一种混凝土桥梁周期性循环变形特征耦合监测方法与流程

本发明涉及桥梁结构健康监测，尤其涉及一种混凝土桥梁周期性循环变形特征耦合监测方法。

背景技术：

1、混凝土桥梁在服役期间长期承受自然环境温度场与车辆荷载的共同作用，主梁、墩身、支座等构件会随昼夜和四季的温度升降产生周期性的伸长与收缩，同时伴随下挠与回弹的往复变形。支撑混凝土桥梁周期性循环变形的物理场包括环境温度场、构件应变场和结构位移场三类，其中环境温度场是驱动结构变形的本源，具备稳定的日循环周期，构件应变场反映构件内部伸缩应力的变化，结构位移场体现梁体整体下挠以及支座伸缩的宏观形变。在结构完全健康的状态下，温度、应变、位移三种物理量的变化波形具备高度一致性，峰值、谷值和升降拐点一一对应，波形之间不存在明显的时间偏移，这种同步状态被称为相位同步。

2、现有混凝土桥梁损伤监测通常以应变或位移的幅值绝对值作为唯一判断标准，当结构变形幅值超过预设阈值时判定构件存在损伤。然而，当混凝土桥梁内部出现微裂纹、混凝土脱空、钢筋锈蚀、支座老化等早期隐性损伤时，构件局部刚度、界面传力能力和接触面摩擦阻力仅发生细微改变，这种改变不会立刻造成应变和位移整体幅值大幅超标，传统幅值阈值监测方法难以在损伤萌芽阶段识别此类隐性损伤，往往只能发现发展中后期的重度病害，存在明显的监测滞后性。同时，传统单参量监测方法未充分利用温度、应变和位移多场数据之间的时序耦合关系，难以区分环境扰动与真实结构损伤，误报率较高。

3、因此，如何在形变幅值未发生明显变化的损伤萌芽阶段，利用混凝土桥梁周期性循环变形特征提前识别早期隐性损伤，并实现损伤的精准定位与分级预警，是当前混凝土桥梁结构健康监测领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种混凝土桥梁周期性循环变形特征耦合监测方法，目的在于解决现有监测方法仅依赖幅值阈值、难以在损伤萌芽阶段识别早期隐性损伤并实现损伤定位的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、一种混凝土桥梁周期性循环变形特征耦合监测方法，包括以下步骤：

4、步骤1，在混凝土桥梁上同步采集环境温度时序数据、主梁应变时序数据和结构位移时序数据，将环境温度时序数据、主梁应变时序数据和结构位移时序数据统一至同一时间基准，得到时间戳对齐的3路同步时序数据；

5、步骤2，对3路同步时序数据分别执行去均值处理，剔除3路同步时序数据中的静态均值分量，分离出温度周期波动分量、应变周期波动分量和位移周期波动分量；

6、步骤3，以温度周期波动分量为基准参考信号，分别计算应变周期波动分量相对温度周期波动分量的应变相位差，以及位移周期波动分量相对温度周期波动分量的位移相位差；

7、步骤4，将应变相位差和位移相位差分别与混凝土桥梁健康状态下的健康基准相位差进行比较，当应变相位差或位移相位差相对健康基准相位差的偏移量超过预设相位偏移阈值时，判定混凝土桥梁存在早期损伤。

8、可选的，步骤1中，在混凝土桥梁的主梁监测截面上布设fbg温度传感器和fbg应变传感器，在主梁的跨中位置和支座位置布设机器视觉位移监测设备；fbg温度传感器、fbg应变传感器和机器视觉位移监测设备共用同一网关执行ptp精准授时，并以统一采样频率同步采集；各传感设备滚动缓存一个完整日循环周期的完整时序数据，将完整时序数据作为一组独立计算单元；对时间戳偏差超过预设时间戳偏差阈值的时序数据执行剔除处理，并采用邻域插值补齐当日完整时序数据；其中，采样间隔根据混凝土桥梁类型设定，采样间隔不超过预设采样间隔上限。

9、可选的，步骤2中，执行去均值处理前，先对3路同步时序数据执行粗大冲击值剔除，采用3σ准则，当数据值偏离滑动窗口均值的程度超过3倍滑动窗口标准差时，剔除对应数据并采用邻域插值补齐；对剔除后的时序数据执行一阶巴特沃斯低通滤波，滤波截止频率对应的时间周期设定为预设滤波截止周期，滤除车辆通行产生的高频振动信号，保留昼夜温度驱动的长周期循环变形数据；对滤波后的时序数据执行去均值处理，以完整日循环周期的时序均值作为静态均值分量，从滤波后的时序数据中减去静态均值分量，分离出温度周期波动分量、应变周期波动分量和位移周期波动分量。

10、可选的，步骤3中，采用互相关算法计算应变周期波动分量相对温度周期波动分量的波形时间偏移，以及位移周期波动分量相对温度周期波动分量的波形时间偏移，将波形时间偏移换算为角度单位的相位差；执行波形相似度校验，统计健康基线建模阶段全监测截面完好波形相关系数均值，以相关系数均值与预设修正值的差值作为实时判别自适应阈值；当实时相关系数峰值不小于实时判别自适应阈值时，以互相关算法计算的相位差为主、以极值点匹配算法计算的相位差为辅执行加权融合，作为监测截面的最终相位差；当实时相关系数峰值小于实时判别自适应阈值时，以极值点匹配算法计算的相位差为主、以互相关算法计算的相位差为辅执行加权融合，作为监测截面的最终相位差；极值点匹配算法分别提取温度时序峰值对应时间戳和应变时序峰值对应时间戳，计算两者时间差值并换算为相位差。

11、可选的，步骤3之后还包括滞回不对称系数计算步骤：将每日时序数据按照温度变化划分为升温段和降温段，升温段为当日温度从日最低温度上升至日最高温度的区间，降温段为当日温度从日最高温度回落至日最低温度的区间；在升温段内，以日最低温度为积分下限、以日最高温度为积分上限，对应变周期波动分量沿温度变化路径执行第一积分，在降温段内，以日最低温度为积分下限、以日最高温度为积分上限，对应变周期波动分量沿温度变化路径执行第二积分，以第一积分与第二积分绝对值的比值作为应变滞回不对称系数，应变滞回不对称系数按照以下公式计算：

12、

13、其中，为第个监测截面的应变滞回不对称系数，的上标升温、降温分别表示升温段内、降温段内沿温度变化路径取值的应变周期波动分量，为温度周期波动分量，为日最低温度，为日最高温度；按相同方式对位移周期波动分量执行升温段积分和降温段积分，以升温段位移积分与降温段位移积分绝对值的比值作为位移滞回不对称系数；取应变滞回不对称系数和位移滞回不对称系数中偏离数值1程度较大的一个作为综合滞回系数。

14、可选的，步骤3之后还包括纵向相位梯度计算步骤：基线建模阶段，计算单个监测截面的相位差相对全梁所有监测截面健康基准相位差平均值的基线相位偏差；实时监测阶段，计算单个监测截面的实时相位差相对当日全梁监测截面实时相位差平均值的实时相位偏差；将实时相位偏差减去基线相位偏差，得到剔除混凝土养护差异、配筋差异和纵向温度梯度带来的固定系统偏差后的增量相位偏差；沿主梁纵向将相邻监测截面的增量相位偏差执行差分运算，并除以相邻监测截面的间距，得到纵向相位梯度，纵向相位梯度按照以下公式计算：

15、

16、其中，为主梁纵向第个监测截面处的纵向相位梯度，为第+1个监测截面的增量相位偏差，为第个监测截面的增量相位偏差，为主梁纵向相邻监测截面的间距；纵向相位梯度数值突变的监测截面区间为损伤所在位置。

17、可选的，步骤3之后还包括支座老化专项判别步骤：计算跨中截面的应变相对温度的跨中应变相位差，以及支座测点的位移相对温度的支座位移相位差，以跨中应变相位差与支座位移相位差的差值的绝对值作为跨内应变-位移相位差偏移指标，跨内应变-位移相位差偏移指标按照以下公式计算：

18、

19、其中，为跨内应变-位移相位差偏移指标，为跨中截面的应变相对温度的跨中应变相位差，为支座测点的位移相对温度的支座位移相位差；将跨内应变-位移相位差偏移指标与健康状态下的基准偏移指标进行比较，当跨内应变-位移相位差偏移指标持续偏离基准偏移指标时，判定支座存在老化病害。

20、可选的，健康基准相位差按照以下方式建立：混凝土桥梁新建完成或大修完成后，在结构完好阶段连续采集预设时长的稳定工况数据，对稳定工况数据执行步骤1至步骤3的处理，统计全监测截面的健康基准相位差、健康基准滞回系数和健康基准纵向相位梯度，存入混凝土桥梁专属数据库；基线建模完成后，统计全监测截面相位差和滞回不对称系数的离散度，当离散度超出预设离散度阈值时，判定建模采集工况异常，重新执行基线数据采集；每年运营淡季平稳工况下，自动复核并校正健康基准相位差、健康基准滞回系数和健康基准纵向相位梯度。

21、可选的，步骤4中，预设相位偏移阈值按照以下方式确定：以健康基准相位差与放大系数的乘积作为相位偏移门槛，放大系数根据混凝土桥梁结构类型选定；当应变相位差或位移相位差相对健康基准相位差的偏移量小于相位偏移门槛时，判定相位同步且无早期损伤；当偏移量不小于相位偏移门槛时，执行三层递进式异步真伪判别：第一层判别，将偏移量与相位偏移门槛比较；第二层判别，将滞回不对称系数相对健康基准滞回系数的偏移量与预设滞回偏移门槛比较，滞回不对称系数为升温段内应变周期波动分量沿温度变化路径自日最低温度至日最高温度的积分与降温段内应变周期波动分量沿温度变化路径自日最低温度至日最高温度的积分绝对值的比值，当偏移量小于预设滞回偏移门槛的预设比例时，判定为临时环境扰动且不触发预警，当偏移量不小于预设滞回偏移门槛时，判定为结构性相位异步；第三层判别，根据纵向相位梯度数值突变的监测截面区间锁定损伤区域，纵向相位梯度为沿主梁纵向相邻监测截面的增量相位偏差的差分值与相邻监测截面间距的比值。

22、可选的，步骤4中，以偏移量相对健康基准相位差的倍数作为核心分级依据，同步耦合滞回不对称系数、纵向相位梯度和指标持续时长执行分级预警：当偏移量小于预设第一倍数阈值，滞回不对称系数相对健康基准滞回系数的偏移量处于环境扰动与结构损伤过渡区间，纵向相位梯度无明显突变，且指标异常连续稳定存在预设第一持续时长时，输出一级预警；当偏移量不小于预设第一倍数阈值且小于预设第二倍数阈值，滞回不对称系数相对健康基准滞回系数的偏移量不小于预设滞回偏移值，纵向相位梯度增量超过健康基准纵向相位梯度的预设梯度增量倍数，且指标异常连续稳定存在预设第二持续时长时，输出二级预警；当偏移量不小于预设第二倍数阈值，应变幅值或位移幅值超过预设幅值安全限值，纵向相位梯度增量超过健康基准纵向相位梯度的预设重度梯度增量倍数，且指标异常连续稳定存在预设第二持续时长时，输出三级预警。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

24、本发明提供的一种混凝土桥梁周期性循环变形特征耦合监测方法，以温度周期波动分量为基准参考信号，通过应变相位差和位移相位差相对健康基准相位差的偏移量判断混凝土桥梁是否存在早期损伤，将多场耦合同步性与滞回相位偏差作为损伤判据，突破传统幅值阈值监测范式。当混凝土桥梁出现微裂纹、混凝土脱空、钢筋锈蚀、支座老化等早期隐性损伤时，构件局部刚度、界面传力能力和接触面摩擦阻力发生细微改变，应变和位移的波形相对温度基准波形出现滞后，相位差偏移量增大，本方法能够在形变幅值未发生明显变化时识别上述早期隐性损伤，克服传统监测手段仅能识别发展后期重度病害、监测滞后的缺陷。

25、进一步地，本方法通过滞回不对称系数区分环境扰动与真实结构损伤，利用升温段与降温段变形路径的对称性差异排除大风、短时骤冷等临时环境扰动造成的误判；通过纵向相位梯度实现损伤空间定位，沿主梁纵向相邻监测截面相位差出现突变的区间即为损伤所在位置；通过跨内应变-位移相位差偏移指标实现支座老化病害与梁体裂缝病害的分类识别；通过建立健康基准相位差并将判别门槛设置为相对阈值，使判别门槛随桥梁结构类型自适应，避免统一固定阈值在不同桥型、不同跨径下的误判；通过三层递进式判别和分级预警，实现损伤程度的量化分级，分别对应预防性养护、专项现场检测和交通管控加固等差异化处置措施，提高了混凝土桥梁早期隐性损伤的识别能力、定位精度和预警有效性。