[发明专利]一种基于分布式光纤监测和主梁全长应变分布的桥梁状态检测与评估方法

权利要求书

1.一种基于分布式光纤监测和主梁全长应变分布的桥梁状态检测与评估方法，其特征在于，所述桥梁状态检测与评估方法的步骤包括：

步骤一、将分布式传感光纤沿顺桥向布设在桥梁主梁上，分布式传感光纤覆盖主梁全长，对桥梁进行车辆荷载试验，使用长距离高空间分辨率分布式光纤解调仪对分布式光纤进行解调，获得主梁全长的实测应变分布，同时，使用桥梁设计有限元模型，获得对应的主梁全长的设计容许应变分布；

步骤二、采用分离提取算法对主梁全长的应变分布进行分离提取，获得主梁整体应变分布和主梁局部应变分布；

步骤三、针对步骤二获得的主梁整体应变分布，采用分布模式匹配算法对比主梁全长的实测整体应变分布与设计容许应变分布的分布模式相似程度，并计算应变分布模式匹配系数，根据应变分布模式匹配系数检测桥梁结构体系的应变分布模式异常区域；

步骤三所述的分布模式匹配算法，其具体过程包括：

第一步、使用桥梁设计有限元模型，获得对应的主梁全长的设计容许应变分布s_design，表达式为：

s_design＝(sd₁ sd₂...sd_N) (10)

其中，sd_i代表在x_i位置(i＝1,2,…,N)的设计容许应变值；

第二步、将主梁设计容许应变分布s_design设定为参考向量，将实测主梁整体应变分布r_fiber设定为评估向量，并标记参考向量为s_ref，评估向量为s_ass，表达式分别为：

其中，r_i^ref和r_i^ass分别代表在主梁x_i位置(i＝1,2,…,N)参考状态和评估状态的整体应变分布值；

第三步、去除r_ref和r_ass的整体起伏，得到应变变化量Δr_ref和Δr_ass：

保持Δr_ref不变，将Δr_ass乘以比例系数k，并计算二者之间差异量的总和：

其中，k为实数，df(Δr_ref,kΔr_ass)为差异函数，寻找系数k＝k₀，使得差异函数最小：

df(Δr_ref,k₀Δr_ass)＝df_min(Δr_ref,kΔr_ass) (16)

第四步、将Δr_ref和k₀Δr_ass进行同步归一化，获得参考状态的主梁应变分布模式向量和评估状态的主梁应变分布模式向量：

其中，max_i＝1,...,N{|Δr_i^ref|,|kΔr_i^ass|}代表Δr_ref和k₀Δr_ass的绝对值最大值；r_ref,norm定义为参考状态的主梁应变分布模式向量，r_i^ref,norm的取值范围为[-1,1]，代表主梁在x_i位置(i＝1,2,…,N)的参考状态的应变分布模式参数；r_ass,norm定义为评估状态的主梁应变分布模式向量，r_i^ass,norm的取值范围为[-1,1]，代表结构在x_i位置(i＝1,2,…,N)的评估状态的应变分布模式参数；计算参考状态和评估状态在主梁x_i位置的应变分布模式匹配系数为：

取值为[0,1]，的值越接近1，代表两者应变分布模式匹配程度越高，主梁的力学行为模式越相近；

第五步、计算主梁全长各位置的区域应变分布模式匹配系数分布p_r：

代表在主梁x_i位置(i＝1,2,…,N)应变分布模式匹配系数，并设定区域应变分布模式匹配容许值p₀，当时，代表桥梁实际应变分布模式与设计吻合，结构体系状态正常；当时，代表桥梁实际应变分布模式与设计不符，说明该区域结构体系力学行为异常，并标记x_i为主梁状态异常位置；提取主梁所有区域应变分布模式匹配系数异常位置组成集合x_p：

其中，x_p代表主梁应变分布模式异常位置的检测结果；

步骤四、针对步骤二获得的主梁整体应变分布，采用整体应变幅值比对算法对比主梁全长的实测整体应变分布与设计容许应变分布的整体应变值安全系数，根据整体应变值安全系数检测主梁全长的整体应变值异常区域；

步骤五、针对步骤二获得的主梁局部应变分布，采用幅值比对算法对比主梁全长的实测局部应变分布与设计局部应变容许值的局部应变值安全系数，根据局部应变值安全系数检测主梁全长的局部应变值异常区域；

步骤六、综合主梁的整体和局部应变值安全系数和应变分布模式匹配系数形成桥梁状态风险系数，进行桥梁状态的安全评估；

步骤六所述安全评估的过程包括：

定义桥梁状态风险系数

其中

α_i为风险权重系数，代表主梁x_i位置(i＝1,2,…,N)设计应变响应值占全长最大应变响应值的比例，取值在(0,1]区间；由于桥梁在高应变响应区域发生状态异常对桥梁结构的安全威胁更大，因此α_i值越大，代表x_i位置的风险权重越高，即桥梁设计应变响应值大的位置风险权重高；代表主梁整体应变值安全系数，对于应变敏感区域对于应变不敏感区域当时，代表主梁实际应变值超出设计容许值，取值越大，对桥梁结构状态安全的威胁越大，当时，代表主梁实际应变响应与设计应变响应的应变属性相反，的绝对值越大，对桥梁结构状态安全的威胁越大；代表主梁应变分布模式匹配系数的倒数，取值在(0,1]区间，值越小，代表主梁实际应变分布模式与设计差异越大，相应的值越大，对桥梁结构的安全威胁越大；代表主梁局部应变值安全系数，当时，代表主梁局部应变异常，会增加桥梁结构的安全风险，当时，局部应变状态正常，不会增加增加桥梁结构的安全风险，此时，取值为1；为一个无量纲的实数，代表了主梁在x_i位置(i＝1,2,…,N)状态异常对桥梁结构安全的威胁程度，当时，值越大代表主梁x_i位置的桥梁状态风险越大；当时，则直接判定x_i位置风险超标。