基于gps位移监测的大跨桥梁钢箱梁损伤预警方法
【专利摘要】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。
【专利说明】基于GPS位移监测的大跨桥梁钢箱梁损伤预警方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种应用于大跨桥梁钢箱梁损伤预警的方法，涉及桥梁工程的监测与评 估领域。
【背景技术】
[0002] 钢箱梁作为大跨钢桥的重要组成部分，其健康与否关系到桥梁使用安全及桥梁使 用年限。但是在正常运营期间内，钢箱梁由于受到长期的交通荷载、气候与环境作用等将不 可避免地发生损伤及病害，导致其承载能力和耐久性能发生退化。因此，采用科学有效的方 法对钢箱梁进行结构健康监测、预警、安全性及耐久性评估则显得极为重要和迫切[1]。根 据结构监测系统数据与参数，建立大跨桥梁钢箱梁结构状态预警与识别方法是重要的研究 方向。
[0003] 目前关于钢箱梁状态预警和损伤识别方法绝大部分是以结构动力特性参数为基 础构建损伤预警指标，建立桥梁的预警系统。然而，受温度、风等噪音及环境因素的影响，准 确测量钢箱梁试验模态参数比较困难。
[0004] 位移和形变是大跨桥梁钢箱梁结构响应的重要参数，它是桥梁受力的宏观反映， 通过测量钢箱梁的动态三维位移，可以实时了解桥梁的线型状况和变化规律，从而衡量桥 梁是否处于正常营运状态。传统测量方法不仅工作量大周期长，其监测时间和点位也不能 更好的实现统一，甚至会加大变形分析难度。近年来，随着科学技术的发展以及空间技术的 进步，GPS技术由于其可以实现实时、高动态、高精度位移测量而得到了广泛的应用，并成为 变形监测领域内研究的热点 [2]。随着GPS-RTK技术的出现，GPS接收机采样频率的提高，以 及GPS解算软件的发展和完善，GPS技术在大型工程结构物动态特性和变形监测中的应用 越来越广泛。
[0005] 通过GPS监测系统对大跨桥梁钢箱梁进行实时监测与数据分析，可以及时捕捉钢 箱梁在实际交通负荷与自然蜕化条件下的异常特征信息并发出预警信号，为桥梁维护、维 修与管理决策提供依据和指导。同时，相比于文献[3]中以梁端位移作为损伤预警指标，梁 端位移仅仅表征了梁端位置主梁轴向变位，而且变化幅值较小，测量误差容易掩盖局部损 伤所造成的异常变化。本发明的方法以坐标残差作为损伤预警指标，从多个截面、多方向分 析，从而更准确地对钢箱梁结构进行异常状态识别和损伤预警。
[0006] 参考文献
[0007] 文献[1]李爱群，缪长青.桥梁结构健康监测[M].北京：人民交通出版社，2009 ;
[0008] 文献[2]Mehdi Modares，A. M. ASCEand Natalie Waksmanski. An Overview of Structural Health Monitoring for Steel Bridges[J]. Practice Periodical on Structural Design and Construction, October 23, 2012 ；
[0009] 文献[3]邓扬，李爱群，丁幼亮等.基于长期监测数据的大跨桥梁结构伸缩缝损 伤识别[J].东南大学学报自然科学版，2011，41 (2):336-341。
【发明内容】
[0010] 技术问题：本发明针对现有大跨桥梁结构损伤检测技术的问题，提供了一种运营 状态下基于GPS监测的大跨桥梁钢箱梁损伤预警方法。
[0011] 技术方案：通过GPS实时监测大桥的三维动态坐标，可以了解桥梁的线型状况和 变化规律，从而衡量桥梁是否处于正常营运状态。当钢箱梁发生损伤时，其三维动态坐标就 会发生异常变化，基于这种位置坐标的变化即可对大跨桥梁钢箱梁的损伤进行预警分析。
[0012] 由于环境温度、交通荷载的作用会影响钢箱梁位置坐标的变化，从而掩盖钢箱梁 因损伤所造成的坐标变化。因此，本发明的方法首先分析环境温度、交通荷载对钢箱梁位置 坐标的影响规律并建立相关性模型，在此基础上剔除交通荷载的影响。然后利用钢箱梁位 置坐标与温度的相关性并采用均值控制图法来识别由钢箱梁损伤所引起的位置坐标的异 常变化，从而建立大跨桥梁钢箱梁损伤预警方法。
[0013] 本发明提供了一种运营状态下基于GPS位移监测的大跨桥梁钢箱梁损伤预警方 法，该方法包括如下步骤：
[0014] 步骤1 :桥梁位移GPS监测装置及温度传感器、加速度传感器的布置
[0015] 在钢箱梁1/4截面、1/2截面和3/4截面上下游分别布置GPS监测装置和温度传感 器、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 钢箱梁坚向加速度；
[0016] 步骤2:监测数据的处理
[0017] 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 位置坐标和温度以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的均方根值RMS，作为交通荷载的代表值；
[0018] 步骤3 :健康状态下钢箱梁位置坐标和环境条件的数学相关性模型
[0019] 步骤3a :选取桥梁建成后包含四季变化的η天经过小波降噪处理后的监测数据来 建立相关性模型，钢箱梁位置坐标Ζ和温度Τ以及交通荷载代表值R，
[0020] 步骤3b :采用多项式回归的方法建立钢箱梁坐标Ζ和温度Τ之间的关系，回归模 型参数由最小二乘法计算得到，
[0021] 步骤3c :采用线性回归方法建立垂桥向位置坐标C和交通荷载R之间的关系，然 后选取参考加速度为Rf，将垂桥向位置坐标实测值"归一化"至参考加速度R f，得到消除交 通荷载影响的垂桥向位置坐标C' ；
[0022] 步骤4 :控制图显著性水平的确定
[0023] 步骤4a:将步骤3中η天实测坐标值Z(包括归一化垂桥向坐标值C'）取日平均 值，记为Zi，将实测温度Τ同样取日平均值记为?\，然后输入步骤3中的相关性模型计算得 到钢箱梁位置坐标预测值，记为Ζ 2，计算钢箱梁位置坐标实测值与预测值的残差，记为e，
[0024] 步骤4b :将步骤4a中坐标残差e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，使得上述η个样本点全部落在控制图的上下控制线之内；
[0025] 步骤5 :钢箱梁损伤预警
[0026] 步骤5a :将未知状态的m天监测数据中实测坐标日平均值记为Ζ3，实测温度日平 均值记为τ2，将Τ 2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Ζ4。计 算钢箱梁位置坐标实测值与预测值的残差，记为e'，
[0027] 步骤5b :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，可作出钢箱梁发生损伤的预警。
[0028] 有益效果：针对运营状态下大跨桥梁结构损伤预警的实时性和准确性要求，本发 明综合现场监测、统计建模、均值控制图等手段提出了运营状态下基于GPS位移监测的大 跨桥梁钢箱梁损伤预警方法，具有以下有益效果：
[0029] (1)本发明所需安装的传感器数量较少，仅需要桥梁位移GPS监测装置、温度传感 器和加速度传感器。同时，本发明采用的方法可以通过简单的编程实现，方便应用于实际工 程。
[0030] (2)本发明利用GPS动态监测数据从多个截面、多方向分析，从而更准确地对钢箱 梁进行损伤预警。
[0031] (3)本发明考虑了运营状态下影响钢箱梁位移变化的环境温度和交通荷载因素， 有效提高了钢箱梁损伤预警的精度。
[0032] (4)本发明引入均值控制图的方法对钢箱梁位置坐标的异常变化进行多样本的假 设检验，可以减少误判的可能性。
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 图1为顺桥向坐标值与温度的相关散点图（小时平均）；
[0034] 图2为垂桥向坐标值与温度的相关散点图（小时平均）；
[0035] 图3为顺桥向坐标值与温度的相关散点图（日平均）；
[0036] 图4为垂桥向坐标值与温度的相关散点图（日平均）；
[0037] 图5为垂桥向位置坐标和加速度均方根的相关性散点图；
[0038] 图6为结构健康状态下的顺桥向坐标残差均值控制图，图中的UCL表示上控制线， LCL表示下控制线，CL为控制图的中线；
[0039] 图7为结构健康状态下的垂桥向坐标残差均值控制图，图中的UCL表示上控制线， LCL表示下控制线，CL为控制图的中线；
[0040] 图8为结构异常状态下的顺桥向坐标残差均值控制图，图中的UCL表示上控制线， LCL表示下控制线，CL为控制图的中线；
[0041] 图9为结构异常状态下的垂桥向坐标残差均值控制图，图中的UCL表示上控制线， LCL表示下控制线，CL为控制图的中线。
【具体实施方式】
[0042] 下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行进一步的描述：
[0043] (1)在桥梁位移GPS监测装置、温度传感器和加速度传感器的设置过程中，GPS和 传感器布置的数量、位置及参数的设置可视桥的类型、跨径、桥面宽度以及桥址的环境等具 体情况而定，通常在钢箱梁1/4、1/2、3/4等截面上下游各设置一个桥梁位移GPS监测装置、 温度传感器和加速度传感器，即可满足本发明的需要。
[0044] (2)将获得的GPS位置坐标监测数据首先采用小波阈值去噪方法进行降噪处理， 然后将降噪处理后的坐标和温度分别进行小时平均处理，作为钢箱梁位置坐标和温度的代 表值；将获得的加速度响应数据，首先进行低通滤波，再以1小时为时间间距计算加速度响 应的均方根值RMS，作为交通荷载的代表值。
[0045] (3)选择桥梁施工完成后包含四季变化的η天的监测数据来建立相关性模型，这 是因为这段时间内钢箱梁线形可认为处于健康状态，而且能够体现出四季变化特征，以s、c 和T、R分别表7^顺桥向、垂桥向位置坐标和温度、交通荷载代表值，样本总数为48Xn。
[0046] (4)采用多项式回归的方法建立温度T分别和顺桥向坐标值S、垂桥向坐标值C之 间的关系：
【权利要求】
1. 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； 在钢箱梁典型截面处分别布置桥梁位移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三维坐标、温度和由于交通荷载引起的钢箱梁坚向加速度； 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的均方根值RMS，作为交通荷载的代表 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)选取桥梁建成后包含一年四季季节变化的η天经过处理后的监测数据来建立相 关性模型，钢箱梁位置坐标Ζ和温度Τ以及交通荷载代表值R ; 3. 2)采用多项式回归的方法建立钢箱梁位置坐标Ζ和温度Τ之间的关系，回归模型参 数由最小二乘法计算得到； 3. 3)为了消除交通荷载对钢箱梁垂桥向位置坐标的影响，首先采用线性回归方法建立 垂桥向GPS位置坐标C和交通荷载R之间的关系，然后选取参考加速度R f，将垂桥向位置坐 标实测值"归一化"至参考加速度Rf，得到消除交通荷载影响的垂桥向位置坐标C' ； 4) 确定控制图显著性水平； 4. 1)将步骤3)中η天"归一化"后的钢箱梁位置坐标值Z取日平均值，记为Zi，将实测 温度T同样取日平均值记为?\，然后输入步骤3)中的相关性模型计算得到钢箱梁坐标预测 值，记为Ζ 2，计算钢箱梁坐标实测值与预测值的残差，记为e， 4. 2)将步骤4. 1)中坐标残差e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，使得上述η个样本点全部落在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Ζ3，实测温度日平均 值记为Τ 2，将Τ2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Ζ4，计 算钢箱梁位置坐标实测值与预测值的残差，记为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，可作出钢箱梁发生损伤的预警。
【文档编号】G01M99/00GK104048843SQ201410263892
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】缪长青, 王蔓, 梅明星, 田洪金 申请人:东南大学