[发明专利]基于分布式应变测量技术的闭环桥梁结构损伤诊断方法

说明书

本发明属于实际运营中的桥梁结构损伤诊断领域，具体涉及一种基于分布式应变测量技术的闭环桥梁结构损伤诊断方法，属于实际桥梁结构运营期间损伤诊断领域。本发明引入主动激励，选取合适的闭环极点，利用奇异值分解方法计算反馈增益，构建闭环系统，并采用具有高损伤灵敏度的闭环系统特征值构建损伤指标，实现损伤诊断。本发明可以有效提升损伤诊断中损伤指标对结构小损伤的灵敏度，适用于解决实际运营的桥梁结构损伤诊断问题。

技术领域

本发明属于实际运营中的桥梁结构损伤诊断领域，具体涉及一种基于分布式应变测量技术的闭环桥梁结构损伤诊断方法。

背景技术

为保障桥梁结构的正常运营，防止结构损伤乃至破坏造成的严重后果，需要利用有效的技术手段对桥梁结构状态进行准确地评估，及时诊断出运营期间出现的结构损伤。当桥梁结构发生损伤时，其动态特性、静态特性等特征参数将发生变化，而损伤诊断的本质即通过分析结构响应识别其变化，并进一步通过对比分析对结构损伤进行定位以及程度辨识。随着先进测量技术以及仪器的出现，损伤诊断技术也得到了发展，包括传感器、数据采集软件、数据传输方式的改进在一定程度上提高了损伤诊断结果的可信度。

然而，受损伤识别手段所限，现有应用于实际桥梁工程的损伤诊断技术均属于开环诊断技术，即仅仅利用环境激励下的结构响应提取损伤诊断特征，进而识别桥梁结构的潜在损伤，这种诊断技术已经进入研究发展的瓶颈阶段。一方面，通过开环技术取得的高可信度监测数据(如低阶结构频率)往往对损伤不太敏感，导致诊断精度不高；另一方面，结构受环境激励以及噪声的耦合作用，结构损伤引起的这特征参数变化容易淹没其中，诊断结果易受干扰。如果通过一些技术手段提高损伤指标对结构损伤的敏感程度，无疑可以大幅提高损伤诊断的成功率，同时可能使损伤诊断方法的抗噪水平得到提升。

目前，基于闭环技术的损伤诊断算法仍处于起步阶段，现有研究大多利用测点位移作为结构输出响应，这种方法的测点数量太少，导致采集得到的结构响应信息不够完备。因此，在现有闭环监测技术的基础上，提出利用分布式应变测量技术，大幅提高监测测点的空间分辨率，有助于提高闭环系统输出信息的完备性，使得闭环系统的稳定性要求更易满足。

发明内容

为解决现有开环损伤诊断技术对结构损伤灵敏度较低的问题，现提出基于分布式应变测量技术的闭环桥梁结构损伤诊断方法。

基于分布式应变测量技术的闭环桥梁结构损伤诊断方法，该方法包含以下步骤：

步骤一：针对所研究的桥梁结构，建立健康状态下的有限元模型，提取其初始刚度矩阵以及初始质量矩阵，同时对桥梁结构施加某一确定的非反馈激励，采集振动信号，并根据响应对结构进行模型修正，得到修正刚度矩阵及修正质量矩阵；

步骤二：利用步骤一中得到的结构修正刚度矩阵及修正质量矩阵，使用闭环技术构建闭环系统，结合可观测性及输出能控性要求，求解得到反馈激励及测点合适的数量及位置；

步骤三：根据步骤二中得到的反馈激励及测点的数量及位置，结合闭环特征值损伤灵敏度计算方法以及闭环系统稳定性判别理论，选取合适的闭环极点；

步骤四：针对步骤三中得到的闭环极点，采用奇异值分解的方法实现极点配置，计算得到反馈增益；

步骤五：利用分布式布里渊光纤传感技术采集具备高空间分辨率的结构关键点应变值，并通过虚拟共轭梁法得到对应测点位移及速度，结合步骤四得到的反馈增益计算得到反馈激励，利用反馈激励以及非反馈激励对结构进行加载，完成基于闭环技术的加载，采集加载后的结构响应；

步骤六：根据步骤五中加载后采集得到的结构响应，计算闭环位移频响函数，并从中提取闭环特征值构建桥梁结构损伤判别因子，将健康状态以及待诊断状态下的损伤判别因子进行比较，判定结构是否出现损伤。