[发明专利]一种板梁桥铰缝损伤监测系统

权利要求书

1.一种识别板梁桥铰缝损伤的监测系统，其特征在于，包括：由现场测点构成的传感采集系统、现场上位机与通信模块、云服务器与数据库，损伤状态终端显示模块；

所述传感采集系统，在正常车行下安装与板梁拼装数量相适应的加速度传感器测点，一根板梁至少布置一个测点，由现场布设的各个测试点构成采测点阵，采集通过对正常车行下与板梁拼装数量相适应测点的监测数据；

所述现场上位机与通信模块，上位机与各个加速度传感器的输出连接，获得各个传感加速度数据和测点位置序号数据，再通过通信模块将这些监测数据上传至云服务器与数据库；同时，上位机也通过通信模块接收云服务器与数据库作为平台对现场上位机的控制；

所述云服务器与数据库包括数据库、数据分析处理模块、监测损伤判定模块，其中：

所述数据库接收上位机传来的现场监测数据；

所述数据分析处理模块与数据库连接，通过对各测点监测数据进行多点时间同步、样本截取、低通滤波、筛选预处理，生成有效样本集[S]；计算有效样本能量集[E]，并计算板桥振动能量横向传递率集[D]；计算铰缝损伤状态指标cr_k，生成铰缝损伤状态向量{CR}；

所述监测损伤判定模块，由铰缝损伤状态向量{CR}计算铰缝损伤状态统计评估指标F_stj，根据F_stj进行铰缝损伤状态统计评定；

所述损失状态终端显示模块与云服务器与数据库通信连接，使用者随时随地登陆互联网获知现场各个桥段的监测安全情况；

在现场安设n个加速度传感器，与板梁的拼装数量n相适应,每根板梁下测点数不少于1个，获取每根板梁底部的振动响应数据，生成车辆行经产生的板梁振动监测原始数据集；板桥的铰缝是联系各根板梁横向整体参与工作的结构部件，车辆行经板桥桥面时引发直接承托车辆处板梁的振动，由于板梁间结构铰缝的作用，振动经铰缝进行横向传递，从而表现为多根板梁参与的整体振动：铰缝完好时，车行引发的板梁振动能量经铰缝进行有效的横向传递，所有板梁均参与振动；铰缝失效时能量无法横向传递，振动仅限于直接参与承托车辆的个别板梁；

数据分析处理模块软件包括预处理模块(1.1)、板梁前2阶自振频率识别模块(1.2)、滤波与有效分析样本筛选模块(1.3)、计算模块，其中：

所述预处理模块(1.1)对现场监测数据进行多点时间同步、样本截取、低通滤波、筛选预处理，用于构建数据库的监测板梁振动原始数据集[R]＝[r₁ … r_i … r_n] (1)；

所述数据库与板梁前2阶自振频率识别模块(1.2)连接，所述板梁前2阶自振频率识别模块(1.2)从数据库中获取监测板梁振动原始数据集；

所述监测板梁振动原始数据集(1)中[R]表示原始数据集，r_i表示第i个测点的获得的监测数据时程，n为测点总数；

所述板梁前2阶自振频率识别模块(1.2)与滤波与有效分析样本筛选模块(1.3)连接，利用监测数据时间戳对所述原始数据集[R]进行多测点时间同步校正，截取无车脉动数据段进行Fourier变换，包括频谱识别板桥的前2阶自振频率：第一阶频率f₁对应板桥整体纵向弯曲振型、第二阶频率f₂对应板桥整体扭转振型；

所述滤波与有效分析样本筛选模块(1.3)，对数据库中每个测点的监测数据r_i进行车行激励段子样本截取得到车行激励段子样集(2)；对车行激励段子样集(2)任一行数据子样进行低通滤波，低通滤波的上截止频率f，当低通滤波后的信号残值能量占滤波前信号能量比小于80％时，丢弃此行数据，否则保留并对所有数据进行遍历筛选，生成有效样本集[S](3)；

所述车行激励段子样集

式中m为数据库中r_i包含的车行激励段子样本总数，n为测点总数，表示第i个测点获取的第j次车行激励段样本；

所述有效样本集

其中：1为有效样本总数，1≤m，是经筛选后保留的有效样本总数，s_ki表示第k行第i列测点获取的有效分析样本，其余符号同前；

所述计算模块包括有效样本能量集[E]计算模块、板桥振动能量横向传递率集[D]计算模块、铰缝损伤状态指标cr_k计算模块；

所述有效样本能量集[E]计算模块：对滤波与有效分析样本筛选模块(1.3)中有效样本集[S]的第k行第i列数据计算信号能量，时序样本s_ki的信号能量e_ki由式(4)计算：

式中，为与s_ki时程对应的第ti时刻振动响应值的平方，tn为s_ki样本时程的总数据点数；对有效样本集[S]中的所有样本均进行式(4)的计算，得到有效样本能量集[E]，

式中e_ki表示样本s_ki的信号能量，其余符号意义同前；

所述板桥振动能量横向传递率集[D]计算模块：

取所述有效样本能量集[E]计算模块输出的有效样本能量集[E](5)的任意一行，其物理意义表示车辆行经桥面时，车辆引发的各根板梁以一阶模态控制的振动响应能量e_ki；由于滤波与有效分析样本筛选模块(1.3)已经滤除了高阶模态参与的振型形状影响，当仅考虑一阶纵向整体弯曲时，有效样本能量集[E](5)任一行的相邻元素差分就表征了振动能量的横向传递效应；基于此，对有效样本能量集[E](5)中的第k行的相邻两个元素定义经测点距离归一化后的振动能量横向传递率d_ki，如式(6)所示；

式中Δ_i+1，i为第(i+1)个测点与第i个测点沿板桥横向的直线距离，abs()表示取绝对值，其余符号同前；

对有效样本能量集[E]式(5)中第k行元素均依照式(6)计算，并将计算结果经d_ki的最大值归一，得到：

{d}_k＝{d_k1 d_k2 … d_ki … d_k，n-1} (7)

式中，d_ki表示振动能量在第i根板梁和第i+1根板梁间的经铰缝相互传递的横向传递率，其余号意义同前；

对有效样本能量集[E]式(5)中所有行数据均进行式(6)、(7)的遍历计算，得到振动能量横向传递率集[D]由式(8)给出；

式中各符号意义同前；

铰缝损伤状态指标cr_k计算模块：

取板桥振动能量横向传递率集[D]计算模块输出的振动能量横向传递率集[D]式(8)中任一行，去除其中最大值元素和次最大值元素，得到子向量{d}_k，sub

{d}_k，sub＝{d_ks，1 … d_ks，n-3} (9)

对式(9)各元素计算均值d_k，meam

定义铰缝损伤状态指标cr_k

cr_k＝1/d_k，mean (11)

对式(8)中的所有行数据执行式(9)～式(11)的遍历计算，得到铰缝损伤状态指标集向量{C}，最终铰缝损伤状态指标cr_k计算模块输出铰缝损伤状态向量{CR}由式(12)给出；

{CR}＝{cr₁ cr₂ … cr_k … cr_l}^T (12)

式中上标T表示向量转置，cr_k表示由第k次车行激励段样本数据计算所得的铰缝损伤状态指标值，其余符号同前；

所述缝损伤状态统计评估判定模块与数据处理和分析模块连接，由{CR}计算铰缝损伤状态统计评估指标F_stj，根据F_stj进行铰缝损伤状态统计评定；缝损伤状态统计评估判定模块软件运行的原理：

(4.1)铰缝损伤状态累积变量st_j,j＝1,2,3；

定义如下与三种铰缝损伤状态对应的累积变量，提供给步骤4.2：

(a)st₁：表示铰缝损伤状态为完好无损伤；st₁初值为0，对式(12)遍历查询，当满足cr_k≤1.3时，st₁＝st₁+1；

(b)st₂:表示铰缝损伤状态为部分损伤；st₂初值为0，对式(12)遍历查询，当满足1.3cr_k3.0，st₂＝st₂+1；

(c)st₃:表示铰缝损伤状态为完全失效；st₃初值为0，对式(12)遍历查询，当满足cr_k≥3.0时，st₃＝st₃+1；

(4.2)铰缝损伤状态统计评估指标

st₁+st₂+st₃＝l,l为有效样本总数，定义铰缝损伤状态统计评估指标如式(13)所示，提供给步骤4.3

(4.3)铰缝损伤状态统计评估

依据式(13)中F_stj结果,j＝1,2,3，依照如下统计评估判据评定铰缝损伤状态:

(a)当某一个F_stj0.5时，铰缝损伤状态统计评估结论取为该F_stj对应状态，见式(13)；

(b)当某一个F_stj满足0.35F_stj≤0.5，且其余两个取值均小于该F_stj时，铰缝损伤状态统计评估结论取为该F_stj对应状态，见式(13)；

(c)当某两个F_stj均满足0.35F_stj0.5时，取这两个中的大者对应状态作为铰缝损伤状态统计评估结论；

(d)当上述三种情况均不出现时，取三个F_stj中的最大值对应状态作为铰缝损伤状态统计评估结论。