[发明专利]基于GPS位移监测的大跨桥梁钢箱梁损伤预警方法

摘要

本发明涉及一种基于GPS位移监测的大跨桥梁钢箱梁损伤预警方法，通过在钢箱梁上设置GPS位移监测装置和温度传感器、加速度传感器获得钢箱梁的三维动态坐标和温度、加速度的长期监测数据，分别研究健康状态下钢箱梁各个方向动态坐标与温度、交通荷载等环境因素的相关性，建立相关性回归模型，然后构造坐标残差预警指标并采用均值控制图法判别钢箱梁位置坐标的异常变化，建立钢箱梁结构损伤预警方法。当本发明应用于大跨桥梁钢箱梁损伤预警时，只需将健康状态和未知状态的钢箱梁位置坐标同时输入均值控制图，若钢箱梁状态发生异常，控制图的样本点就超出控制线，这样即实现了大跨桥梁钢箱梁损伤预警。

主权项

一种基于GPS位移监测的大跨桥梁钢箱梁损伤预警方法，其包括如下步骤：1)布置GPS监测装置及传感器；在钢箱梁1/4截面、1/2截面和3/4截面上下游各布置GPS监测装置、温度传感器和加速度传感器，用以监测钢箱梁各个截面的位置坐标和温度以及由于交通荷载引起的钢箱梁竖向加速度；2)处理监测数据；将获得的钢箱梁GPS位置坐标数据利用小波阈值去噪方法进行降噪处理，然后将GPS位置坐标数据和温度数据以1小时为计算区间进行平均处理；将获得的加速度响应数据进行低通滤波，再以1小时为时间间距计算加速度响应数据的均方根值RMS，作为交通荷载代表值R；3)建立健康状态下钢箱梁GPS位置坐标和环境条件的数学相关性模型；3.1)选择桥梁施工完成后包含四季变化的n天的监测数据来建立相关性模型，顺桥向位置坐标S、垂桥向位置坐标C和温度T、交通荷载代表值R，样本总数为48×n；3.2)采用多项式回归的方法建立温度T分别和顺桥向位置坐标S、垂桥向位置坐标C之间的关系：S(T)＝p0+p1T1+p2T2+p3T3+p4T4+p5T5+p6T6+p7T7           (1)C(T)＝p0+p1T1+p2T2+p3T3+p4T4+p5T5+p6T6+p7T7+p8T8+p9T9   (2)式中，取温度日平均值为温度T；取悬索桥顺桥向位移的日平均值为顺桥向位置坐标S；悬索桥垂桥向位移的日平均值为垂桥向位置坐标C；pi为回归模型的系数，i＝0～9；3.3)采用线性回归的方法建立垂桥向位置坐标C和交通荷载代表值R之间的关系为：C＝β0+β1·R                                   (3)式中，β0和β1为回归系数，通过最小二乘法得到，选取加速度响应参考值Rf，将其代入式(3)，得到垂桥向位置坐标的参考值Cr，同样地将实测的交通荷载代表值R也代入式(3)，得到由交通荷载影响所产生的位置坐标计算值Ct，这样就可以计算得到消除交通荷载影响的垂桥向坐标值C’：C'＝Cm‑(Ct‑Cr)                                (4)式中，C’为消除了交通荷载影响的垂桥向坐标值，Cm为坐标实测值，Ct为将实测的交通荷载代表值R代入式(3)得到的坐标计算值，Cr为将加速度响应参考值Rf代入式(3)得到的坐标计算值；4)确定控制图显著性水平；4.1)建立坐标残差为预警指标：e＝Z‑Z(T)                                    (5)式中，e为损伤预警指标，Z为坐标实测值，Z(T)为将温度实测值输入相关性模型计算得到的坐标预测值；将实测顺桥向位置坐标S和归一化后垂桥向坐标值C’取日平均值，分别记为S1和C1，将实测温度T同样取日平均值记为T1，代入式(1)、(2)计算得到钢箱梁顺桥向和垂桥向位置坐标预测值，分别记为S2和C2；然后代入式(5)中计算钢箱梁顺桥向和垂桥向位置坐标实测值与预测值的残差，分别记为es和ec；4.2)将es、ec输入均值控制图，并通过改变假设检验的显著性水平调整上、下限范围，使得n个样本点全部落在均值控制图的上下控制线之内；5)钢箱梁损伤预警；5.1)将未知状态的m天监测数据中钢箱梁实测坐标日平均值记为Z3，实测温度日平均值记为T2，将T2输入步骤3)中的相关性模型计算得到钢箱梁位置坐标预测值，记为Z4，计算钢箱梁位置坐标实测值与预测值的残差，记为残差样本e’，5.2)保持步骤4)确定的显著性不变，将未知状态的残差样本e’绘入步骤4)中的均值控制图，此时，若所有n+m个样本全部处于上、下控制线内，则说明钢箱梁状态正常，若有样本落在了控制线以外，则说明钢箱梁状态异常，作出钢箱梁发生损伤的预警。