[发明专利]一种基于活载应变的预应力混凝土梁桥开裂预警方法

说明书

本发明公开了一种基于活载应变的预应力混凝土梁桥开裂预警方法，包括如下步骤：采集车辆每次通过时桥梁构件的应变影响线幅值数据，并绘制其频率直方图；以混合高斯模型为目标函数，采用最小二乘法拟合应变影响线幅值数据频率直方图各矩形直方的顶点坐标，将拟合函数在负无穷至正无穷区间的积分值归一化；确定混合高斯模型函数中各个波峰区间的边界值，并将应变影响线幅值数据按各区间边界值进行数据聚类；将均值最大的数据簇作为重车作用下的应变影响线幅值数据簇，以该数据簇的累积分布函数在特定保证率所对应的应变值作为反映混凝土开裂的预警指标并实施预警。与现有技术相比，本发明方法准确合理，物理意义明确，考虑因素全面。

技术领域

本发明属于既有桥梁结构性能监测、检测、预警与评估领域，是一种基于活载应变的预应力混凝土梁桥开裂预警方法，具体来说，涉及一种基于桥梁车载应变影响线幅值长期测试数据的预应力混凝土梁桥开裂预警方法。

背景技术

预应力混凝土梁桥是中国交通运输网络线路上中、小跨径桥梁的常用设计与建造型式，而混凝土开裂病害是其在服役过程中性能劣化的主要表现。随着测试技术的发展，以数据驱动的桥梁结构开裂病害在线监测与预警已成为可能。车载应变影响线由于具有明确的信号起点，可以准确标定和量化结构荷载效应，并反映结构的长期性能演化过程。

目前，土木、交通领域对基于测试数据的预应力混凝土梁桥开裂预警的方法较少，基于传感器时序数据进行桥梁长期、实时预警的相关方法则更少。常用的方法有以下几种：(1)基于人工巡检结果发现开裂病害：该方法是由桥梁管理人员靠近桥梁易于开裂位置，观察发现混凝土表观病害，并报告给技术人员进行后期维护加固工作，此方法依靠桥梁管养人员的劳动和主观判断，人员接近易病害位置不仅费时费力且存在危险，是一种不经济的方法；(2)基于测试应变数据直接判断是否开裂：该方法使用桥梁监测、检测过程中传感器所测的应变值换算应力值(已知混凝土弹性模量)，当应力值大于规范所给出的极限/设计抗拉强度时，则判定混凝土结构开裂，此方法过于理想、考虑因素太少(比如温度导致的应变并不会等效地产生应力)，且预应力结构是允许带裂缝工作的，重载作用下的微裂缝会因为荷载消失后的预应力效应而闭合，故此方法缺乏合理性；(3)通过图像数据识别开裂病害：该方法通常采用神经网络深度学习开裂图像的特征，并以此识别高清照相机、无人机所得图像中是否存在裂缝，此方法虽然合理可靠，但是技术门槛偏高，且图像数据也不是结构监测、检测中的通常测试数据。

因此，有必要研发一种物理意义明确、技术门槛较低、针对常用的传感器时序数据且易于应用实施的方法，以实现既有预应力混凝土梁桥开裂预警。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于活载应变的预应力混凝土梁桥开裂预警方法，该方法可以基于活载应变数据实现既有预应力混凝土梁桥的服役期开裂病害预警。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于活载应变的预应力混凝土梁桥开裂预警方法，包括如下步骤：

(1)采集车辆每次通过时桥梁各构件的应变影响线时程，提取每个应变影响线时程的幅值数据，积累一定量的应变影响线幅值数据，绘制应变影响线幅值长期数据的频率直方图；

(2)以混合高斯模型为目标函数，采用最小二乘法拟合应变影响线幅值数据频率直方图各矩形直方的顶点坐标，将拟合函数在负无穷至正无穷区间的积分值归一化为1，并检验其拟合优度；

(3)根据所对应的混合高斯模型各波峰峰值，确定混合高斯模型函数中各个单一波峰区间的边界值(波谷或拐点)，并将应变影响线幅值数据按各单一波峰区间边界值进行数据聚类，形成多个数据簇；

(4)将混合高斯模型中均值最大的单一波峰区间所对应的数据簇作为重型车辆作用下的应变影响线幅值数据簇，以该数据簇的累积分布函数在特定保证率所对应的应变值作为反映混凝土开裂的预警指标，进一步以该指标与混凝土材料的极限拉伸应变规范限值比较并实现预警。