连续钢桁拱桥盆式橡胶支座的损伤诊断和定位方法

文档序号:10512469阅读:511来源:国知局
连续钢桁拱桥盆式橡胶支座的损伤诊断和定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种连续钢桁拱桥盆式橡胶支座的损伤诊断和定位方法,涉及桥梁安全领域,该方法包括如下步骤,步骤a:采集连续钢桁拱桥中的弦杆温度数据,并计算钢桁拱桥整体温度以及弦杆之间温差的实测值;步骤b:采集连续钢桁拱桥中的盆式橡胶支座纵向位移数据;步骤c:利用训练数据建立支座纵向位移与钢桁拱桥整体温度、弦杆之间温差的数学模型;步骤d:利用测试数据计算纵向位移残差序列;步骤e:利用残差序列的主要变化趋势进行支座损伤识别与定位。本发明建立的数学模型同时考虑了纵向位移与整体温度以及温差之间的相关特性,使得支座损伤诊断和定位结果更准确,且能从若干支座中准确诊断和定位出损伤支座。
【专利说明】
连续钢桁拱桥盆式橡胶支座的损伤诊断和定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及桥梁安全领域,具体涉及一种连续钢桁拱桥盆式橡胶支座的损伤诊断 和定位方法。
【背景技术】
[0002] 盆式橡胶支座构造简单、加工制作容易、成本低、安装方便,并具有减震、抗震、变 形量大等突出优点,目前已广泛应用于大跨度桥梁结构中。在桥梁运营初期,盆式橡胶支座 内部聚四氟乙烯板与不锈钢板之间的摩擦系数较低,能够允许较大的纵向位移;然而,随着 服役时间增长,这一摩擦系数随着盆式橡胶支座损伤而不断增加,支座纵向位移受到严重 的摩擦力约束。因此及时诊断出受损伤的盆式橡胶支座对于桥梁安全具有重要意义。
[0003] 已有研究表明,支座纵向位移与主梁温度场之间具有一定相关特性。若支座损伤 发生,这一相关特性必然会发生异常变化。因此可利用支座纵向位移与主梁温度场之间的 相关特性来对支座进行损伤诊断和定位。
[0004] 但是,目前的方法对于连续钢桁拱桥的支座损伤诊断和定位尚有以下不足:(1)现 有方法仅考察支座纵向位移与钢拱桁梁整体温度之间的相关特性,然而连续钢桁拱桥存在 较大拱高,使得弦杆之间产生较大温差,这一温差也会对支座纵向位移产生影响;(2)现有 研究方法尚未提出多个支座同时损伤时的诊断和定位方法,连续钢桁拱桥会有多个支座, 未损伤支座的相关特性会因损伤支座的影响同样表现出异常变化,因此如何从若干支座中 准确诊断和定位出包含损伤的支座是一个亟待解决的关键问题。

【发明内容】

[0005] 针对现有技术中存在的缺陷,本发明的目的在于提供一种连续钢桁拱桥盆式橡胶 支座的损伤诊断和定位方法,该方法可以从若干支座中准确诊断和定位出包含损伤的支 座。
[0006] 为达到以上目的,本发明采取的技术方案是:一种连续钢桁拱桥盆式橡胶支座的 损伤诊断和定位方法,该方法包括如下步骤,
[0007] 步骤a.采集两个相连续的时间段U和时间段1^2内连续钢桁拱桥跨中同一截面上的 上弦杆、下弦杆和桥面弦杆的温度,在所述时间段1^和时间段1^ 2内各自计算同一采样点下所 述连续钢桁拱桥整体温度即所述上弦杆、下弦杆和桥面弦杆温度的平均值以及所述上弦 杆、下弦杆和桥面弦杆两两之间的温度差值;
[0008] 步骤b.采集所述时间段LdP时间段L2内除固定支座之外的盆式橡胶支座的纵向位 移,且所述纵向位移和所述上弦杆、下弦杆和桥面弦杆温度的采样频率相同;
[0009] 步骤c.建立所述盆式橡胶支座的纵向位移与所述连续钢桁拱桥整体温度、所述上 弦杆、下弦杆和桥面弦杆相互之间的温差的数学模型;
[0011]将所述时间段Ll内得到的所述同一采样点下所述上弦杆、下弦杆和桥面弦杆温度 的平均值和上弦杆、下弦杆和桥面弦杆两两之间的温度差值以及所述盆式橡胶支座的纵向 位移带入所述数学模型,并根据最小二乘法确定所述数学模型中&,1,\1,2,\ 1,3,\1,4的取值;
[0012] 式中,爲是第i个盆式橡胶支座纵向位移的模拟值,且所述盆式橡胶支座按照离所 述固定支座由远到近的顺序排序;Ta、T 12、T13和T23分别为所述时间段LdP时间段1^内所述连 续钢桁拱桥整体温度的实测值、上弦杆与下弦杆之间温差的实测值、上弦杆与桥面弦杆之 间温差的实测值、下弦杆与桥面弦杆之间温差的实测值,\,1义,2义, 3和1^4分别1'£1、1'12、1'13 和T23的权重,Ci是常数项;i = 1,2,. . . η;
[0013] 步骤d.将所述时间段L2内得到的所述同一采样点下所述上弦杆、下弦杆和桥面弦 杆温度的平均值和上弦杆、下弦杆和桥面弦杆两两之间的温度差值带入所述数学模型,计 算所述々.,并将所述爲与所述时间段L 2ft同一采样点下所述盆式橡胶支座的纵向位移相减 得到A Di,进一步计算相邻的所述Δ Di之间的残差序列Δ心:其中
[0014] ARi= ADi-ADi+i (i = l,2, · · ·,n_l) (2a)
[0015] Δ Ri= Δ Dn (i=n) (2b)
[0016] 步骤e.利用经验模态分解法提取所述残差序列Ah的主要变化趋势AEi,将所述 AEi除以δ,得到摩擦力的主要变化趋势AF1:
[0017] AFi= ΔΕι/δ? (3)
[0018] 式中,当i<n时,为所述连续钢桁拱桥在第i个盆式橡胶支座与第i + 1个盆式橡 胶支座之间节段的纵向伸缩柔度;当i = n时,δ,为所述连续钢桁拱桥在第n个盆式橡胶支座 与固定支座之间节段的纵向伸缩柔度;
[0019] 当i = 1时,若Δ Fi呈现上升趋势,则表明第一个盆式橡胶支座处于损伤状态;当i =2, . . .,n时,若Δ Fi呈现上升趋势且Δ Δ Fi,则表明第i个盆式橡胶支座处于损伤状 ??τ 〇
[0020] 在上述技术方案的基础上,所述步骤a中采用温度传感器采集所述上弦杆、下弦杆 和桥面弦杆的温度。
[0021] 在上述技术方案的基础上,所述时间段LdP时间段。总和大于8个月,且所述时间 段1^大于6个月。
[0022] 在上述技术方案的基础上,所述采样频率在1/600Ηζ-1Ηz之间选取。
[0023] 在上述技术方案的基础上,所述盆式橡胶支座的数量为7组。
[0024] 与现有技术相比,本发明的优点在于:
[0025] (1)本发明中的续钢桁拱桥盆式橡胶支座的损伤诊断和定位方法弥补了现有技术 未考虑纵向位移与温差之间相关特性的缺点,即本发明同时考虑了纵向位移与整体温度以 及温差(上弦杆与下弦杆之间温差、上弦杆与桥面弦杆之间温差、下弦杆与桥面弦杆之间温 差)之间的相关特性,使得建立的数学模型更能全面准确地反映相关特性的真实信息,有效 保证了对支座损伤诊断和定位结果的准确性。
[0026] (2)本发明还提出了如何从若干支座中准确诊断和定位出损伤支座的方法,现有 技术仅能从整体上把握桥梁支座存在损伤,但无法指出损伤支座的具体位置,导致桥检人 员无法及时地对损伤支座进行维护和更换,而本方法有效地克服了这一缺点。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明实施例大胜关长江大桥正立面图;
[0028] 图2为沿图1的1-1截面位置的上弦杆、下弦杆和桥面弦杆上的温度传感器布置图;
[0029] 图3为本发明实施例&的时程变化趋势;
[0030] 图4为本发明实施例為A的时程变化趋势;
[0031 ]图5为本发明实施例的时程变化趋势;
[0032] 图6为本发明实施例第一组支座的纵向位移与整体温度之间的相关特性;
[0033] 图7为本发明实施例第一组支座的纵向位移与之间的相关特性;
[0034] 图8为本发明实施例第一组支座的纵向位移与石从之间的相关特性;
[0035] 图9为本发明实施例第一组支座的纵向位移与乙之间的相关特性;
[0036] 图10为本发明实施例残差序列Afo的时程变化趋势;
[0037]图11为本发明实施例残差序列AR2的时程变化趋势;
[0038]图12为本发明实施例残差序列AR3的时程变化趋势;
[0039] 图13为本发明实施例AFi的时程变化趋势。
[0040] 图中:卜上弦杆,2-下弦杆,3-桥面弦杆,4-温度传感器。
【具体实施方式】
[0041] 以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0042 ]本发明的一种连续钢桁拱桥盆式橡胶支座的损伤诊断和定位方法,该方法包括如 下步骤:
[0043] 步骤a:采集连续钢桁拱桥中的弦杆温度数据,并计算钢桁拱桥整体温度以及弦杆 之间温差的实测值:
[0044] 将温度传感器4配接到温度采集系统中,采集连续钢桁拱桥在跨中同一截面的上 弦杆1、下弦杆2和桥面弦杆3的温度数据,对应的温度采集结果分别采用T^TdPTs表示,采 样时间长度为L个月,本发明中的采样时间L大于8个月,采样频率可在[l/600Hz,1Hz ]之间 选取;
[0045] 将采样时间L划分为2个时间段"和!^,其中U 2 6。在时间长度U内的上弦杆1、下 弦杆2和桥面弦杆3的温度实测值作为训练数据并分别记为$A,7^和Γ 3Α,在时间长度L2 内的上弦杆1、下弦杆2和桥面弦杆3的温度实测值作为测试数据并分别记为,?^:和
[0046] 在时间长度1^内,连续钢桁拱桥整体温度的实测值为+7;a)/3,上 弦杆1与下弦杆2之间温差的实测值为Αα, =$4 -7^,上弦杆1与桥面弦杆3之间温差的实 测值,下弦杆2与桥面弦杆3之间温差的实测值Γ23,Α = & -7^。
[0047]在时间长度L2内,按照在时间长度。内同样的处理方法得到钢桁拱桥整体温度的 实测值(?,上弦杆1与下弦杆2之间温差的实测值仏4,上弦杆1与桥面弦杆3之间温差的实 测值%^,下弦杆2与桥面弦杆3之间温差的实测值疋%。
[0048] 步骤b:采集连续钢桁拱桥中的盆式橡胶支座纵向位移数据:
[0049] 利用配接到位移采集系统的纵向位移计,同时采集连续钢桁拱桥中的各盆式橡胶 支座的纵向位移数据,由于固定支座的纵向位移受到约束,因此固定支座处的纵向位移不 用采集。此外,认为同一截面的上下右两侧支座纵向位移是相接近的,因此同一截面仅采集 上游侧或下游侧支座的纵向位移。按照离固定支座由远到近的顺序对纵向位移采集结果分 别采用D^Ds,...,D n表示,其中η为盆式橡胶支座个数,具体地说,若固定支座没有位于连续 钢桁拱梁的端部,η仅为固定支座一侧的盆式橡胶支座个数。本步骤中的采样时间长度与步 骤a-样,均为为L个月,采样频率也与步骤a中温度采样频率相同;此外也将采样时间L分为 步骤a中的时间段LdP时间段L 2。
[0050] 将时间长度U内的纵向位移实测值作为训练数据并分别记为A.,.,,将 时间长度1^内的纵向位移实测值作为测试数据并分别记为
[0051] 步骤c:利用训练数据建立支座纵向位移与钢桁拱桥整体温度、弦杆之间温差的数 学模型:
[0052]本发明同时考虑了纵向位移与整体温度以及上弦杆与下弦杆之间温差、上弦杆与 桥面弦杆之间温差、下弦杆与桥面弦杆之间温差之间的相关特性,使得建立的数学模型更 能全面准确地反映相关特性的真实信息,有效保证了对支座损伤诊断和定位结果的准确 性。
[0053]盆式橡胶支座纵向位移与钢拱桥整体温度、弦杆之间温差的数学模型采用下式表 示:
[0054] Α = Α'Λ + H + H +c, ( 1.)
[0055] 式中,鸟是第i个盆式橡胶支座纵向位移的模拟值;Ta是连续钢拱桥整体温度的实 测值,即!^是&和7^的集合,7>{^.1,^;!'12是上弦杆1与下弦杆2之间温差的实测值, 艮的集合,丨;T13是上弦杆1与桥面弦杆3之间温差的实测值, 即Τ13是7^,和的集合,是下弦杆2与桥面弦杆3之间温差的实测值, 艮P 丁23是^ 4 和4的集合,& = ; λ?, 1、λ?, 2、λ?, 3和λ?, 4分别是Ta、Tl2、Tl3和T23 的权 重;ci是 1?数项;i = l,2,. . .η。
[0056] 基于训练数据,将第i个盆式橡胶支座纵向位移的实测值代入在,即Α ,又将 %乂和^4.分别代入Ta、Tl2、Tl3 和 丁23,即& = ^二^^, 利用最小二乘法确定&,1、1^2、1^3、\^4和(^的最佳取值,其中最小二乘法是一种通过最小 化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配的方法,在参数优化领域已得到普遍使用。
[0057] 步骤d:利用测试数据计算纵向位移残差序列:
[0058] 分别将、心.i,、和乃3士代入式(1 )中的T a、T i 2、T i 3和T 2 3,即 = ,I = ,『23 =巧3 ,计算出马,将A与相减得到Δ Di,进一步 计算相邻A 0,之间的残差序列△心:其中
[0059] ARi= ADi-ADi+i (i = l,2, · · ·,n_l) (2a)
[0060] Δ Ri= Δ Dn (i=n) (2b)
[0061] 步骤e:利用残差序列的主要变化趋势进行支座损伤识别与定位:
[0062] 利用经验模态分解法提取出Δ R,的主要变化趋势并记为Δ Ei,经验模态分解法是 依据数据自身的时间尺度特征进行信号分解,无须预先设定任何基函数,因此可以自适应 地将△心分解为若干个本征模函数和一个余项△ Ei,在工程信号分析领域中得到普遍采用。 [0063] AEi除以δι得到摩擦力的主要变化趋势AFi:
[0064] AFi= ΔΕι/δ? (3)
[0065] 式中,当i<n时,31是钢桁拱梁在第i个支座与第i + 1个支座之间节段的纵向伸缩 柔度;当i=n时,31是钢桁拱梁在第n个支座与固定支座之间节段的纵向伸缩柔度。伸缩柔 度心是常量,它是力学的一个概念,对第i个支座与第i+Ι个支座之间的梁节段施加单位1的 轴向力时,此梁节段发生的纵向位移伸缩量即为心。
[0066] 然后利用AFi对盆式橡胶支座进行损伤识别和定位:当i = l时,如果ΔΚ呈现出上 升趋势,说明第1个盆式橡胶支座处于损伤状态;当i = 2,...,n时,如果AFi呈现出上升趋 势且Δ Fn < Δ Fi,说明第i个盆式橡胶支座处于损伤状态。
[0067]下面以大胜关长江大桥盆式橡胶支座为例,说明本发明的具体实施过程。
[0068] (1)大胜关长江大桥共有7组盆式橡胶支座,其中第4组盆式橡胶支座为固定支座, 如图1所示。由于大胜关长江大桥具有结构对称性,因此仅取其左对称部分的盆式橡胶支座 分析;
[0069] (2)参见图2所示,在上弦杆1、下弦杆2和桥面弦杆3上分别布置温度传感器4,持续 采集这三个弦杆自2013年3月至2013年10月的温度数据,可知时间段1^为8个月,对应的采 集结果分别采用 7U和表示并作为训练数据。然后计算连续钢桁拱桥整体温度的 实测值tv,上弦杆1与下弦杆2之间温差的实测值$?,上弦杆1与桥面弦杆3之间温差的实 测值 7kv,下弦杆2与桥面弦杆3之间温差的实测值?^,,其中k的时程变化趋势如图3所 不。
[0070] (3)大胜关长江大桥的左对称部分有三组盆式橡胶支座,在每组盆式橡胶支座上 安装一个纵向位移传感器,持续采集这三组盆式橡胶支座自2013年3月至2013年10月的纵 向位移数据,对应的采集结果分别采甩Aa,表示并作为训练数据,其中贫+的 时程变化趋势如图4所示;
[0071] (4)由于盆式橡胶支座损伤是一个长期缓慢的过程,短时间内的监测结果不具有明显 的支座损伤信息,难以作为测试数据来验证本方法的有效性和准确性。因此采用模拟方法来获 取测试数据,即在温度测试数据仍然选用&,&和,即在& = =7^=? 的基础上,假定三组盆式橡胶支座在2013年3月至2013年10月内存在各自的损伤曲线,第一 组盆式橡胶支座的摩擦力增长趋势为4/;,L27f,其中t的单位为小时。第二组盆式橡 胶支座的摩擦力增长趋势为八5,8(〇=0.817丨 2,第三组盆式橡胶支座的摩擦力增长趋势 为八6,8(〇=0.710丨2,按此假设模拟得到三组盆式橡胶支座的纵向位移测试数据为 ,其中Z)u:的时程变化趋势如图5所示;此外,通过计算得到连续钢桁拱 桥整体温度的实测值,上弦杆1与下弦杆2之间温差的实测值,上弦杆1与桥面弦杆3 之间温差的实测值7,下弦杆2与桥面弦杆3之间温差的实测值乙,?:。
[0072] 首先绘制第一组盆式橡胶支座的纵向位移与整体温度之间的相关特性,参见图6 所示,可以看出两者呈现出良好的线性相关特性。在扣除温度影响后,进一步绘制第一组支 座的纵向位移与仏^、1?之间的相关特性分别如图7、图8和图9所示,可以看出纵 向位移与温差亦呈现出一定的线性相关特性,因此考虑纵向位移与温差之间的相关特性很 有必要。
[0073] (5)基于训练数据,将第i个支座纵向位移的实测值代入?(? = 1,2,.. .3),即Α , N ^,£^P^23,ii^SlJ/i^ATaNTl2NTl3iPT23jBP^' TV,=TU.l,' 利用最小二乘法确定1^、11,2、\1,3、\1,4和(^的最佳取值,其最佳取值如表1所示;
[0074] 表1人"义…人以义^和以的最佳取值
[0075]
[0076] ( 6 )分别将 7a,£2:、$2,.??3,Ι:和 代入式(1)中的 Ta、Tl2、Tl3 和 T23,即 C = ,A =石2』:,A = Α,ν,^ = '计算出為,将為与Α,Χ:相减得到Δ Di,进一步 计算相邻A Di之间的残差序列Δ Ri:其中(i = 1,2,. . . 3),Δ Ri、Δ R2和Δ R3的变化趋势分别 如图10、图11和图12所示。
[0077] (7)利用经验模态分解法提取出AR,的主要变化趋势并记为ΔΕη AEi除以δ,得到 摩擦力的主要变化趋势AFi如图13所示,然后利用AFi对盆式橡胶支座进行损伤识别和定 位:
[0078] 当i = l时,AFi呈现出上升趋势,说明第1组盆式橡胶支座处于损伤状态;
[0079] 当i = 2时,AF2呈现出上升趋势且说明第2个盆式橡胶支座处于损伤 状态;
[0080] 当i = 3时,AF3呈现出上升趋势且AF2< AF3,说明第3组盆式橡胶支座处于损伤 状态;
[0081] 可以看出盆式橡胶支座的损伤诊断与定位结果与假定一致,验证了本发明的有效 性和准确性。
[0082] 本发明不局限于上述实施方式,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离 本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护 范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1. 一种连续钢桁拱桥盆式橡胶支座的损伤诊断和定位方法,其特征在于:该方法包括 如下步骤, 步骤a.采集两个相连续的时间段U和时间段1^2内连续钢桁拱桥跨中同一截面上的上弦 杆、下弦杆和桥面弦杆的温度,在所述时间段U和时间段1^2内各自计算同一采样点下所述连 续钢桁拱桥整体温度即所述上弦杆、下弦杆和桥面弦杆温度的平均值以及所述上弦杆、下 弦杆和桥面弦杆两两之间的温度差值; 步骤b.采集所述时间段U和时间段1^2内除固定支座之外的盆式橡胶支座的纵向位移, 且所述纵向位移和所述上弦杆、下弦杆和桥面弦杆温度的采样频率相同; 步骤c.建立所述盆式橡胶支座的纵向位移与所述连续钢桁拱桥整体温度、所述上弦 杆、下弦杆和桥面弦杆相互之间的温差的数学模型;(1) 将所述时间段U内得到的所述同一采样点下所述上弦杆、下弦杆和桥面弦杆温度的平 均值和上弦杆、下弦杆和桥面弦杆两两之间的温度差值以及所述盆式橡胶支座的纵向位移 带入所述数学模型,并根据最小二乘法确定所述数学模型中\, 1,\,2,\1,3,\1, 4的取值; 式中,為是第i个盆式橡胶支座纵向位移的模拟值,且所述盆式橡胶支座按照离所述固 定支座由远到近的顺序排序;Ta、T12、T13和T23分别为所述时间段U和时间段1^ 2内所述连续钢 桁拱桥整体温度的实测值、上弦杆与下弦杆之间温差的实测值、上弦杆与桥面弦杆之间温 差的实测值、下弦杆与桥面弦杆之间温差的实测值,\,1义,2义,3和1^4分别1' £1、1'12、1'13和丁23 的权重,Ci是常数项;i = l,2,...n; 步骤d.将所述时间段L2内得到的所述同一采样点下所述上弦杆、下弦杆和桥面弦杆温 度的平均值和上弦杆、下弦杆和桥面弦杆两两之间的温度差值带入所述数学模型,计算所 述,并将所述爲与所述时间段L2内同一采样点下所述盆式橡胶支座的纵向位移相减得到 Δ Di,进一步计算相邻的所述Δ Di之间的残差序列Δ Ri:其中 ARi= ADi-ADi+i(i = l,2, · · ·,n_l) (2a) Δ Ri= Δ Dn(i = n) (2b) 步骤e.利用经验模态分解法提取所述残差序列A心的主要变化趋势△ Ei,将所述Δ Ei 除以心得到摩擦力的主要变化趋势A h: AFi= AEi/5i (3) 式中,当i<n时,为所述连续钢桁拱桥在第i个盆式橡胶支座与第i+1个盆式橡胶支座 之间节段的纵向伸缩柔度;当i=n时,为所述连续钢桁拱桥在第η个盆式橡胶支座与固定 支座之间节段的纵向伸缩柔度; 当i = l时,若Δ Fi呈现上升趋势,则表明第一个盆式橡胶支座处于损伤状态;当i = 2,. . .,η时,若Δ Fi呈现上升趋势且Δ Fh < Δ Fi,则表明第i个盆式橡胶支座处于损伤状态。2. 如权利要求1所述的连续钢桁拱桥盆式橡胶支座的损伤诊断和定位方法,其特征在 于:所述步骤a中采用温度传感器采集所述上弦杆、下弦杆和桥面弦杆的温度。3. 如权利要求1所述的连续钢桁拱桥盆式橡胶支座的损伤诊断和定位方法,其特征在 于:所述时间段LdP时间段1^总和大于8个月,且所述时间段1^大于6个月。4. 如权利要求1所述的连续钢桁拱桥盆式橡胶支座的损伤诊断和定位方法,其特征在 于:所述采样频率在1/600Ηζ-1Ηz之间选取。5.如权利要求1所述的连续钢桁拱桥盆式橡胶支座的损伤诊断和定位方法,其特征在 于:所述盆式橡胶支座的数量为7组。
【文档编号】E01D19/04GK105868493SQ201610229900
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】吴来义, 岳青, 刘华, 刘忠诚, 张涛, 刘有桥, 戴新军, 邓龙飞, 张少华, 毛国辉, 王高新
【申请人】中铁大桥勘测设计院集团有限公司, 中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司
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