[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

摘要

本发明提供了一种高铁拱桥刚性吊杆异常状态快速预警系统及其方法，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。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不同的服役状态评估指标对吊杆实测数据进行计算和分析，与使用吊杆正常服役状态下的实测数据建立的各标准服役状态子库的预警阈值或预警包络线进行对比，快速评定吊杆的服役状态；发现吊杆异常后，快速预警子系统采用警报灯开启、手机报警电话或短信等方式向管理人员报警。本发明可监测高铁拱桥刚性吊杆服役状态，及时发现其异常并报警，对高铁拱桥刚性吊杆安全服役及高铁列车安全运行具有重要意义。

主权项

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：变化幅值应大于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并小于99.9％的数据点变化值的绝对值，符合该规则的值中任取一个作为x；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：变化幅值应大于99％的无车时横向动位移数据点变化值的绝对值并小于99.9％的数据点变化值的绝对值；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。