[发明专利]一种基于三维图的运营桥梁振动和健康状态异常预警方法

说明书

本发明公开了一种基于三维图的运营桥梁振动和健康状态异常预警方法，包括以下步骤：测试和采集运营桥梁加速度响应信号；对加速度响应信号进行去除漂移等预处理；对事先指定时间长度内的加速度响应信号进行加窗函数，计算功率谱，去除激励频率的干扰；把多个时间段的加速度响应信号功率谱汇集在一个三维图中，并且把三维图转化为彩色平面图或者灰度平面图；从三维图中各阶频率的变化趋势和颜色或者灰度变化来判定桥梁振动异常和健康状态异常，从而实现桥梁预警。本发明方法可以有效地判定桥梁振动异常和健康状态异常，从而发出预警，无需结构分析模型，计算简便，环境因素鲁棒性好，具有很好的工程应用性。

技术领域

本发明属于结构健康监测领域，涉及一种结构振动和状态异常预警技术，具体涉及一种基于时间频率能量三维图的运营桥梁振动和健康状态异常预警方法。

背景技术

世界范围内的桥梁结构数量越来越多，桥梁结构往往庞大而且复杂，自其建成投入使用以后，在经过长年累月的环境侵蚀、材料老化和各种动静载荷等因素的联合作用下，结构的性能会不可避免地下降乃至出现损伤，最终导致结构出现局部乃至整体的垮塌，事故发生时，不仅造成巨大的经济损失，更危害到人们的生命安全，因此，对桥梁结构进行振动和状态监测是十分必要的。

近几十年来，基于振动参数的桥梁结构健康监测方法也随之提出，振动参数包括频率、振型、频响函数、模态应变能、应变响应和加速度响应等。但是由于以下几个问题阻碍了这些方法在实际工程结构中的应用，首先，进行模态识别时，不可避免地产生主观性误差、功率谱泄露、密集模态丢失，截断误差等问题；第二，在基于振动参数的时域健康监测方法中，存在系统定阶问题和模态丢失问题；第三，不能尽可能多的包含更多阶数的模态信息，丢失了响应信号中与损伤有关的高阶模态，使得提取的指标对结构状态改变不够灵敏；第四，有些方法计算需人工参与，产生人工干预的随机性，不适合对海量连续监测数据进行自动在线分析和健康监测；第五，由于实际桥梁结构的太多不确定性因素，所以难以建立精确匹配的结构分析模型，导致依赖结构分析模型的健康监测方法难以应用到实际的桥梁结构中。

实际运营桥梁的振动监测系统，具有振动数据海量和激励环境复杂等特点，目前亟待提出一种基于时间、频率和振动能量的三维图预警方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于三维图的运营桥梁振动和健康状态异常预警方法，将结构的各阶固有频率和对应的振动能量跟时间关联起来，而高阶固有频率和振动能量对结构状态改变敏感，所以能及时地预警结构振动异常和健康状态异常，有效监测桥梁结构的健康状态。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于三维图的运营桥梁振动和健康状态异常预警方法，所述的桥梁预警方法包括以下步骤：

S1、在桥梁结构上关键位置布置加速度传感器测试加速度响应信号；

S2、对加速度传感器测试获得的加速度响应信号进行预处理，例如剔除传感器异常时的数据，和进行去漂移等处理；

S3、对事先指定时间长度的加速度响应信号进行加窗函数；

S4、对加窗函数的加速度响应信号进行功率谱计算和功率谱平均计算，以便消除激励和环境因素的影响；

S5、把所有时段的加速度响应信号的功率谱绘制成x轴为时间、y轴为频率、z轴为振动能量的三维图，并用颜色或灰度值来表示振动能量，把空间三维图转化为二维平面图；

S6、从空间三维图中各阶频率的变化趋势和颜色或灰度变化来预警桥梁振动异常和健康状态异常。

进一步地，所述的步骤S1过程如下：