一种轻量化的桥梁结构损伤快速检测方法

本发明涉及结构损伤识别，尤其是涉及一种轻量化的桥梁结构损伤快速检测方法。

背景技术：

1、随着经济的快速发展，近几十年来，大量基础设施和复杂工程项目不断涌现。桥梁作为交通运输系统的咽喉，是保障公共安全和经济运行的重要生命线工程。然而，在长期服役过程中，桥梁结构会受到环境侵蚀、超载、材料老化和疲劳效应等不利因素的影响，导致损伤累积和抗力下降，从而威胁其安全性和正常使用，尤其是桥梁结构易受潮湿、盐雾等环境因素的影响，以及在长期重复荷载下产生疲劳破坏。因此，开展桥梁结构健康监测和损伤识别研究不仅具有重要的理论意义，也具有显著的现实意义。为了确保桥梁结构的安全性，大量已建或在建桥梁已安装了长期健康监测系统，为预防性维护和及时修复提供科学依据，延长结构的使用寿命并减少潜在风险。

2、位移、应变、加速度等数据是实现桥梁结构损伤检测的关键，但传统的接触式位移测量方法，如百分表、拉绳式位移传感器、线性可变差动变压器(lvdt)、电容式位移传感器等，存在安装和维护难度大、对被测结构可能造成影响、传感器损耗和环境影响较大等缺点。接触式位移测量方法不适合大型复杂的桥梁结构监测。全球定位系统(gps)、全站仪、激光位移计等非接触式位移测量方法仍然存在精度较低，成本较高。随着智能设备和视觉测量技术的发展，非接触式视觉测量因其成本低、效率高、能够多点感知和连续监测的优点，越来越多地用于结构损伤检测。这种方法使用便携式相机、消费级智能手机或配备摄像头的无人机等记录桥梁振动视频，通过跟踪预定目标或结构表面上其它可识别特征点的运动，以较低的成本实现轻量化位移测量。然而，位移响应对桥梁结构的高阶模态不敏感，而加速度响应对高频动态变化反应更加灵敏，成本低且精度高，因此广泛用于桥梁损伤检测。但具体如何对二者进行结合以提高检测效率目前并未有有效方案。

3、此外，桥梁结构所受的外部激励，如风荷载、地震荷载和交通荷载，往往难以直接和精确地测量。前人研究荷载识别和结构损伤识别时，常假设结构参数已知或外荷载已知，然而，结构响应与输入荷载之间存在复杂的耦合效应，使得这种假设在实际应用中具有很大的局限性。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了提供一种轻量化的桥梁结构损伤快速检测方法，利用既有加速度传感器和便携式视觉位移测量技术快速检测桥梁结构损伤，加速度响应对高频响应敏感，而位移数据对低频和静态响应更敏感，融合这两种数据可以提供更全面的结构行为信息，从而提高损伤识别的准确性和鲁棒性。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种轻量化的桥梁结构损伤快速检测方法，包括以下步骤：

4、步骤1：对目标桥梁施加冲击荷载，通过接触式测量获取加速度响应，通过非接触式测量获取位移响应；

5、步骤2：融合加速度响应和位移响应数据得到异构响应，将异构响应划分为两组，记为第一测量集和第二测量集，其中，所述第一测量集中的响应数量等于或大于施加在桥梁结构上的未知冲击荷载数量；

6、步骤3：建立桥梁完整状态下的有限元模型，将其划分为多个单元，引入损伤系数描述单元刚度损伤程度，计算单位脉冲响应函数，组装hankel矩阵并归一化；

7、步骤4：基于单位脉冲响应函数和hankel矩阵，利用第一测试集的响应重构第二测试集的响应，基于第二测试集实际测量的响应和重构的响应构建目标函数；

8、步骤5：使用梯度算法不断优化所述目标函数，迭代结构的单元刚度系数，直到达到最大迭代次数或满足精确要求，输出识别的桥梁结构损伤结果，所述单元刚度系数与损伤系数的和为1。

9、所述接触式测量具体为：通过安装在目标桥梁上的多个加速度计获取加速度响应。

10、所述非接触式测量具体为：通过安装在目标桥梁上的多个靶标和放置在距离桥梁结构预设距离的连续图像采集装置进行非接触式测量，获取视频数据并使用亚像素模板匹配算法进行处理，提取位移响应。

11、所述连续图像采集装置为消费级手机或便携式相机。

12、所述使用亚像素模板匹配算法进行处理，提取位移响应，具体为：从参考图像中选取一个图像块作为模板，所述模板包含待跟踪的特征点或区域；对目标图像和模板进行包括滤波、去噪在内的预处理；通过计算模板与目标图像中各个位置的相似性度量确定目标图像中模板的粗匹配位置；在粗匹配得到的相似性图中，找到相似性度量的最大值点，作为初步匹配位置；对初步匹配位置附近的像素进行二次曲面拟合以确定亚像素级的位移；根据亚像素级的精细匹配结果，对图像序列的每一帧重复匹配计算模板在不同图像帧之间的精确位移，提取得到位移响应。

13、桥梁结构在单位脉冲激励下的运动方程为其中m、c、k为桥梁结构的质量、阻尼和刚度矩阵，δ(t)是狄拉克函数，h(t)为单位脉冲位移响应函数，为单位脉冲速度响应函数，为单位脉冲加速度响应函数，其中，所述刚度矩阵由损伤系数确定，表示为：

14、

15、其中，αi为第i个单元的损伤系数，ne为单元个数，为第i个单元的单元刚度，第i个单元的单元刚度系数θi＝1-αi。

16、所述单位脉冲位移响应函数h(t)和单位脉冲加速度响应函数由newmark-β法计算得到：

17、桥梁结构在tn时刻p和s自由度上的位移up(tn)和加速度响应üs(tn)分别表示为：其中，f为外部施加的冲击荷载，hp和分别表示p自由度上的位移和s自由度上的加速度的脉冲响应函数；则，从t0至tn时刻，p和s自由度上的位移和加速度响应进一步表示为和设位移和加速度响应的数量分别为nu和nü，总的位移和加速度响应表示为和输出响应与输入荷载f的关系是yu＝huf,yü＝hüf，其中，位移脉冲响应函数的hankel矩阵hu和加速度脉冲响应函数的hankel矩阵hü分别为

18、

19、上述hankel矩阵简化表示为

20、所述组装hankel矩阵并归一化具体为：

21、利用缩尺系数对位移和加速度响应进行归一化：其中，au和aü是缩尺系数，和分别为归一化后的位移和加速度响应；

22、将式yu＝huf，yü＝hüf进一步简化为y＝hf，其中，归一化hankel矩阵

23、所述步骤4中，利用第一测试集的响应重构第二测试集的响应具体为：

24、记步骤2中划分的第一测量集为第二测量集为由y＝hf得到根据时域内的响应重构理论，第二测量集的响应由第一测量集和传递率矩阵t12重构得到，此外，为了稳定求解过程，引入tikhonov正则化得到其中i表示单位矩阵，λ代表正则化参数，由l曲线法计算得到。

25、所述步骤4中，目标函数表示为：

26、基于集合2的实际测量值和重构值建立目标函数其中，为第二测量集的实际测量响应值，为重构的响应值，θ为单元刚度系数，||·||2为l2范数。

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、(1)本发明通过融合非接触式视觉位移测量和接触式加速度测量数据，利用桥梁上既有的加速度传感器和便携式视觉位移测量技术，实现未知荷载下桥梁结构损伤的快速检测，不仅能提高损伤识别的准确性和鲁棒性，而且更符合结构损伤检测系统中多种类型传感器的实际情况，具有良好的工程应用前景。

29、(2)本发明综合了视觉测量的便利性和加速度测量的稳定性，适用于大型桥梁结构的损伤检测，减少了安装和维护的复杂性，实现了轻量化检测。

30、(3)本发明使用有限元模型和单位脉冲响应函数，实现了未知荷载下桥梁结构的响应重构和损伤识别，不仅可以提高损伤识别的准确性，还能更好地反映实际工况下的结构行为，提升了结构损伤检测的准确性和可靠性。