基于应力幅和高周疲劳损伤累积的桥梁结构健康监测系统

本发明涉及桥梁健康监测，具体为基于应力幅和高周疲劳损伤累积的桥梁结构健康监测系统。

背景技术：

1、桥梁结构的健康监测系统经历了从简单的应力测量到复杂的多参数监测的发展过程，传统的监测系统主要依赖于应变片、加速度计等传感器的安装，来获取桥梁结构的应力、振动等物理量的变化，然而，这些系统大多仅限于单一参数的监测，难以有效评估桥梁结构的综合健康状态，尤其是对于焊接构件的疲劳损伤积累，现有技术在早期预测和预防方面仍然存在较大局限性。

2、现有技术中的，公开号为cn102589993b，名称为一种公路钢桥面板焊缝疲劳损伤全场监控方法，该方法包括如下步骤：步骤1：钢桥面板纵肋应变传感器的设置；在钢桥面板跨中截面每个车道的车轮荷载作用位置处设置纵肋顺桥向应变传感器，用以监测车辆通过时引起的纵肋顺桥向应变；步骤2：钢桥面板纵肋应变监测数据的处理：以1天为计算区间，对纵肋应变传感器获取的应变数据进行处理，采用雨流计数法计算纵肋顺桥向应变的应力幅及其循环次数；步骤3：计算实际运营车辆的车轮荷载谱：步骤4：钢桥面板焊缝疲劳损伤的全场监控；通过在公路钢桥面板的纵肋上布设少量应变传感器就可以实现对钢桥面板不同截面、不同类型焊缝的疲劳损伤监测和评估。

3、现有的桥梁结构健康监测技术虽然在识别桥梁应力集中区域、监测裂缝扩展等方面取得了一定进展，但其在精确评估焊接构件的高周疲劳损伤累积方面仍然不足；传统方法主要依赖有限元仿真与历史监测数据的比对，缺乏实时、动态的损伤累积监测手段，没有利用监测的原始数据来分析桥梁的健康状态，也不具备损伤检测分析、疲劳寿命评估；

4、此外，现有技术通常忽略了焊接构件在高应力幅值下的复杂应力变化特性，以及焊趾形态对疲劳裂纹扩展的影响，桥梁上焊接结构的焊趾位置较多，若针对每个焊趾位置安装应力采集设备，在检测成本以及后期数据处理上存在较大压力，如何设置焊趾位置的筛选机制，只需在桥梁结构最容易发生疲劳破坏的位置安装应变采集设备，并基于筛选后的焊趾位置进行后续的应力监测，并针对焊接结构进行宏观损伤程度预测，实现对桥梁焊接结构的疲劳损伤累积、健康状态进行评估，是当下需要改进的方向。

5、在上述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于应力幅和高周疲劳损伤累积的桥梁结构健康监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于应力幅和高周疲劳损伤累积的桥梁结构健康监测系统，具体包括：

3、标记模块：用于对桥梁结构中所有焊接构件进行标记，形成编号集{1,2，…，n}，设定i∈{1,2，…，n}表示第i个焊接构件的编号索引，n为焊接构件的总个数，获取桥梁结构设计阶段针对每个焊接构件的载荷分析与有限元仿真数据，得到每个焊接构件对应的载荷响应数据，并基于载荷响应数据确定每个焊接构件上应力变化最显著的焊趾位置，且焊趾位置包括相对设置的焊趾；

4、焊趾形态评价指数生成模块：用于在每个确定的焊趾位置上采集焊趾形态特征数据，对焊趾形态特征数据进行分析处理，得到焊趾形态评价指数，焊趾形态评价指数用于确定每个焊趾上涂布的导电涂条数量；

5、导电涂条设置模块：用于在确定的焊趾表面与母材交界处沿焊缝方向以点断方式涂布有至少两个导电涂条，并确保导电涂条能够随焊趾与母材交界处的应力变化而发生形变；

6、基准数据设置模块：用于建立导电涂条的基线电阻值，在未受力状态下测量导电涂条的电阻值，并将该电阻值记录为基准数据；

7、比对分析模块：用于设定当前桥梁每进行m次监测为一个调整周期，监测每处焊趾上导电涂条在不同受力条件下的电阻值变化数据，并根据电阻值变化数据，分析焊趾表面与母材交界处的相对运动方向；

8、电阻变化程度结果生成模块：用于在对每个焊接构件上焊趾对应的导电涂条进行电阻测量时，设定每个焊接构件上导电涂条对应的电阻警戒阈值，计算每个焊接构件上导电涂条在当前调整周期内的平均测量电阻，并将平均测量电阻与相应的电阻警戒阈值进行比对分析，得到电阻变化程度结果；

9、筛选模块：用于将每个焊接构件的电阻变化程度结果与相对运动方向分析结果相结合，以评估每个焊接结构的健康状态，健康状态包括但不限于裂纹扩展风险和疲劳损伤程度，根据健康状态评估结果，对编号集{1,2，…，n}中所有焊接构件进行筛选，得到筛选集；

10、应力幅值生成模块：用于在筛选集中每个焊接构件确定的焊趾位置粘贴应变计，得到焊趾位置的应力分布数据，并对应力分布数据进行分析处理，得到频域内统计的标准样本，对标准样本进行预处理后，使用雨流计数法得到应力幅谱；

11、宏观损伤程度预测模块：用于测量筛选集中焊接构件的固有频率，并记录相应的应变数据，利用固有频率与弹性模量之间的关系，分析固有频率的变化趋势，将测得的固有频率与未损伤状态下的固有频率进行比较，计算宏观损伤程度预测值；

12、循环模块：用于在每个调整周期内，重新执行从应力幅值生成模块到宏观损伤程度预测模块的循环，以持续监控和评估焊接结构的健康状态。

13、进一步的，载荷分析数据包括在静载、动载、风载工况下，焊接构件所受的力学响应数据，将载荷分析数据输入有限元仿真模型，模拟桥梁结构在实际工况下的力学行为，得到每个焊接构件的载荷响应数据；

14、基于载荷响应数据，确定每个焊接构件上应力变化最显著的焊趾位置；

15、对焊接构件进行应力集中区域的筛选，选择应力幅值最大的焊趾位置作为标记位置。

16、进一步的，对于所述焊趾形态评价指数，焊趾形态评价指数用于确定每个焊趾上涂布的导电涂条数量，具体包括：

17、焊趾形态特征数据包括焊趾的焊缝宽度、焊缝高度、焊缝角度、焊缝表面粗糙度，将焊缝宽度、焊缝高度、焊缝角度依次标记为w、h、θ；

18、定义焊缝宽度为焊趾两侧边缘之间的距离；

19、定义焊缝高度为焊缝表面最高点与焊趾最低点之间的垂直距离；

20、定义焊缝角度为焊缝与母材表面之间的夹角；

21、定义第i个焊接构件确定焊趾的焊趾形态评价指数为wtii，计算公式如下：

22、

23、其中，wi、hi、θi分别为第i个焊接构件确定焊趾的焊缝宽度、焊缝高度、焊缝角度；

24、wref、href、θref分别为标准参考值；α1、α2、α3为各特征参数的正权重系数；

25、wtii值越高，表明当前焊趾形态越复杂，存在的应力集中效应越强，需要涂布更多的导电涂条；

26、定义第i个焊接构件确定焊趾的导电涂条数量为ni，并建立wtii与导电涂条数量ni的映射关系，ni计算公式如下：

27、

28、其中，β1、β2为映射关系的线性系数，且为向上取整数的含义，ni≥2。

29、进一步的，所述确保导电涂条能够随焊趾与母材交界处的应力变化而发生形变，具体包括：

30、焊趾与母材交界处表面处理，对焊趾与母材交界处的表面进行处理，以确保导电涂条能够牢固附着且与母材形成良好的绝缘接触；

31、导电材料选择银浆导电涂料；

32、导电涂条涂布；

33、在导电涂条外侧进行绝缘层设置；

34、电阻测量点的设置，在导电涂条的首尾端预留用于电阻测量的测量点。

35、进一步的，所述建立导电涂条的基线电阻值，在未受力状态下测量导电涂条的电阻值，并将该电阻值记录为基准数据，以及分析焊趾表面与母材交界处的相对运动方向，具体包括：

36、在未施加外部应力的条件下，对第i个焊接构件对应焊趾位置执行ni个导电涂条的电阻测量，并对ni个电阻测量值取平均，得到第i个焊接构件对应焊趾位置上导电涂条的基准电阻值rbaseline,i；

37、在桥梁施加外部应力的条件下，对第i个焊接构件对应焊趾位置执行ni个导电涂条的电阻测量，并对ni个电阻测量值取平均，得到第i个焊接构件中相对设置的焊趾上导电涂条的测量电阻值rcl,i和r′cl,i；

38、并计算测量电阻值与基准电阻值rbaseline,i的改变量，得到以下电阻变化量计算公式：

39、

40、其中，δri与δr′i为第i个焊接构件中相对设置的焊趾上导电涂条的电阻变化量，rcl,i和r′cl,i为第i个焊接构件中相对设置的焊趾上导电涂条的测量电阻值；

41、对采集到的电阻值数据采用移动平均法来平滑数据，以消除噪声和异常值；根据电阻变化量δri与δr′i的正负情况判断相对设置的焊趾运动方向：

42、若δri小于0，则δri侧的焊趾上导电涂条电阻减小，表明δri侧的焊趾处受到挤压；

43、若δr′i小于0，则δr′i侧的焊趾上导电涂条电阻减小，表明δr′i侧的焊趾处受到挤压；

44、若δri大于0，则对应侧的焊趾上导电涂条电阻增大，表明δri侧的焊趾处受到拉伸；

45、若δr′i大于0，则对应侧的焊趾上导电涂条电阻增大，表明δr′i侧的焊趾处受到拉伸。

46、进一步的，将平均测量电阻与相应的电阻警戒阈值进行比对分析，得到电阻变化程度结果，以及根据健康状态评估结果，对编号集{1,2，…，n}中所有焊接构件进行筛选，得到筛选集，具体包括：

47、定义调整周期次数m的集合为{1,2，…，m}，且j∈{1,2，…，m}表示第j次监测的编号索引，计算第i个焊接构件上导电涂条在当前调整周期内的平均测量电阻，计算公式如下：

48、

49、其中，为第i个焊接构件上rcl,i侧导电涂条在当前调整周期内的平均测量电阻；

50、为第i个焊接构件上r′cl,i侧导电涂条在当前调整周期内的平均测量电阻；

51、并在和中选取最大值作为第i个焊接构件中焊趾位置上导电涂条的平均测量电阻；

52、确定第i个焊接构件对应的电阻警戒阈值为rmax,i；

53、若第i个焊接构件中焊趾位置上导电涂条的平均测量电阻大于电阻警戒阈值rmax,i的幅度在1％到5％之间，则电阻变化程度被评估为轻微异常，表示存在早期疲劳损伤风险，在筛选集数量低于m次监测的一半时，将此类构件纳入筛选集；

54、若第i个焊接构件中焊趾位置上导电涂条的平均测量电阻大于电阻警戒阈值rmax,i的幅度在5％到15％之间时，则电阻变化程度被评估为中度异常，表明有中度疲劳损伤风险，将该构件纳入筛选集，但优先级低于严重异常构件；

55、若第i个焊接构件中焊趾位置上导电涂条的平均测量电阻大于电阻警戒阈值rmax,i的幅度超过15％，则电阻变化程度被评估为严重异常，将该构件直接纳入筛选集；

56、定义筛选集为{s1,s2，…，sk}，其中，sk为筛选集中焊接构件总数，且sr∈{s1,s2，…，sk}表示第sr个筛选焊接构件的编号索引，筛选集中焊接构件根据电阻变化程度的异常程度进行优先级排序，严重异常的构件排序优先，中度异常的次之，轻微异常的构件最次；

57、根据上述电阻变化程度的结果，第i个焊接构件的健康状态如下：

58、对于轻微异常，健康状态评估结果为“疲劳损伤早期迹象”，将调整周期中的m次监测调整为m+5；

59、对于中度异常：健康状态评估结果为“疲劳损伤中期”，此时需要采取中期维修措施，将调整周期中的m次监测调整为m+8；

60、对于严重异常：健康状态评估结果为“裂纹扩展风险”，立即停止使用该部分结构，并进行彻底检查和维修，将调整周期中的m次监测调整为m+15；

61、若第i个焊接构件中焊趾位置上导电涂条的平均测量电阻与电阻警戒阈值rmax,i差值幅度在0.1％到1％之间时，则电阻变化程度被评估为临近警戒；

62、若第i个焊接构件中焊趾位置上导电涂条的平均测量电阻与电阻警戒阈值rmax,i差值幅度大于1％，则电阻变化程度被评估为正常，无显著疲劳损伤迹象；

63、根据上述电阻变化程度的结果，第i个焊接构件的健康状态如下：

64、对于“临近警戒”，健康状态评估结果为“轻度疲劳”，将调整周期中的m次监测调整为m+3；

65、对于“正常”，健康状态评估结果为“健康良好”，保持现有监测周期即可，无需特殊措施。

66、进一步的，对应力分布数据进行分析处理，得到频域内统计的标准样本，对标准样本进行预处理后，使用雨流计数法得到应力幅谱，具体包括：

67、获取频域数据的循环应力幅值序列；

68、将应力序列按大小排序，识别出上下峰值，记录每一个循环的应力幅值及其出现次数；

69、整理雨流计数结果，生成应力幅谱；

70、对焊接构件施加激励信号；

71、同步记录筛选集中第sr个焊接构件的应变数据和振动响应信号，应变数据通过预先计算的应力幅谱获取；

72、对记录到的振动信号进行傅里叶变换，提取焊接构件的固有频率，并定义筛选的第sr个焊接构件固有频率为

73、设定应变随时间变化的函数为ò′(t)，应变数据会随时间变化，记录为时间序列数据；

74、在得到固有频率和应变数据后，利用固有频率与弹性模量的关系，分析焊接构件的宏观损伤情况，固有频率与弹性模量e′之间的关系通过下列公式描述：

75、

76、其中，为第sr个焊接构件的第n′阶固有频率，为第sr个焊接构件中与几何形状和边界条件相关的常数，e′为材料的弹性模量，ρ为材料的密度；

77、将第sr个焊接构件测得的当前固有频率标记为将未损伤状态下的固有频率标记为

78、定义宏观损伤程度为计算公式表示为：

79、

80、其中，为损伤程度，设定值域为(0,1]，越趋近1，表明损伤越严重，η为正常数，用于避免为0的情况。

81、进一步的，所述计算宏观损伤程度预测值，具体包括：

82、设定调整周期的花费时间为t，得到t∈[0,t]，并计算总的应变累积值òt′otal，通过以下积分应变函数得到：

83、

84、根据疲劳损伤理论，对每个采样时刻的应变幅值进行评估，并将其引入到损伤模型中，使用材料的s-n曲线模型来描述疲劳损伤，s-n曲线的表达式为：

85、

86、其中，nm是材料在最大应力下的疲劳寿命；c和m′是材料的常数；

87、是第sr个焊接构件的最大应力，与最大应变ò′max成正比；

88、将应变幅值引入到损伤模型中，基于雨流计数法，通过循环计数来得到疲劳损伤的累积量，定义应变循环的循环次数集合为{1,2，…，h，…，h}，其中，h表示第h个循环，h表示循环总数；

89、累积总损伤通过线性累积得到，计算公式如下：

90、

91、在这个公式中，dtotal是累积总损伤，pl是材料的疲劳指数，ò′max是材料的允许最大应变，ò′h是每个循环的应变幅值；

92、将通过固有频率变化得到的损伤与基于应变数据修正后的累积损伤dtotal结合，得到校准后的损伤预测模型：

93、

94、其中，是第sr个焊接构件的预测损伤值；u1是权重系数，表征固有频率变化和应变累积损伤的相对影响，u1取值范围在(0,1)；

95、当越趋近于1，表示第sr个焊接构件的损伤预测越严重，越趋近于0，表示第sr个焊接构件的损伤预测越轻微；

96、设定的判断阈值为q1，0.38≤q1≤0.69；并设定q1的基准值为0.52，设定q1接近区间为[q1-0.1，q1+0.1]，并在电阻变化程度结果得到的健康状态评估基础上进行调整；

97、当大于q1+0.1时，预测损伤程度为严重异常；

98、此时趋近于1，表示焊接构件的损伤程度趋近100％，即接近临界状态，并代表存在较高的裂纹扩展风险；

99、健康状态评估结果为“裂纹扩展风险”，需要立即停止使用该部分结构，并进行彻底检查和维修，为避免损伤进一步加剧，在下次监测周期内的监测次数m+15调整为m+18，确保连续监测直到维修完成；

100、当在阈值q1的接近区间时，预测损伤程度为中度异常，表示焊接构件已经出现了明显的疲劳损伤，但尚未达到临界状态；

101、健康状态评估结果为“疲劳损伤中期”，采取中期维修措施，具体为局部补强或更详细的检测，在下次监测周期内的监测次数m+8调整为m+11，以更高的频率监测，确保及时处理任何潜在的恶化；

102、当小于q1-0.1时，预测损伤程度为轻微异常；此时趋近于0，表示焊接构件的损伤程度较轻，仅表现出早期疲劳损伤迹象；

103、健康状态评估结果为“疲劳损伤早期迹象”，维持现有的监测计划，在下次监测周期内的监测次数m+5调整为m+7，以增加监测频率，密切关注损伤的发展情况。

104、与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过对桥梁结构中焊接构件的焊趾位置进行标记、监测和分析，采用多模块协同工作的方式，不仅可以实时采集焊接构件的应力变化数据，还能根据电阻变化程度及应力幅谱分析结果，并根据电阻变化程度结果，对应变采集设备的安装位置以及安装数量提供动态调整的数据支撑，同时对焊接构件的健康状态进行动态评估和预测；

105、将测得的固有频率与未损伤状态下的固有频率进行比较，计算宏观损伤程度预测值，能够对焊接结构的宏观损伤程度进行精确预测，更早地发现潜在的疲劳损伤，提供精确的损伤累积评估，有效提升桥梁结构的安全性与耐久性；

106、通过这一系统，桥梁管理部门能够更早期、更准确地进行维修和加固，延长桥梁的使用寿命，降低突发事故风险，为桥梁安全运营提供可靠保障。