[发明专利]运营状态下大跨桥梁钢箱梁损伤预警方法

说明书

技术领域

本发明是一种应用于运营状态下大跨桥梁钢箱梁的损伤预警方法，涉及桥梁工程的无损检测领域。

背景技术

现代大跨桥梁大多采用钢箱梁作为主梁承担车辆荷载的直接作用，例如南京长江二桥、润扬长江大桥和苏通长江大桥等。钢箱梁是大跨桥梁中非常重要的结构构件，其状态安全与否关系到整个桥梁结构的安全运营。然而，钢箱梁的桥面板直接承受交通荷载较易发生疲劳开裂。目前，钢箱梁疲劳开裂的事故在国内外的大跨桥梁中均己出现。我国1997年建成通车的广东虎门大桥从2003年开始钢箱梁的桥面板就出现了疲劳裂纹。因此需要对钢箱梁的损伤状态进行监测和评估，以便尽早地发现其损伤的发生。

目前，钢箱梁损伤检测主要采用人工定期检测的方式，这种方式存在以下的问题：(1)人工检测主观性较强，并且缺乏历史数据的积累，难以对钢箱梁的损伤状态做出定量地判断；(2)实时性较差，不能及时地发现钢箱梁损伤的发生，有可能影响到桥梁结构和行车的安全；(3)由于需要长期定期的指派维护工人进行现场查看，总体费用较高。因此，针对上述人工检测的缺点，迫切需要发展一种方法对大跨桥梁钢箱梁的状态进行实时地损伤监测和预警。桥梁结构健康监测技术的发展为实现上述目的提供了契机^[1]，工程建设过程中可以在钢箱梁上敷设加速度传感器，通过加速度传感器识别的钢箱梁振动频率变化可以较好地反映钢箱梁是否发生损伤。这种基于振动频率测试的结构损伤预警方法在理论研究和工程应用等方面都取得了快速的发展^[2]。

但是，对于实际运营状态下的大跨桥梁钢箱梁而言，钢箱梁实测振动频率受到温度、风和车辆荷载的影响，会在一个较宽的范围内波动，这种波动将有可能会淹没或掩盖钢箱梁因损伤所造成的振动频率的真正改变，从而对结构损伤预警产生不利的影响。因此，有必要消除运营因素对钢箱梁振动频率的影响。文献[3]根据润扬大桥悬索桥钢箱梁竖弯振型的振动频率和温度的季节相关性模型消除了温度对振动频率的影响，并将其应用于钢箱梁损伤预警。然而，该方法只能以天为单位对钢箱梁振动频率的日平均值进行损伤预警分析，损伤预警的实时性较差，不能对钢箱梁的损伤发生做出及时预警，并且该方法简单地采用多项式回归模型用于消除温度对振动频率的影响，同时没有考虑车辆荷载和风对钢箱梁振动频率的影响，因此该方法损伤预警精度有限，只能识别出结构损伤造成的振动频率0.2％的异常变化。因此有必要在全面考虑温度、风、车辆荷载各种影响因素对钢箱梁振动频率的影响基础上，提出一种钢箱梁运营状态下的结构损伤预警方法，满足钢箱梁损伤预警的实时性和准确性要求。

发明内容

技术问题：本发明针对现有大跨桥梁钢箱梁损伤监测技术的不足，提出了一种运营状态下大跨桥梁钢箱梁损伤预警方法，重点解决钢箱梁损伤预警的实时性和准确性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种运营状态下大跨桥梁钢箱梁损伤预警方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：钢箱梁传感器的设置：

在钢箱梁跨中位置安装竖向加速度传感器、温度传感器和风速仪，分别用以监测车辆荷载引起的钢箱梁竖向加速度、钢箱梁的温度和钢箱梁所在区域的风速；

步骤2：监测数据的处理：

以10分钟为计算区间，对传感器获取的原始数据进行处理，分别计算钢箱梁的振动频率f、温度T、风速W和车辆荷载的代表值R；所述车辆荷载的代表值R是以10分钟为区间计算钢箱梁竖向加速度的均方根，以此作为这一时间段内的车辆荷载的强度代表值；

步骤3：完好状态下钢箱梁振动频率和运营因素的数学相关模型：

步骤3a：选取桥梁施工建成后n天的监测数据来建立相关模型，则监测样本总量为m＝144×n，n为自然数，以天为单位计算振动频率f、温度T的日平均值T_D和振动频率日平均值f_D

步骤3b：采用反向传播神经网络建立温度日平均值T_D和振动频率日平均值f_D的相关性模型，反向传播网络模型的隐层数和隐层单元由随机爬山法确定，

步骤3c：消除温度对振动频率的影响，选取参考温度为T_r，将振动频率原始测试值f归一化至参考温度T_r，得到消除温度影响的振动频率值f₁，