[发明专利]一种桥梁结构损伤识别方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁结构损伤识别的技术领域，特别是涉及一种有限测点上脉动反应的桥梁结构损伤识别方法和系统。

背景技术

近年来，桥梁倒塌事故频发，造成严重的经济损失和社会不良影响，桥梁结构的安全问题受到广泛关注。在诸多基础设施中，桥梁结构在国民经济起着极其重要的作用。尤其是特大桥梁，工程造价高，交通流量大，同时也是维持地区、城市之间经济运行的重要交通枢纽。大跨桥梁设计寿命长达几十年、上百年，长期的环境腐蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳与突变效应等不利因素的耦合作用将不可避免地导致结构的损伤累积和抗力衰减，从而使其抵抗自然灾害、甚至正常荷载的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事件。对桥梁运行状况进行实时监测，可以有效预防突发性灾难、及时控制缺陷的发展、减少损失、避免人员伤亡，确保结构与使用者的安全。

当前国内已有的以及新建的大跨桥上普遍安装了结构实时健康监测系统，通过观察桥梁运行过程中荷载和响应的异常情况，提供实时预警信号，保证结构和运营的安全性；尽早发现和识别结构中可能的累积损伤，辅助人工检查确定损伤情况；在重大灾害和突发事件后即时提供实时的安全评估。桥梁健康监测系统最基本和最关键的技术就是从采集到的数据中提取有用的结构特征信息，并依此发现、定位和评估结构的损伤情况，即结构的损伤识别。当前的损伤识别方法存在以下问题：

第一，由于会对交通造成影响，使得大型桥梁的人工静、动力加载测试较为困难，更无法实时监测，因此，目前常采用自然激励的测量方式。而自然激励又存在许多缺点；比如激励弱，响应小，信噪比低；比如带宽窄，一些模态激不出；或者只能测输出，无法测输入；以及只能得到模态频率、振型和阻尼比，无法求得模态刚度、质量等参数。这些缺点会使得桥梁结构在进行损伤识别时所获得的模态参数精度低、误差大，导致最终的损伤识别结果不准确。

第二，桥梁结构针对损伤所作出的反应一般比较小，也可以说是结构反应的灵敏度较低。在很多情况下，损伤可能只是局部现象，此时局部的损伤可能对结构整体刚度影响并不显著，而与承载能力相关则可能更弱，所以在此基础上获得的模态参数同样精度低、误差大。另外，对形状复杂的加劲梁，不同损伤导致刚度矩阵不同元素的变化不同，同样会导致获得的模态参数误差过大。

第三，由于可操作性和经济性等原因，大跨桥上安装的传感器个数是有限的，为了通过有限数量的传感器获得尽可能多结构损伤信息，可以通过对有限数量的传感器进行优化布置的方式来实现；但是当前的损伤识别方法中却没能够对传感器进行优化布置。

发明内容

本发明的目的是提供一种桥梁结构损伤识别方法和系统，通过模态识别方法将结构在自然激励下的高精度脉动信号转变为高精度的不完备模态参数，再对高精度的不完备模态参数进行损伤识别，从而准确地获得目标桥梁结构的损伤位置和损伤程度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种桥梁结构损伤识别方法，包括：

在目标桥梁上布置传感器；通过所述传感器采集所述目标桥梁结构在自然激励下的脉动信号；获取高精度的脉动信号；

通过改进的NExT-ERA法对所述高精度的脉动信号进行模态识别，以获得不完备模态参数；其中，改进的NExT-ERA法采用1阶Hankel矩阵，并且只使用Hankel矩阵的奇异向量而不使用其奇值；

获取高精度的不完备模态参数；对所述高精度的不完备模态参数进行损伤识别，从而获得所述目标桥梁结构的损伤位置和损伤程度。

可选地，所述传感器为加速度传感器，采集到的所述脉动信号为加速度信号。

可选地，获取高精度的脉动信号的步骤可以包括通过低通滤波器对所述脉动信号进行滤波处理。

可选地，所述低通滤波器为Chebyshev低通滤波器。

可选地，不完备模态参数获取步骤包括：

a、先构造Hankel分块矩阵H₁，H₁＝hk[h(t_m)]；其中hk表示形成H₁矩阵的运算符，h(t_m)表示脉冲响应函数矩阵；

b、用白噪声激励下离散结构加速度反应的相关函数矩阵R_aa(τ_n)代替H₁中的h(t_m)并建立1阶Hankel分块矩阵H：

H＝hk₁[R_aa(τ_n)];