[发明专利]基于子结构灵敏度分析的船撞桥荷载与损伤同步识别方法

说明书

本发明公开了一种基于子结构灵敏度分析的船撞桥荷载与损伤同步识别方法，属于土木工程大型结构检测领域。该方法包括：首先获得布置在实际工程结构中的加速度传感器的实时数据，利用加速度均方根控制图实时判断船撞桥事件是否发生，如果发生船撞桥事件则利用加速度均方根进行定位；当利用加速度均方根判断有船撞桥事件发生时，利用基于灵敏度分析的模型修正方法同步识别船撞桥荷载和损伤。本发明通过模型修正方法同步识别船撞桥荷载和损伤，避免了事故发生后利用大量仪器设备进行损伤识别从而消耗大量时间这一问题，能够极大地提高船撞桥荷载与损伤识别的效率和精度，具有较强的实用性，在桥梁健康监测中发挥重要作用。

技术领域

本发明属于土木工程大型结构检测领域，涉及一种基于子结构灵敏度分析的船撞桥荷载与损伤同步识别方法，更具体地，涉及一种基于灵敏度模型修正方法的船撞桥荷载与损伤同步识别方法。

背景技术

随着船舶科学技术的发展和世界航运量的扩大，跨江桥梁建设越来越多，同时，船舶的吨位急剧增大、航速提高、航运越来越拥挤。当船舶在通航河流中行驶时，当操舵不当或受风、流、浪潮等外界因素干扰时易造成船桥碰撞事故，轻者造成桥梁受损，重者导致桥梁倒塌，因此船撞桥是一个不容忽视的问题。为了保障桥体结构的安全性和耐久性，应对桥梁进行船舶撞击监测和损伤评估，探索及时有效的识别船桥碰撞发生以及在碰撞后识别碰撞荷载和损伤的方法。

在结构的动力响应测试中，加速度响应信号具有采集方便、精度高和技术相对成熟等优点,故直接利用加速度响应信号作为损伤识别指标不易丢失结构的损伤信息。在结构健康监测中，根据实际情况没办法做到在所有自由度上安装传感器，因此只能在部分自由度处安装传感器用来获取结构的多点动力响应输出，但每个传感器都只能在某一范围内，从某一方面描述被测对象，无法提供全面的、准确无误的信息。结构加速度均方根(RMS)是结构动力响应统计特征的重要量值，它反映了信号的振动强度和能量，可以作为衡量整体结构振动强度的一个特征值。结合控制图，当有测点的加速度均方根超过控制图上下限则判断结构发生船桥碰撞，同时因为碰撞位置附近处加速度均方根最大，因此碰撞位置可以通过判断各测点加速度均方根值得到。

模型修正方法是一种系统识别方法，通过试验获得振动响应数据，对刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵进行相应的修正从而得到新的矩阵，把新的矩阵与实测的振动响应数据匹配，经过分析就可以得到一个更加精确的有限元模型。它的最终目的是使修正后模型的振动响应尽可能接近结构动力或静力观测响应数据。结构损伤识别方法中模型修正的基本思路是通过采取特定的向量扩充技术或模型缩聚技术，把原始模型的自由度数与修正后模型匹配成功，再通过比较它们之间的差别来进行损伤程度评估。

目前，对船撞桥荷载识别问题研究较少，一种现有的方法是利用智能压电传感器，获得冲击力与电压输出的关系，通过在不同位置的压电传感器获取电压信号，借助冲击力与电压输出之间的关系识别船撞桥冲击力。

一种现有的方法是基于SDOF分析模型，提出预测加载和卸载持续时间的方程。然后利用SDOF分析模型和船首的双线性力-变形关系得到船首变形-时间关系，从而识别船撞桥荷载。

另一种现有的方法是考虑动力放大效应，并得到加载时间和船舶变形的时间历程方程来识别船桥碰撞的冲击力。

结构损伤识别是结构健康监测的关键之一，它属于第一类结构动力学逆问题，即通过已知结构输入和输出信息来获取系统固有特性如刚度，质量的变化。目前，对船撞桥损伤识别问题研究较少。

一种现有的方法是利用静力凝聚方法消去转动自由度以建立力学模型，并提出考虑Rayleigh阻尼的动力凝聚方法，实现了较复杂连续梁桥有限元模型的等效简化。利用锤击产生自由振动的激励方式进行连续梁桥扩展卡尔曼滤波在线损伤识别。

另一种现有的方法是构造桥梁的数值模型，得到桥体在碰撞前后的振动数据。利用复杂模态指标函数方法，识别桥梁的频率和振型，并通过比较桥梁的频率和振型变化来识别损伤。