[发明专利]基于被动激励的桥梁结构应变监测系统在线校准方法

说明书

本发明公开了一种基于被动激励的桥梁结构应变监测系统在线校准方法，包括：以桥梁正常通行车辆的动态载荷为被动激励源作用于桥梁结构上；RS系统和待校准的SMS系统连续同步采集桥梁结构的应变数据，并按时间排序形成测量数据序列；根据RS系统和待校准的SMS系统分别采集的所述测量数据序列，计算SMS系统的瞬时测量误差、期间测量误差、基本误差；以瞬时测量误差、和/或期间测量误差、和/或基本误差为校准依据，对SMS系统进行的计量性能进行在线评测。本发明以桥梁正常通行时的车辆动态荷载为激励条件，通过应变监测系统与参考测量系统对结构响应参量的同步测量建立校准链，并基于大样本数据的计量特性分析模型实现了在线校准特性的量化表征。

技术领域

本发明涉及桥梁安全监测技术领域，具体涉及一种基于被动激励的桥梁结构应变监测系统在线校准方法。

背景技术

应变监测是桥梁、大坝、高层建筑等结构健康监测的重要任务。应变传感系统的计量性能是结构监测数据准确性的重要保障，也是结构监测系统发挥其损伤检测、性能评估、安全预警、寿命预测等作用的基本前提。

应变监测的常用传感器包括光纤光栅式应变计、电阻式应变计、振弦式应变计等。其共性原理是通过结构变形的传导作用，将结构应变测量转化为对传感元件自身应变的测量问题，然后利用传感元件的长度变化与特定物理参量(如光波长、电阻、固有频率等)的耦合关系，实现应变的间接测量。

应变测量的原理决定了监测结果的可靠性不仅取决于传感器自身的计量性能，也与传感器的固定、张拉状态密切相关。为满足桥梁结构全寿命周期内应变状态参量连续获取的需要，传感器在其服役期内，既要开展溯源性校准，又不能任意改变其安装状态。因此，在役结构应变监测系统必然面临野外环境、持续监测和被动激励条件下的在线校准问题。

在传感系统校准方法领域，国内外近20年来开展了广泛的研究，已形成一定的范式。其基本思路是：在特定激励源作用下，通过一种测量方法与另一种测量方法的同步测量比较来建立溯源链。气浮质量法(Levitation Mass Method,LMM)是一种经典的力传感器校准方法。该方法通过特定激励源驱动标准质量块运动产生惯性力，由被校准传感器测量输出力值；同时，通过运动测量系统测量标准质量块的加速度，依牛顿第二定律测算标准力值；通过传感器的输出和标准力值的同步比较实现力传感器的动态校准。此方法中驱动标准质量块运动的激励源主要有冲击激励、振荡激励、台阶激励三种。德国联邦物理技术研究院(PTB)、美国国家标准技术研究院(NIST)等研究机构均通过类似方法实现了力传感系统的动态校准。LMM方法在实施过程中不影响被校准系统的连续正常工作，与在线校准的实际需求是一致的，但对激励源和测量系统的工作条件要求苛刻，无法满足现场在线校准的要求。

外部激励条件下的数据分析是桥梁结构状态评估的重要技术手段。桥梁荷载试验采用载重车辆对桥梁进行动态或静态加载，同时监测桥梁结构响应以实现结构损伤探测、性能评估、承载力分析等。基于结构振动监测的运行模态分析(Operational ModalAnalysis，OMA)方法，通过综合环境激励下桥梁结构的响应数据进行结构模态分析，可在无需中断交通的条件下进行桥梁状态评估。目前，在针对大型桥梁的结构性能研究中，以车辆荷载、环境振动等作为激励条件，仍是最为便捷可行的试验模式。但由于车辆荷载和环境条件的不可控性，以此类被动激励为基础的在线校准，将面临理论模型和实施方案的多重挑战。

发明内容

本发明针对桥梁结构应变监测系统全天时工作状态下的在线校准问题，从不阻断正常交通的便捷性原则出发，提出了一种基于被动激励的桥梁结构应变监测系统在线校准方法。该方法以桥梁正常通行时的车辆动态荷载为激励条件，通过应变监测系统与参考测量系统对结构响应参量的同步测量建立校准链，并基于大样本数据的计量特性分析模型实现了在线校准特性的量化表征。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种基于被动激励的桥梁结构应变监测系统在线校准方法，步骤包括：