)殘差作為損傷預(yù)警指標(biāo)，從多個截面、多方向分 析，從而更準(zhǔn)確地對鋼箱梁結(jié)構(gòu)進行異常狀態(tài)識別和損傷預(yù)警。
[0006] 參考文獻
[0007] 文獻[1]李愛群，繆長青.橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[M].北京：人民交通出版社，2009 ;
[0008] 文獻[2]Mehdi Modares，A. M. ASCEand Natalie Waksmanski. An Overview of Structural Health Monitoring for Steel Bridges[J]. Practice Periodical on Structural Design and Construction, October 23, 2012 ；
[0009] 文獻[3]鄧揚，李愛群，丁幼亮等.基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的大跨橋梁結(jié)構(gòu)伸縮縫損 傷識別[J].東南大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版，2011，41 (2):336-341。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 技術(shù)問題：本發(fā)明針對現(xiàn)有大跨橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測技術(shù)的問題，提供了一種運營 狀態(tài)下基于GPS監(jiān)測的大跨橋梁鋼箱梁損傷預(yù)警方法。
[0011] 技術(shù)方案：通過GPS實時監(jiān)測大橋的三維動態(tài)坐標(biāo)，可以了解橋梁的線型狀況和 變化規(guī)律，從而衡量橋梁是否處于正常營運狀態(tài)。當(dāng)鋼箱梁發(fā)生損傷時，其三維動態(tài)坐標(biāo)就 會發(fā)生異常變化，基于這種位置坐標(biāo)的變化即可對大跨橋梁鋼箱梁的損傷進行預(yù)警分析。
[0012] 由于環(huán)境溫度、交通荷載的作用會影響鋼箱梁位置坐標(biāo)的變化，從而掩蓋鋼箱梁 因損傷所造成的坐標(biāo)變化。因此，本發(fā)明的方法首先分析環(huán)境溫度、交通荷載對鋼箱梁位置 坐標(biāo)的影響規(guī)律并建立相關(guān)性模型，在此基礎(chǔ)上剔除交通荷載的影響。然后利用鋼箱梁位 置坐標(biāo)與溫度的相關(guān)性并采用均值控制圖法來識別由鋼箱梁損傷所引起的位置坐標(biāo)的異 常變化，從而建立大跨橋梁鋼箱梁損傷預(yù)警方法。
[0013] 本發(fā)明提供了一種運營狀態(tài)下基于GPS位移監(jiān)測的大跨橋梁鋼箱梁損傷預(yù)警方 法，該方法包括如下步驟：
[0014] 步驟1 :橋梁位移GPS監(jiān)測裝置及溫度傳感器、加速度傳感器的布置
[0015] 在鋼箱梁1/4截面、1/2截面和3/4截面上下游分別布置GPS監(jiān)測裝置和溫度傳感 器、加速度傳感器，用以監(jiān)測鋼箱梁各個截面的位置坐標(biāo)和溫度以及由于交通荷載引起的 鋼箱梁堅向加速度；
[0016] 步驟2:監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理
[0017] 將獲得的鋼箱梁GPS位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)利用小波閾值去噪方法進行降噪處理，然后將 位置坐標(biāo)和溫度以1小時為計算區(qū)間進行平均處理；將獲得的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)進行低通濾 波，再以1小時為時間間距計算加速度響應(yīng)的均方根值RMS，作為交通荷載的代表值；
[0018] 步驟3 :健康狀態(tài)下鋼箱梁位置坐標(biāo)和環(huán)境條件的數(shù)學(xué)相關(guān)性模型
[0019] 步驟3a :選取橋梁建成后包含四季變化的η天經(jīng)過小波降噪處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)來 建立相關(guān)性模型，鋼箱梁位置坐標(biāo)Ζ和溫度Τ以及交通荷載代表值R，
[0020] 步驟3b :采用多項式回歸的方法建立鋼箱梁坐標(biāo)Ζ和溫度Τ之間的關(guān)系，回歸模 型參數(shù)由最小二乘法計算得到，
[0021] 步驟3c :采用線性回歸方法建立垂橋向位置坐標(biāo)C和交通荷載R之間的關(guān)系，然 后選取參考加速度為Rf，將垂橋向位置坐標(biāo)實測值"歸一化"至參考加速度R f，得到消除交 通荷載影響的垂橋向位置坐標(biāo)C' ；
[0022] 步驟4 :控制圖顯著性水平的確定
[0023] 步驟4a:將步驟3中η天實測坐標(biāo)值Z(包括歸一化垂橋向坐標(biāo)值C'）取日平均 值，記為Zi，將實測溫度Τ同樣取日平均值記為?\，然后輸入步驟3中的相關(guān)性模型計算得 到鋼箱梁位置坐標(biāo)預(yù)測值，記為Ζ 2，計算鋼箱梁位置坐標(biāo)實測值與預(yù)測值的殘差，記為e，
[0024] 步驟4b :將步驟4a中坐標(biāo)殘差e輸入均值控制圖，并通過改變假設(shè)檢驗的顯著性 水平調(diào)整上、下限范圍，使得上述η個樣本點全部落在控制圖的上下控制線之內(nèi)；
[0025] 步驟5 :鋼箱梁損傷預(yù)警
[0026] 步驟5a :將未知狀態(tài)的m天監(jiān)測數(shù)據(jù)中實測坐標(biāo)日平均值記為Ζ3，實測溫度日平 均值記為τ2，將Τ 2輸入步驟3中的相關(guān)性模型計算得到鋼箱梁位置坐標(biāo)預(yù)測值，記為Ζ4。計 算鋼箱梁位置坐標(biāo)實測值與預(yù)測值的殘差，記為e'，
[0027] 步驟5b :保持步驟4確定的顯著性不變，將未知狀態(tài)的殘差樣本e'繪入步驟4中 的均值控制圖。此時，若所有n+m個樣本全部處于上、下控制線內(nèi)，則說明鋼箱梁狀態(tài)正常， 若有樣本落在了控制線以外，則說明鋼箱梁狀態(tài)異常，可作出鋼箱梁發(fā)生損傷的預(yù)警。
[0028] 有益效果：針對運營狀態(tài)下大跨橋梁結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警的實時性和準(zhǔn)確性要求，本發(fā) 明綜合現(xiàn)場監(jiān)測、統(tǒng)計建模、均值控制圖等手段提出了運營狀態(tài)下基于GPS位移監(jiān)測的大 跨橋梁鋼箱梁損傷預(yù)警方法，具有以下有益效果：
[0029] (1)本發(fā)明所需安裝的傳感器數(shù)量較少，僅需要橋梁位移GPS監(jiān)測裝置、溫度傳感 器和加速度傳感器。同時，本發(fā)明采用的方法可以通過簡單的編程實現(xiàn)，方便應(yīng)用于實際工 程。
[0030] (2)本發(fā)明利用GPS動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)從多個截面、多方向分析，從而更準(zhǔn)確地對鋼箱 梁進行損傷預(yù)警。
[0031] (3)本發(fā)明考慮了運營狀態(tài)下影響鋼箱梁位移變化的環(huán)境溫度和交通荷載因素， 有效提高了鋼箱梁損傷預(yù)警的精度。
[0032] (4)本發(fā)明引入均值控制圖的方法對鋼箱梁位置坐標(biāo)的異常變化進行多樣本的假 設(shè)檢驗，可以減少誤判的可能性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033] 圖1為順橋向坐標(biāo)值與溫度的相關(guān)散點圖（小時平均）；
[0034] 圖2為垂橋向坐標(biāo)值與溫度的相關(guān)散點圖（小時平均）；
[0035] 圖3為順橋向坐標(biāo)值與溫度的相關(guān)散點圖（日平均）；
[0036] 圖4為垂橋向坐標(biāo)值與溫度的相關(guān)散點圖（日平均）；
[0037] 圖5為垂橋向位置坐標(biāo)和加速度均方根的相關(guān)性散點圖；
[0038] 圖6為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的順橋向坐標(biāo)殘差均值控制圖，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；
[0039] 圖7為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的垂橋向坐標(biāo)殘差均值控制圖，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；
[0040] 圖8為結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)下的順橋向坐標(biāo)殘差均值控制圖，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；
[0041] 圖9為結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)下的垂橋向坐標(biāo)殘差均值控制圖，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。

【具體實施方式】
[0042] 下面將參照附圖對本發(fā)明的具體實施方案進行進一步的描述：
[0043] (1)在橋梁位移GPS監(jiān)測裝置、溫度傳感器和加速度傳感器的設(shè)置過程中，GPS和 傳感器布置的數(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，通常在鋼箱梁1/4、1/2、3/4等截面上下游各設(shè)置一個橋梁位移GPS監(jiān)測裝置、 溫度傳感器和加速度傳感器，即可滿足本發(fā)明的需要。
[0044] (2)將獲得的GPS位置坐標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)首先采用小波閾值去噪方法進行降噪處理， 然后將降噪處理后的坐標(biāo)和溫度分別進行小時平均處理，作為鋼箱梁位置坐標(biāo)和溫度的代 表值；將獲得的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)，首先進行低通濾波，再以1小時為時間間距計算加速度響 應(yīng)的均方根值RMS，作為交通荷載的代表值。
[0045] (3)選擇橋梁施工完成后包含四季變化的η天的監(jiān)測數(shù)據(jù)來建立相關(guān)性模型，這 是因為這段時間內(nèi)鋼箱梁線形可認(rèn)為處于健康狀態(tài)，而且能夠體現(xiàn)出四季變化特征，以s、c 和T、R分別表7^順橋向、垂橋向位置坐標(biāo)和溫度、交通荷載代表值，樣本總數(shù)為48Xn。
[0046] (4)采用多項式回歸的方法建立溫度T分別和順橋向坐標(biāo)值S、垂橋向坐標(biāo)值C之 間的關(guān)系：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于GPS位移監(jiān)測的大跨橋梁鋼箱梁損傷預(yù)警方法，其包括如下步驟： 1) 布置GPS監(jiān)測裝置及傳感器； 在鋼箱梁典型截面處分別布置橋梁位移GPS監(jiān)測裝置、溫度傳感器和加速度傳感器， 用以監(jiān)測鋼箱梁各個截面的三維坐標(biāo)、溫度和由于交通荷載引起的鋼箱梁堅向加速度； 2) 處理監(jiān)測數(shù)據(jù)； 將獲得的鋼箱梁GPS位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)利用小波閾值去噪方法進行降噪處理，然后將GPS 位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)以1小時為計算區(qū)間進行平均處理；將獲得的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)進 行低通濾波，再以1小時為時間間距計算加速度響應(yīng)的均方根值RMS，作為交通荷載的代表 值R; 3) 建立健康狀態(tài)下鋼箱梁GPS位置坐標(biāo)和環(huán)境條件的數(shù)學(xué)相關(guān)性模型； 3. 1)選取橋梁建成后包含一年四季季節(jié)變化的η天經(jīng)過處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)來建立相 關(guān)性模型，鋼箱梁位置坐標(biāo)Ζ和溫度Τ以及交通荷載代表值R ; 3. 2)采用多項式回歸的方法建立鋼箱梁位置坐標(biāo)Ζ和溫度Τ之間的關(guān)系，回歸模型參 數(shù)由最小二乘法計算得到； 3. 3)為了消除交通荷載對鋼箱梁垂橋向位置坐標(biāo)的影響，首先采用線性回歸方法建立 垂橋向GPS位置坐標(biāo)C和交通荷載R之間的關(guān)系，然后選取參考加速度R f，將垂橋向位置坐 標(biāo)實測值"歸一化"至參考加速度Rf，得到消除交通荷載影響的垂橋向位置坐標(biāo)C' ； 4) 確定控制圖顯著性水平； 4. 1)將步驟3)中η天"歸一化"后的鋼箱梁位置坐標(biāo)值Z取日平均值，記為Zi，將實測 溫度T同樣取日平均值記為?\，然后輸入步驟3)中的相關(guān)性模型計算得到鋼箱梁坐標(biāo)預(yù)測 值，記為Ζ 2，計算鋼箱梁坐標(biāo)實測值與預(yù)測值的殘差，記為e， 4. 2)將步驟4. 1)中坐標(biāo)殘差e輸入均值控制圖，并通過改變假設(shè)檢驗的顯著性水平調(diào) 整上、下限范圍，使得上述η個樣本點全部落在控制圖的上下控制線之內(nèi)； 5) 鋼箱梁損傷預(yù)警； 5. 1)將未知狀態(tài)的m天監(jiān)測數(shù)據(jù)中鋼箱梁實測坐標(biāo)日平均值記為Ζ3，實測溫度日平均 值記為Τ 2，將Τ2輸入步驟3)中的相關(guān)性模型計算得到鋼箱梁位置坐標(biāo)預(yù)測值，記為Ζ4，計 算鋼箱梁位置坐標(biāo)實測值與預(yù)測值的殘差，記為e'， 5. 2)保持步驟4)確定的顯著性不變，將未知狀態(tài)的殘差樣本e'繪入步驟4)中的均值 控制圖，此時，若所有n+m個樣本全部處于上、下控制線內(nèi)，則說明鋼箱梁狀態(tài)正常，若有樣 本落在了控制線以外，則說明鋼箱梁狀態(tài)異常，可作出鋼箱梁發(fā)生損傷的預(yù)警。
【文檔編號】G01M99/00GK104048843SQ201410263892
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】繆長青, 王蔓, 梅明星, 田洪金 申請人:東南大學(xué)