利索能及
我要发布
收藏
专利号: 2023113807785
申请人: 江苏科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-03-02
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.基于长期振动监测数据的大跨悬索桥结构损伤识别方法,其特征在于:其操作步骤如下:(1):获取结构振动响应数据;

(2):对结构振动响应数据进行滤波;

首先,基于结构的固有动力特性确定目标频率带宽;对结构进行有限元建模,并进行模态分析,计算得到结构各阶模态频率,然后结合振动测点数量与分布情况确定监测系统能够采集的结构振动模态阶数,并选择合适的目标频率带宽[fmin,fmax]使其覆盖各阶结构自振频率;为了覆盖有限元模型模态分析计算所得的各阶频率,可将时程信号的目标频段定为[0.05Hz,0.1Hz];

然后,利用希尔伯特‑黄变换中的经验模态分解(EMD),将原始数据uij(t)分解为n阶固有模态(IMF)分量ck(t)(k=1,2,…,n);

对各阶IMF分量进行功率谱密度分析,剔除振动频率小于fmin的IMF分量,并利用分型守恒原理对剩余的IMF分量进行滤波,得到lk(t)(k=1,2,…,nl),nl为筛选得到的有效IMF分量阶数;组合各阶滤波后的IMF分量: 获得滤波加速度时程信号;滤波函数为:其中,T是所给定的任意时刻范围最大值,ω为信号的振动频率,参数a和b分别表示局部扩散项与非局部反扩散项;参数a和b可以通过由目标频率带宽确定的门限频率(ω1),极大值频率(ωM)以及极大值频率对应的 值(M值)计算获得,表达式为:其中,ω1和ωM满足 两者的比值仅与参数λ有关,当λ在(0,2)区间内变化时,两者的比值在 内变化;为便于操作在实际情况中可以将λ、ω1以及M设为定值;

2

根据信号的目标频段,以及桥梁结构门限频率和极大值频率等参数,分别求得到4πa=

0.01,b=0.05以及λ=1.8;

(3):计算滤波后结构响应数据的均方根包络时程曲线;

针对滤波得到的加速度数据,根据均方根包络原理,分别计算RMS上包络曲线和RMS下包络曲线,其表达式为:其中, 为滤波后的加速度时程信号;uup(t)为滤波后加速度时程信号的上包络时程曲线;ulow(t)为滤波后加速度时程信号的下包络时程曲线;w为RMS包络内滑窗长度;

(4):计算结构不同测点的能量累计指标占比;

首先,利用加速度时程曲线的上下RMS包络线来计算时间间隔内与加速度振动相关的时域能量;其表达式为:其中,nrec是记录的加速度时程数量,该值取决于监测时长;ntime是单个时程内记录的加速度点数;

然后,以历年时域信号能量ERMS为基础,计算其测点j的累计能量随时间的相对变化量Hj,将j测点的累计能量变化量除以全桥测点的累计能量变化量,得到占比Qj,Hj与Qj的表达式分别为:其中, 为桥梁运营过程中加速度时程的时域能量; 为桥梁初始状态下加速度时程的时域能量;ns为全桥振动测点数量;

(5):计算结构损伤评估阈值参数;

(6):确定在长期运营荷载作用下结构的易损部位。

2.根据权利要求1所述的基于长期振动监测数据的大跨悬索桥结构损伤识别方法,其特征在于:在步骤(1)中,所述获取的数据包括获得结构加速度振动数据,并将历年的数据按月整理,将结构在第i个月第j个测点的振动加速度响应数据记为uij(t),i=1,2,…,M,j=1,2,…,ns,其中,M为历年数据的月份总数,ns为结构加速度测点总数。

3.根据权利要求1所述的基于长期振动监测数据的大跨悬索桥结构损伤识别方法,其特征在于:在步骤(2)中,所述对结构振动响应数据进行滤波的操作步骤如下:(2.1):首先,对结构进行有限元建模,并进行模态分析,得到结构各阶模态频率,然后,结合振动测点数量与分布情况确定监测系统采集的结构振动模态阶数,并选择适配的目标频率带宽[fmin,fmax]使其覆盖各阶自振频率;

(2.2):利用希尔伯特‑黄变换中的经验模态分解,将原始数据uij(t)分解为n阶固有模态分量ck(t)(k=1,2,…,n);

(2.3):对各阶IMF分量进行功率谱密度分析,剔除振动频率小于fmin的IMF分量,并利用分型守恒原理对剩余的IMF分量进行滤波,得到lk(t)(k=1,2,…,nl),nl为筛选得到的有效IMF分量阶数;

组合各阶滤波后的IMF分量: 获得滤波加速度时程信号;

其中,滤波函数为:

式中,T是所给定的任意时刻范围最大值,ω为信号的振动频率,参数a和b分别表示局部扩散项与非局部反扩散项。

4.根据权利要求3所述的基于长期振动监测数据的大跨悬索桥结构损伤识别方法,其特征在于:所述参数a和b通过由目标频率带宽确定的门限频率(ω1),极大值频率(ωM)以及极大值频率对应的 值计算获得,其表达式为:式中,ω1和ωM满足 两者的比值仅与参数λ有关,当λ在(0,2)区间内变化时,两者的比值在 内变化;

为便于操作在实际情况中,将λ、ω1以及M设为定值。

5.根据权利要求1所述的基于长期振动监测数据的大跨悬索桥结构损伤识别方法,其特征在于:在步骤(3)中,所述计算滤波后结构响应数据的均方根包络时程曲线是具体包括将滤波得到的加速度数据进行均方根包络,以w为RMS包络内滑窗长度分别计算RMS上包络曲线uup(t)和RMS下包络曲线ulow(t),其表达式为:

6.根据权利要求1所述的基于长期振动监测数据的大跨悬索桥结构损伤识别方法,其特征在于:在步骤(4)中,所述计算结构不同测点的能量累计指标占比的操作步骤如下:(4.1):利用加速度时程曲线的上下RMS包络线来计算时间间隔内与加速度振动相关的时域能量;其表达式为:式中,nrec是记录的时间历程的计数,该值取决于监测数据的量;ntime是记录的时间历史中的采样点数量;

(4.2):以历年时域信号能量ERMS为基础,计算其测点j的累计能量随时间的相对变化量Hj,将j测点的累计能量变化量除以全桥测点的累计能量变化量,得到占比Qj;其中,Hj与Qj的表达式分别为:式中, 为桥梁运营过程中加速度时程的时域能量; 为桥梁初始状态下加速度时程的时域能量;ns为全桥振动测点数量。

7.根据权利要求1所述的基于长期振动监测数据的大跨悬索桥结构损伤识别方法,其特征在于:在步骤(5)中,所述计算结构损伤评估阈值参数具体包括利用各个测点的累计能量变化量与全桥测点的累计能量变化量的占比Qj,计算结构累计能量阈值Tj,并将其作为损伤指标评估各测点的结构健康状态;其表达式为:

8.根据权利要求7所述的基于长期振动监测数据的大跨悬索桥结构损伤识别方法,其特征在于:如(∑Qj)/ns≤Tj,则表示结构在j测点处可存在结构性损伤。

9.根据权利要求7所述的基于长期振动监测数据的大跨悬索桥结构损伤识别方法,其特征在于:如(∑Qj)/ns>Tj,则表示结构未存在结构性损伤。

10.根据权利要求9所述的基于长期振动监测数据的大跨悬索桥结构损伤识别方法,其特征在于:其中,当结构各个测点根据历年Tj的变化差异判断结构的易损位置时;Tj变化大的位置相对于小的位置则易发生损伤。