[发明专利]高铁拱桥刚性吊杆异常状态快速预警系统及其方法

权利要求书

1.一种高铁拱桥刚性吊杆异常状态快速预警系统及其方法，其特征在于，该系统包括振动数据采集与传输子系统、数据计算与分析子系统和快速预警子系统；其中，振动数据采集与传输子系统由安装在高铁拱桥结构上的传感器和数据传输线路组成；数据计算与分析子系统基于吊杆正常服役状态下的实测数据建立的标准服役状态库进行计算和分析，快速评定吊杆的服役状态；发现吊杆异常状态后，快速预警子系统调用预警模块采用警报灯开启、向管理人员拨打报警电话或发送报警短信的方式向大桥管理人员进行报警；

高铁拱桥刚性吊杆异常状态快速预警方法包含两个阶段：吊杆标准服役状态库的建立和吊杆异常状态的快速预警，步骤如下：

选取桥梁建成后前一年或前两年的实测数据作为吊杆正常服役状态的实测数据建立吊杆标准服役状态库；

建立吊杆标准服役状态库的步骤如下：

步骤一、采集高铁拱桥待监测的刚性吊杆的横向位移、刚性吊杆截面横向的两侧应变及该刚性吊杆所处的同一榀拱的温度，并将采集到的数据传输到计算机中的数据计算与分析子系统；

步骤二、将无车时吊杆横向动弯矩变化幅值和无车时吊杆横向外侧动应变变化幅值作为吊杆服役状态评估指标，无车时吊杆横向动弯矩或横向外侧动应变变化幅值分别定义为无车时横向动弯矩或横向外侧动应变数据相对其平均值的变化值的绝对值中前x个最大值的平均值，x按如下规则确定：设有x₁个值大于等于99％的无车时吊杆横向动弯矩或横向外侧动应变数据点变化值的绝对值，有x₂个值大于等于99.9％的无车时吊杆横向动弯矩或横向外侧动应变数据点变化值的绝对值，则在x₁和x₂之间任取一个整数作为x，即x₂＜x＜x₁；无车时吊杆横向动弯矩变化幅值根据式(1)计算，式中Δε、E、I、h分别为吊杆截面横向两侧应变差、弹性模量、截面惯性矩和截面高度：

M＝ΔεEI/h (1)

然后，考虑环境风、温度因素对吊杆服役状态评估指标的影响，提取正常服役状态下吊杆服役状态评估指标和各类影响因素的具体值；其中，分析温度对无车时吊杆横向外侧动应变变化幅值的影响时提取吊杆截面同一侧的温度数据，分析温度对无车时吊杆横向动弯矩变化幅值的影响时提取吊杆横向两侧温度数据并取其平均值；

步骤三、为清晰地描述温度、环境风中某个因素对某构件服役状态评估指标的影响，首先要排除掉其他因素的干扰：当温度在某一温度上下1℃变化时认为温度因素的影响忽略不计，这里的数值定义为“差异区间值”；计算有无车时吊杆横向动位移变化幅值之比，简称变化幅值之比；其中，有车时吊杆横向动位移变化幅值是一次过车时吊杆横向动位移的最大绝对变化值；无车时吊杆横向动位移变化幅值是无车时横向动位移数据相对其平均值的变化值的绝对值中前y个最大值的平均值，y的选取准则是：设有y₁个值大于等于99％的无车时吊杆横向动位移数据点变化值的绝对值，有y₂个值大于等于99.9％的无车时吊杆横向动位移数据点数据点变化值的绝对值，则在y₁和y₂之间任取一个整数作为y，即y₂＜y＜y₁；认为变化幅值之比大于10时环境风对吊杆横向振动幅度的影响很小且相似，此时环境风因素影响被排除；

步骤四、利用吊杆处于正常服役状态时结构健康监测系统测得的长期监测数据，基于不同的服役状态评估指标建立不同的高铁拱桥刚性吊杆标准服役状态子库，从不同角度评估高铁拱桥刚性吊杆的服役状态；考虑温度和环境风对吊杆某个服役状态评估指标的影响，提出建立刚性吊杆标准服役状态子库的两种方法：依照第一种方法建立吊杆标准服役状态子库时保留温度对吊杆服役状态评估指标的影响，而依照第二种方法建立吊杆标准服役状态子库时温度和环境风对吊杆服役状态评估指标的影响都被排除；两种建立方法步骤如下：

吊杆标准服役状态子库的第一种建立方法的步骤为：

(1)基于长期监测数据提取吊杆服役状态评估指标和对应的温度数据；

(2)通过变化幅值之比的设定排除掉环境风因素的影响；

(3)得到仅受温度影响的吊杆服役状态评估指标的具体值，将其存入吊杆标准服役状态子库；

吊杆标准服役状态子库的第二种建立方法的步骤为：

(1)基于长期监测数据提取吊杆服役状态评估指标和对应的温度数据；

(2)通过变化幅值之比的设定排除掉环境风因素的影响；

(3)得到温度对吊杆服役状态评估指标影响的统计关系，并基于最小二乘法对其进行回归分析，得到温度对吊杆服役状态评估指标影响的拟合线；

(4)根据拟合线将温度对吊杆服役状态评估指标影响的趋势排除掉，将去趋势项后的吊杆服役状态评估指标存入吊杆标准服役状态子库。

2.根据权利要求1所述的一种高铁拱桥刚性吊杆异常状态快速预警系统及其方法，其特征在于，基于已建立的吊杆标准服役状态子库提出吊杆异常服役状态的预警标准进行吊杆异常状态快速预警，步骤如下：

步骤一、基于建立的标准服役状态子库，考虑安全余量确定预警包络线或预警阈值线；其中，预警包络线是采用吊杆标准服役状态子库的第一种建立方法建立吊杆标准服役状态库时具有安全余量的包络线，由吊杆标准服役状态库中数据点的外包络线考虑安全余量得到；预警阈值线是采用吊杆标准服役状态子库的第二种建立方法建立吊杆标准服役状态库时具有安全余量的阈值线，其值为标准服役状态库数据点的最大绝对值与安全余量之和；

步骤二、基于待测高铁拱桥结构当前的实时监测数据采用与标准服役状态库中服役状态评估指标相同的方法计算相应刚性吊杆当前的服役状态评估指标值；

步骤三、比较当前的服役状态评估指标值和相应的预警包络线或阈值线，如果当前的服役状态评估指标值的数据点落在预警包络线外或当前的服役状态评估指标值比预警阈值大，则判断该刚性吊杆处于异常服役状态；

步骤四、一旦发现吊杆处于异常状态，自动启动快速预警子系统调用预警模块，采用开启警报灯、向管理人员手机拨打报警电话或发送报警短信的方法立即报警，确保管理人员及时发现异常吊杆并根据情况采取处理措施。