用于确定结构失效风险的系统和方法与流程

本发明涉及一种用于确定结构(诸如桥梁或其他结构)的状况、并且更具体地用于量化该结构的失效风险的系统和方法。

背景技术：

1、自从20世纪50年代以来，人们对结构如何动态表现以及如何测量结构的动态响应进行了重要研究。众所周知，结构会以一系列振动模式移动和弯曲。每种振动模式由一系列参数描述，这些参数通常由结构的物理性质规定，这些物理性质包括模态质量、模态刚度、偏转模态振型或模式振型以及阻尼。结构在特定振动模式下的动态响应的数学表示是结构动力学领域的基本等式，并且如以下等式1提供。

2、

3、其中对于模式r：x是位移

4、m是模态质量；

5、f是结构的共振频率；

6、f是结构经历的力；

7、ζr是模式r的阻尼。

8、对于一般整体结构来说，每个偏转模态振型都发生在特定振动频率下。对于整体结构来说，结构的刚度通过一系列振幅(称为弹性范围)与频率线性相关，其中结构被呈现为表现弹性行为并且不会经历损坏。

9、在等式1中，结构的动态响应xr可以在任何特定模式下计算。然而，为了进行准确计算，必须准确地确定阻尼参数ζ以产生准确的响应计算。从历史上看，阻尼参数很难准确测量。传统上，结构需要通过巨大的自然力或人为力进行物理摇动，以提供测量结构如何在各种振幅下耗散能量所需的激励。由于阻尼是随振幅变化的参数，因此很少能实现准确测量。由于准确测量阻尼的难度，设计和施工实践规范通常使用阻尼估计值。这已成为标准的工程设计实践。通常，这些估计值更为保守，以允许结构设计中考虑额外能力。这是有助于嵌入附加安全系数的合理方法，并且几乎普遍用于建筑设计。由于等式1将阻尼示为恒定值，因此传统上使用单值估计值。然而，阻尼是振幅相关参数，并且遵循结构的可预测曲线，该曲线从低振幅水平开始，并基于结构特定参数继续上升到更高水平，从而在低振幅行为已知时提供高振幅的预测器。进行包括许多不同响应振幅的测量导致在每个振幅上进行平均测量，这些测量可以呈现在示出非线性变化的准确的振幅相关阻尼曲线中。模态质量m被呈现为保持恒定。然而，当测量存在交通时桥梁的响应时，模态质量会随着交通交叉而变化。当待分析结构是桥梁时，这提出了挑战。因此，可以准确测量结构的响应以示出非线性行为。实际上，测量低振幅下的响应易于实现。如果仅测量阻尼曲线的低振幅部分，则该阻尼预测器允许能够预测结构的阻尼响应。

10、结构的设计过程以及承保全球范围内的设计规范的实践规范寻求定义结构对由事件(诸如风或地震活动)或力(诸如交通)引起的作用在结构上的力的响应。结构的可允许偏转由建筑/施工规范使用多种不同的可能允许偏转中的一者来规定。有时，这些是根据需求与能力比来指定的，有时是弹性极限的终点，有时是每单位高度的位移(漂移)，或者有时是根据人体舒适度(适用性，以加速度衡量)。通常要考虑设计的适用性和强度要求两者。这两者都有明确的定义。设计过程常规上使用施加的准静态力。对于竖直结构(如建筑物或桥面)，这类似于基本振动模式。

11、设计必须考虑的力由规范或设计者规定，并且通常通过观察施工区域中的事件的历史来定义。对于桥梁，这将由预期的交通负载来规定。对于建筑物，发生的概率由一些位置的规范委员会定义，而在其他位置，该规范允许设计者选择可接受的风险。在任何情况下，事件发生的风险都很容易定义。例如，基于1/600可允许的偏转标准，10层(120英寸/层)建筑物在100mph的风速下可允许横向偏转2英寸。

12、过去100年来，全球工程界一直致力于建造可承受破坏性事件的结构，以确保公共安全并限制财产损失。在接下来100年里，出于相同目的，人们将致力于维护已建造的基础设施。对于已建造的结构，可以通过已知结构对破坏性事件(100mph的风、地震事件等)的响应以及结构的建造材料来评估结构承受建筑物规范设想的破坏性事件的能力。对于桥梁，它们必须能够承受随着人口持续增长而可能增加的预期交通。如所讨论的，该响应可按照等式1的规定进行测量。因此，人们可以考虑测量响应，并将其与规范下的预期响应进行比较，以查看结构是否仍然具有相同的能力来承受预期事件。然而，在极端事件期间进行这些实际测量是不切实际且昂贵的，因此很少进行。然而，实际的测量响应真实地指示结构如何响应作用在其上的力。

13、结构可能会因老化和劣化以及自然和人为影响或事件(例如，施工、爆炸、地震、风、碰撞等)而经历损坏。当前评估建筑物或其他类型结构的状况的方法通常涉及目视检查结构，这本质上是主观的，因为结构的大部分隐藏在视野之外。此外，施工中的标准监控技术并不考虑结构的实际动态响应，即，它们仅评估结构的静态响应。因此，目视检查通常是不完整的且有限的，并且监控技术过时并且提供的信息很少。

14、在结构经历了可能对结构的完整性和安全性产生不利影响的事件之后，评估结构的动态响应非常有用。通常，这种评估仅包括确定结构是否已损坏，以及可能的损坏程度。缺乏一种在结构暴露于该结构被设计和建造以承受的事件时会确定该结构的失效风险的系统和方法。

技术实现思路

1、确定结构在事件发生后是否损坏对于确定受损结构将按照其设计和建造方式继续发挥作用的风险没有任何价值。有价值的是知晓损坏事件之前结构的性能，以及由损坏引起的结构性能的净变化以及其未来损坏可能导致的最低可接受性能。这通过确定结构在暴露于其设计和建造能够承受的事件之后失效的可能性来提供价值。该方法提供了客观系统来跟踪从结构寿命开始到其使用寿命结束的结构性能限制。这在结构被损坏之后尤其如此，因为当前方法无法准确量化与结构性能相关的损坏。本发明不使用常规的事后结构分析方法，该事后结构分析方法仅评估结构的当时状况，即，其是否被损坏以及如果被损坏，则评估损坏程度。对于“损坏程度”问题，常规系统和方法通常不精确，可能依赖于评估者的经验，并且无法根据具体情况量化损坏程度，因为它们没有采用对结构动态性能的客观测量。因此，常规方法和系统是有缺陷和不充分的。相比之下，本发明测量结构的当时状况，并将测量的状况与建造该结构所依据的规格进行比较，以产生量化在某些状况下结构失效风险的风险比。如本文所使用的，术语失效(及其变体)在用于描述结构的动态性能时是指在结构的弹性范围之外的结构动态性能。在这种背景下，结构失效将导致结构的损坏；具体是结构坍塌之前的损坏。因此，在本发明的背景下，结构可能尚未坍塌，但仍被认为已遭受失效。本领域应当理解，结构的弹性范围通常由于某种形式的损坏而随时间变化，并且部分受损结构建立了包含先前损坏的新弹性极限。本领域还应当理解，不期望结构的动态性能经历其弹性范围之外的响应位移，否则这会导致更多损坏。本发明不仅检测结构状况，而且还确定并量化结构失效的可能性，从而提供了创造性步骤。因此，本发明涉及一种利用数学算法来量化结构失效风险的新的且有用的过程。此外，本发明涉及一种与众所周知的、例行的和常规的系统和方法不同的系统和方法，因为没有像本发明那样执行风险量化的系统或方法。另外，本发明涉及结构分析和评估领域中的特别有用的应用和改进。

2、本发明涉及一种用于测量结构(例如，建筑物、桥梁、水坝、任何整体结构)的动态性质并且用于使用测量的动态性质来评估该结构的动态性能的系统和方法。本发明的系统和方法测量结构的动态性质，诸如共振频率、模式振型和非线性阻尼，并将它们用于结构分析以将结构的动态响应与根据适用的建筑物规范要求建造的结构的预期性质进行比较。本发明的实施例包括用于将低振幅数据与高振幅数据分离的机制和方法，其可以特别适用于交通通常提供高振幅能量的桥梁。因此，本发明通过确定将结构的原样状况与结构的设计状况进行比较的风险比来量化结构的失效风险。本发明可以用于进行测量短的持续时间(数分钟或数小时)，或者其可安装在结构上达较长时间(数月或数年)以进行连续监控以便于重复评估。来自本发明的系统和方法的结果可以被格式化并输出为各种类型的报告(例如，状态/警报消息、视觉等)。

3、本发明的实施例涉及用于测量结构的动态性质的系统和方法，其中这些测量的性质可用于评估结构响应于各种事件和环境状况的未来动态性能。在一些实施例中，在测量的结构是桥梁的情况下，如果测量响应中不包括车辆的冲击，则可以更准确地测量动态性质。为了实现这一点，在一些实施例中，可以用非常敏感的传感器来收集数据并用某些适当的算法来处理该数据以从监控系统中的固有噪声中提取动态性质。测量的性质可以与设计和建造结构所依据的规格进行比较，例如建筑物规范或可以包含建筑物规范的结构的特定、详细的设计规格，也称为一个或多个设计状况，以确定并量化结构未来失效的风险。结构被设计和建造为承受某些事件，例如地震、风、占有率/使用负载、冲击、车辆交通等。通常，结构的设计考虑结构可能遇到的事件的类型，以及任何适用事件的可能幅度。然后，该结构被设计为承受任何预期事件、车辆交通或其他负载，并具有附加裕度，该裕度用于定义极限，超过该极限，该结构预计不会维持结构完整性。这在本文中被称为事件极限。因此，如果结构暴露于超过事件极限的事件，则该结构不被期望、也未被设计或建造来承受这样的事件。一旦结构受损，其承受事件极限的能力可能就会受到负面影响。

4、本发明涉及一种用于确定结构的原样状况并将其与设计状况进行比较以确定结构失效的风险作为原样状况与设计状况的比率的方法和系统。根据本发明的实施例，通过从放置在结构的多个位置处的多个传感器收集数据来确定结构的特性(或多个特性)。在一些实施例中，如果需要，所获取的数据可以被分离成高振幅数据集和低振幅数据集。由传感器获取的数据用于确定结构的动态响应，包括确定结构的频谱响应、模式振型和阻尼特性，然后将它们用于确定结构的原样状况。将原样状况与设计状况进行比较以确定结构的风险比。设计状况考虑了暴露于结构设计中指定和考虑的状况的假设结构，并进一步考虑了结构对此类状况的响应。换句话说，设计状况考虑了结构如何响应设计期间预期的状况以及结构设计和施工中考虑的状况。根据本发明的实施例的风险比是使用在各种环境状况(原样状况)的影响下从结构获取的数据，以将结构在当时状况下对此类条件的响应与在结构的设计状况下结构对这些状况的预期响应进行比较来确定的。这些响应之间的差异是对结构的完整性以及结构失效的风险的指示。本发明以创新且新颖的方式基于测量的原样状况和响应以及计算的设计状况和响应来确定结构的风险比，并量化结构的失效风险。因此，本发明能够分析和评估结构并确定该结构的风险比，该风险比提供了对响应于该结构被设计和建造所针对的状况而发生结构失效的可能性的指示。因此，本发明的风险比是相对于现有技术的结构分析方法和系统的新颖且不明显的改进，原因不仅在于其所实现的目标，而且还在于本发明如何处理从该结构收集的数据并使用处理后的数据来确定该结构的风险比。对于具有将影响数据包括增加的质量或力(诸如交通)的一致负载的结构，本发明的实施例提供了一种方式来破译从这些力改变的数据。

5、本发明涉及一种使用从结构获取的原始数据来更准确且有效地评估结构的状况并且重要的是评估结构失效风险的系统和方法。本发明涉及问题的特定的、具体的解决方案，而不是涉及一般问题的解决方案的抽象概念。本发明所涉及的问题是在结构遭受可能影响该结构的完整性的事件之后如何分析该结构的完整性。更具体地，如果该结构此后暴露于其最初设计和建造要承受的状况，则如何分析这种结构完整性以计算并量化结构失效的风险。因此，本发明提供了优于结构分析的常规系统和方法的多个优点。首先，本发明不仅仅确定结构是否已被损坏，而且提供了用于确定结构损坏程度的系统和方法。其次，本发明不仅确定结构的损坏程度，而且还量化结构损坏之后的失效风险。

6、本发明通过创新算法与电气和机电部件的组合来提供该问题的解决方案的特定实施方式。本发明的方法和系统通过计算机硬件与专用软件的组合来执行，该专用软件包括将从结构收集的数据处理成各种形式和输出的一种或多种算法。值得注意的是，本发明通过将原样状况与设计状况进行比较来不同地评估和处理从结构收集的数据，以产生量化结构失效风险的风险比。

7、本发明对于结构评估和连续监控具有广泛的应用。它是对现有技术和各行业标准技术的改进。本发明提供了快速且准确地测量结构的实际动态性质的能力并且产生对结构的客观的、测量的和量化的评估。然后，本发明将结构的动态性质置于设计意图的背景下，并允许与结构的预期目的相关且因此与结构安全相关的准确且客观的评估。本发明还能够标识标识结构弱点或损坏的状况或状况变化。本发明将为工程师、保险公司、房产购买者和其他人提供一种用于获得对结构状况、受损状态、受损风险的更准确和详细的评估并深入了解它将如何响应它被设计和建造要遇到的重大的未来事件的工具。

8、本发明的实施例涉及一种用于量化结构响应于事件而失效的风险的系统，该结构被设计为承受不超过事件极限的事件，该结构具有设计状况。该系统包括：至少一个传感器，该至少一个传感器可放置在该结构的一个位置处并且被配置为检测该结构在该位置处的移动并生成指示该结构在该位置处的移动的输出信号；计算装置，该计算装置具有处理器和存储器并且可连接到该至少一个传感器。该计算装置包括：数据收集模块，该数据收集模块用于接收该输出信号并将该输出信号作为测量数据存储在存储器中；数据处理模块，该数据处理模块被配置为：将该测量数据中的低振幅数据与高振幅数据分离，以允许对该低振幅数据进行处理；将该低振幅数据连接以形成连续的低振幅时程数据以便详细处理；以及根据该连续的低振幅时程数据确定该结构的动态响应，其中确定该动态响应包括确定频谱响应、模式振型和非线性阻尼特性中的一者，该数据处理模块根据该频谱响应、模式振型和非线性阻尼特性中的一者来进一步确定原样状况；以及风险比处理器，该风险比处理器用于通过将该原样状况与该设计状况进行比较来确定该结构的风险比，该风险比量化该结构承受事件极限的失效风险。

9、在本发明的一个实施例中，该数据收集模块存储该连续的低振幅时程数据。

10、在本发明的一个实施例中，该数据处理模块确定对该时程数据应用快速傅里叶变换的频谱响应。

11、本发明的一个实施例还包括选择性地可放置在该结构的多个位置处的多个传感器，该多个传感器中的每一者生成指示该结构在该多个位置中的每一者处的移动的输出信号，其中确定该模式振型包括将该多个传感器中的每一者在第一位置处的输出信号与该多个传感器中的每一者在第二位置处的输出信号进行比较，该第一位置和该第二位置进行竖直和水平分离中的一项。

12、在本发明的一个实施例中，该数据收集模块将该输出信号存储分离为低振幅数据和高振幅数据的时程数据，并且其中该数据处理模块使用经修改以考虑该时程低振幅数据的单一模式的随机递减方法来确定非线性阻尼特性。

13、在本发明的一个实施例中，该系统还包括位于该结构的多个位置处的多个传感器，并且其中该数据处理模块通过确定该多个传感器中的每一者在该多个位置中的每一者处的移动的幅度来确定模式振型。

14、在本发明的一个实施例中，该多个传感器中的一者包括参考传感器，并且该多个传感器中的一者包括出行者传感器，该参考传感器被放置在该结构的第一位置处，并且该出行者传感器被放置在该结构的多个位置处，其中该数据收集模块接收来自该第一位置处的参考传感器的输出信号以及来自该多个位置中的每一者处的出行者传感器的输出信号。

15、在本发明的一个实施例中，将该测量数据中的低振幅数据与高振幅数据分离包括标识该测量数据中反映力和附加质量的影响的部分。

16、在本发明的一个实施例中，将该测量数据中的低振幅数据与高振幅数据分离包括消除该标识部分。

17、在本发明的一个实施例中，该至少一个传感器包括加速度计、地震检波器、应变计、地理定位系统、相机、车辆计数器和位移传感器中的一者。

18、在本发明的一个实施例中，该数据收集模块包括数据记录器。

19、在本发明的一个实施例中，该风险比处理器通过使用下式将该原样状况与该设计状况进行比较来确定该结构的风险比

20、

21、其中frm和frd分别是该结构在该原样状况和该设计状况下经历的位移力，ζrd和ζrm分别是在该原样状况和该设计状况下模式r的阻尼，并且frd和frm分别是在该原样状况和该设计状况下的共振频率。

22、在本发明的一个实施例中，该数据处理模块使用下式来进一步确定该原样状况下的每单位力的位移

23、

24、其中xrm是该结构经历的位移，是该结构经历的位移力，ζrm是模式r的阻尼，frm是该共振频率，并且m是该结构的模态质量。

25、在本发明的一个实施例中，该数据处理模块使用下式来进一步确定该设计状况下的每单位力的位移

26、

27、其中xrd是该结构经历的位移，frd是该结构经历的位移力，ζrd是模式r的阻尼，frd是该共振频率，并且m是该结构的模态质量。

28、本发明的另一个实施例涉及一种用于量化结构响应于事件而失效的风险的方法，该结构被设计为承受不超过事件极限的事件，该结构具有设计状况，该方法由包括以下各项的系统来执行：至少一个传感器，该至少一个传感器可放置在该结构的一个位置处并且被配置为检测该结构在该位置处的移动并生成指示该结构在该位置处的移动的输出信号；以及计算装置，该计算装置具有处理器和存储器并且可连接到该至少一个传感器。该计算装置具有存储在存储器中的指令程序，该指令程序在被执行时使该处理器：接收该输出信号并将该输出信号作为测量数据存储在存储器中；将该测量数据中的低振幅数据与高振幅数据分离，以允许对该低振幅数据进行处理；将该低振幅数据连接成连续的低振幅时程数据以便详细处理；将该低振幅数据连接以形成连续的低振幅时程数据以便详细处理；根据可以被分离为高振幅数据和低振幅数据的测量数据来确定该结构的动态响应，其中利用该低振幅数据确定该动态响应包括确定频谱响应、模式振型和非线性阻尼特性中的一者，该数据处理模块根据该频谱响应、模式振型和非线性阻尼特性中的一者来进一步确定原样状况；以及通过将该原样状况与该设计状况进行比较来确定该结构的风险比，该风险比量化该结构承受事件极限的失效风险。

29、在本发明的一个实施例中，该输出信号包括时程数据，并且其中确定频谱响应还包括对该时程数据应用快速傅里叶变换。

30、在本发明的一个实施例中，该系统还包括选择性地可放置在该结构的多个位置处的多个传感器，该多个传感器中的每一者生成指示该结构在该多个位置中的每一者处的移动的输出信号，其中确定该模式振型包括将该多个传感器中的每一者在第一位置处的输出信号与该多个传感器中的每一者在第二位置处的输出信号进行比较，该第一位置和该第二位置进行竖直和水平分离中的一项。它还将包括相机、车辆传感器或其他硬件装置，以确定何时施加力，包括车辆在桥梁上，以将低振幅振动与高振幅振动分离。

31、在本发明的一个实施例中，该输出信号包括分离为低振幅数据和高振幅数据的时程数据，并且其中确定非线性阻尼特性包括使用经修改以考虑该时程低振幅数据的单一模式的随机递减方法。

32、在本发明的一个实施例中，该系统还包括位于该结构的多个位置处的多个传感器，并且其中确定模式振型包括确定该多个传感器中的每一者在该多个位置中的每一者处的移动的幅度。

33、在本发明的一个实施例中，将该测量数据中的低振幅数据与高振幅数据分离包括标识该测量数据中反映力和附加质量的影响的部分。

34、在本发明的一个实施例中，将该测量数据中的低振幅数据与高振幅数据分离包括消除该标识部分。

35、在本发明的一个实施例中，确定风险比包括使用下式将该原样状况与该设计状况进行比较

36、

37、其中frm和frd分别是该结构在该原样状况和该设计状况下经历的位移力，ζrd和ζrm分别是在该原样状况和该设计状况下模式r的阻尼，并且frd和frm分别是在该原样状况和该设计状况下的共振频率。

38、本发明的一个实施例还包括使用下式确定该原样状况下每单位力的位移的步骤

39、

40、其中xrm是该结构经历的位移，frm是该结构经历的位移力，ζrm是模式r的阻尼，frm是该共振频率，并且m是该结构的模态质量。

41、本发明的一个实施例还包括使用下式确定该设计状况下每单位力的位移的步骤

42、

43、其中xrd是该结构经历的位移，frd是该结构经历的位移力，ζrd是模式r的阻尼，frd是该共振频率，并且m是该结构的模态质量。