基于间接模态识别的桥梁支座病害检测方法及相关组件

技术领域

本发明涉及桥梁检测领域，特别是涉及基于间接模态识别的桥梁支座病害检测方法及相关组件。

背景技术

为了避免桥梁出现支座脱空、支座偏位或支座超压等情况而导致车辆在桥上行驶时存在较大的安全隐患，通常需要对桥梁是否出现上述问题进行检测，而现有技术中的检测方式通常是人工检测，但是当桥梁的位置处于不便于人工检测的地方时，人工无法准确的检测桥梁是否出现问题，而仍导致桥梁存在较大的安全隐患，且人工检测的危险系数较高，对检测工人的人身安全有较大的威胁。

发明内容

本发明的目的是提供基于间接模态识别的桥梁支座病害检测方法及相关组件，无需人工对桥梁各支座逐个进行检测，仅控制移动检测装置通过桥梁即可获取桥梁的振动响应信号，从而对振动响应信号进行处理后确定桥梁各个支座的病害情况，解决了人工检测时的安全问题，检测结果更加准确，提高了桥梁支座的检测效率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于间接模态识别的桥梁支座病害检测方法，包括：

控制移动检测装置匀速通过桥梁，并接收所述移动检测装置检测的所述桥梁的振动响应信号；

对所述振动响应信号进行快速傅里叶变换，以获取所述桥梁的当前模态频率，所述当前模态频率的阶数和所述桥梁支座的数量相等；

基于所述桥梁的设计参数确定在对所述桥梁各个支座分别给定多个不同的预设刚度时的各阶模态频率；

基于各阶所述模态频率和对所述桥梁各个支座分别给定的多个不同的预设刚度确定所述桥梁的各阶模态频率和桥梁的各个支座的刚度之间的对应关系；

将各阶所述当前模态频率代入所述对应关系中，以确定所述桥梁各个支座的当前刚度；

基于所述桥梁的初始刚度和所述当前刚度确定所述桥梁各个支座的病害情况。

优选地，基于所述桥梁的初始刚度和所述当前刚度确定所述桥梁各个支座的病害情况之前，包括：

基于所述桥梁的设计参数建立所述桥梁各个支座在无病害时的有限元模型；

基于所述有限元模型确定所述桥梁各个支座的所述初始刚度。

优选地，控制移动检测装置匀速通过桥梁，并接收所述移动检测装置检测的所述桥梁的振动响应信号之后，还包括：

对所述振动响应信号进行短时傅里叶变换或连续小波变换，以获取所述桥梁的所述当前模态振型；

基于所述桥梁的设计参数建立所述桥梁各个支座在无病害时的有限元模型；

基于所述有限元模型计算所述桥梁的初始模态振型；

将所述当前模态振型和所述初始模态振型进行比较，基于比较结果判断所述桥梁各个支座是否存在病害；

若存在，则进入基于所述桥梁的初始刚度和所述当前刚度确定所述桥梁各个支座的病害情况的步骤；

若不存在，则判定所述桥梁各个支座不存在病害。

优选地，对所述振动响应信号进行短时傅里叶变换或连续小波变换，以获取所述桥梁的所述当前模态振型之前，还包括：

对所述振动响应信号进行增强及降噪重构处理，获取处理后的所述振动响应信号；

对所述振动响应信号进行短时傅里叶变换或连续小波变换，以获取所述桥梁的所述当前模态振型，包括：

对处理后的所述振动响应信号进行短时傅里叶变换或连续小波变换，以获取所述桥梁的所述当前模态振型。

优选地，对所述振动响应信号进行快速傅里叶变换，以获取所述桥梁的当前模态频率，所述当前模态频率的阶数和所述桥梁支座的数量相等之前，还包括：

对所述振动响应信号进行增强及降噪重构处理，获取处理后的所述振动响应信号；

对所述振动响应信号进行快速傅里叶变换，以获取所述桥梁的当前模态频率，所述当前模态频率的阶数和所述桥梁支座的数量相等，包括：

对处理后的所述振动响应信号进行快速傅里叶变换，以获取所述桥梁的当前模态频率，所述当前模态频率的阶数和所述桥梁支座的数量相等。

优选地，所述移动检测装置包括移动检测装置和设置于所述移动检测装置上的加速度传感器；

所述加速度传感器用于检测所述桥梁的振动响应信号。

优选地，基于所述桥梁的初始刚度和所述当前刚度确定所述桥梁各个支座的病害情况，包括：

确定所述桥梁各个支座的初始刚度减去所述桥梁各个支座的当前刚度的差值，并计算各个所述差值除以自身对应的所述支座的初始刚度的比值；

当所述比值为零时，判定与所述比值对应的支座不存在病害；

当所述比值大于零但小于预设比值时，判定与所述比值对应的支座存在病害，但与所述比值对应的支座的病害小于预设病害程度；

当所述比值不小于所述预设比值时，判定所述比值对应的支座存在病害，且与所述比值对应的支座的病害不小于预设病害程度，并提示用户与所述比值对应的支座需要更换。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于间接模态识别的桥梁支座病害检测系统，包括：

控制单元，用于控制移动检测装置匀速通过桥梁，并接收所述移动检测装置检测的所述桥梁的振动响应信号；

数据处理单元，用于对所述振动响应信号进行快速傅里叶变换，以获取所述桥梁的当前模态频率，所述当前模态频率的阶数和所述桥梁支座的数量相等；

第一确定单元，用于基于所述桥梁的设计参数确定在对所述桥梁各个支座分别给定多个不同的预设刚度时的各阶模态频率；

第二确定单元，用于基于各阶所述模态频率和对所述桥梁各个支座分别给定的多个不同的预设刚度确定所述桥梁的各阶模态频率和桥梁的各个支座的刚度之间的对应关系；

第三确定单元，用于将各阶所述当前模态频率代入所述对应关系中，以确定所述桥梁各个支座的当前刚度；

第四确定单元，用于基于所述桥梁的初始刚度和所述当前刚度确定所述桥梁各个支座的病害情况。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于间接模态识别的桥梁支座病害检测装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述所述基于间接模态识别的桥梁支座病害检测方法的步骤。

本申请提供了基于间接模态识别的桥梁支座病害检测方法及相关组件，其中，移动检测装置匀速通过该桥梁时能够获取自身在桥梁上行驶时桥梁的振动响应信号，以便处理器获取阶数和桥梁支座的数量相等的桥梁的当前模态频率，并根据桥梁的各阶模态参数和各个支座的刚度之间的对应关系确定桥梁各个支座的当前刚度，再基于桥梁的初始刚度和当前刚度确定桥梁各个支座的病害情况。可见，本申请中的方法无需人工对桥梁各支座逐个进行检测，仅控制移动检测装置通过桥梁即可获取桥梁的振动响应信号，从而对振动响应信号进行处理后确定桥梁各个支座的病害情况，解决了人工检测时的安全问题，检测结果更加准确，提高了桥梁支座的检测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于间接模态识别的桥梁支座病害检测方法及相关组件的流程示意图；

图2为本发明提供的一种基于间接模态识别的桥梁支座病害检测系统的结构示意图；

图3为本发明提供的一种基于间接模态识别的桥梁支座病害检测装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供基于间接模态识别的桥梁支座病害检测方法及相关组件，无需人工对桥梁各支座逐个进行检测，仅控制移动检测装置通过桥梁即可获取桥梁的振动响应信号，从而对振动响应信号进行处理后确定桥梁各个支座的病害情况，解决了人工检测时的安全问题，检测结果更加准确，提高了桥梁支座的检测效率。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明提供的一种基于间接模态识别的桥梁支座病害检测方法及相关组件的流程示意图，该方法包括：

S11：控制移动检测装置匀速通过桥梁，并接收移动检测装置检测的桥梁的振动响应信号；

申请人考虑到随着我国基础设施建设的逐步推进，截止2019年底，我国铁路营业里程已达13.9万公里，其中高铁里程已超过3.5公里。高速铁路中大多采用以桥代路，使得高速铁路中桥梁占比高达90%以上。在高铁桥梁速度的不断提升、桥梁荷载不断增大以及恶劣的环境下，高铁桥梁的健康状况对铁路的安全运营起着至关重要的作用。在桥梁的运营过程中可能会导致支座发生超压、偏位和脱空等病害，如何快速对高铁桥梁支座病害进行检测是我国高铁运营和管养急需解决的问题。

目前，关于高铁桥梁支座病害的检测多为人工检测，而高铁桥梁的桥墩往往较高，进行人工检测存在安全隐患。对于一些受江河湖海和地形环境条件限制的高铁桥梁，检测人员无法到达桥梁墩顶进行支座病害的检测，存在支座病害检测不充分等缺陷，无法保证对支座病害的全面排查。因此，人工检测不能及时对支座是否存在病害进行检测，且检测的实时性差，人工检测不能及时发现支座的安全隐患并对工作人员进行预警。

为了解决上述技术问题，本申请先控制移动检测装置在桥梁上运行，再接收该移动检测装置发送的桥梁的振动响应信号，因此，无需人工到桥梁上进行检测，便可获取桥梁的振动响应信号，且相比于人工检测，移动检测装置更能够获取更准确的桥梁的振动响应信号，因此，对桥梁的检测结果会更为准确。

需要说明的是，本申请中的支座是连接桥梁和桥墩的重要结构部件，能将桥梁承受的荷载和变形传递给桥墩，是桥梁的重要传力装置。

S12：对振动响应信号进行快速傅里叶变换，以获取桥梁的当前模态频率，当前模态频率的阶数和桥梁支座的数量相等；

为了获取桥梁的当前模态频率，本申请中对振动响应信号进行快速傅里叶变换。

需要说明的是，当前模态频率的阶数和桥梁支座的数量相等，从而能够根据各阶模态频率确定各个支座的病害情况。

S13：基于桥梁的设计参数确定在对桥梁各个支座分别给定多个不同的预设刚度时的各阶模态频率；

S14：基于各阶模态频率和对桥梁各个支座分别给定的多个不同的预设刚度确定桥梁的各阶模态频率和桥梁的各个支座的刚度之间的对应关系；

S15：将各阶当前模态频率代入对应关系中，以确定桥梁各个支座的当前刚度；

本申请还基于当前模态频率通过桥梁的各阶模态频率和桥梁的各个支座的刚度之间的对应关系确定各个桥梁的当前刚度。

具体地，在基于桥梁的各阶模态频率和对桥梁的各个支座分别给定的多个不同的预设刚度确定桥梁的各阶模态频率和桥梁的各个支座的刚度之间的对应关系时，先基于桥梁的设计参数对i个支座给定j个不同的刚度K

根据不同的K

ω

将获取的桥梁的当前模态频率和上述对应关系，得到桥梁的各阶当前模态频率与桥梁i个支座的当前刚度K

其中，当存在n个支座的病害情况需要确定时，可计算出n阶当前模态频率，代入上述公式中，从而确定n个支座的当前刚度，若所有的支座的病害情况均需要确定时，则计算i阶当前模态频率，即n=i，从而确定所有的支座的当前刚度。例如，当仅需确定一个支座的病害情况，剩余i-1个支座的病害情况，也即当前刚度都已确定时，可只计算一阶的当前模态频率，代入上述公式中，并基于剩余i-1个支座的当前刚度确定该支座的当前刚度。

需要说明的是，桥梁的模态频率和桥梁的各个支座的刚度之间的对应关系可基于桥梁的设计参数确定。

S16：基于桥梁的初始刚度和当前刚度确定桥梁各个支座的病害情况。

获取桥梁的各个支座的当前刚度后，便可以基于支座的当前刚度和初始刚度确定各个支座的病害情况，例如是否出现病害，以及病害的程度，从而使工作人员进行相应的处理。

需要说明的是，支座脱空为对桥梁结构受力影响最大的一种支座病害，它严重影响着桥梁的使用安全和受力，桥梁结构体系的转换以及支座垫石不平整、开裂都能造成支座的脱空。某一个支座脱空时，其承受的荷载将会分配到其他支座上，造成其他支座的荷载增加，引起其他支座的超压偏压等其他病害，使梁体受力不均，对结构产生不利影响。

支座偏位为在支座使用中最为普遍存在的问题，严重的支座偏位将会使支座长期处于剪切状态，影响支座的使用寿命，使桥梁不能正常水平变形，使结构产生附加内力。

支座超压为由于部分支座的脱空或其他原因，使支座传递的力超过支座的设计承载力，支座变形超过支座的最大变形能力。支座超压主要是由支座的出厂质量、安装质量不满足要求造成的。支座本身质量问题是由支座的设计、制造把关不严造成的。

需要说明的是，还可以通过阻尼比判断桥梁的支座的病害情况。

可见，基于移动检测装置检测到的当前模态频率，结合桥梁支座的初始刚度对桥梁支座的病害情况进行评估，通过移动检测装置可以定期或定时对整个区域内的所有桥梁的支座进行检测，为桥梁支座的健康监测、及时更换与管理提供科学的决策依据。

此外，本申请中移动检测装置从桥梁上通过时，相当于向桥梁施加了垂直于地面向下的力，因此，最终获得的各个支座的当前刚度均为垂直于地面向下的刚度，又由于桥梁、支座和桥墩依次从上之下连接设置，本申请中是基于桥梁的当前模态频率、桥梁的模态频率和桥梁的各个支座的刚度之间的对应关系确定的各个支座的当前刚度，可认为是从上之下确定的各个支座的当前刚度。

综上，本申请中的方法无需人工对桥梁各支座逐个进行检测，仅控制移动检测装置通过桥梁即可获取桥梁的振动响应信号，从而对振动响应信号进行处理后确定桥梁各个支座的病害情况，解决了人工检测时的安全问题，检测结果更加准确，且移动检测装置可以在短时间内通过大量桥梁，大大提高了桥梁支座的检测效率。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，基于桥梁的初始刚度和当前刚度确定桥梁各个支座的病害情况之前，包括：

基于桥梁的设计参数建立桥梁各个支座在无病害时的有限元模型；

基于有限元模型确定桥梁各个支座的初始刚度。

在确定各个支座的病害情况之前，还需确定各个支座的初始刚度，而在确定各个支座的初始刚度时，可以通过建立桥梁的支座在无病害时的有限元模型，从而确定各个支座的初始刚度，以便后续确定各个支座的病害情况。

需要说明的是，本申请可以采用ANSYS有限元软件建立桥梁在无支座病害时的空间有限元模型。

作为一种优选的实施例，控制移动检测装置匀速通过桥梁，并接收移动检测装置检测的桥梁的振动响应信号之后，还包括：

对振动响应信号进行短时傅里叶变换或连续小波变换，以获取桥梁的当前模态振型；

基于桥梁的设计参数建立桥梁各个支座在无病害时的有限元模型；

基于有限元模型计算桥梁的初始模态振型；

将当前模态振型和初始模态振型进行比较，基于比较结果判断桥梁各个支座是否存在病害；

若存在，则进入基于桥梁的初始刚度和当前刚度确定桥梁各个支座的病害情况的步骤；

若不存在，则判定桥梁各个支座不存在病害。

本实施例中，在通过各个支座的当前刚度和初始刚度判断各个支座的病害情况前，可通过比较当前模态振型和初始模态振型，从而先确定桥梁的各个支座是否存在病害。

具体地，申请人先对移动检测装置检测到的振动响应信号进行短时傅里叶变换或连续小波变换，以获取桥梁的当前模态振型，以便后续判断桥梁的各个支座是否存在病害，从而减少后续的计算量。

作为一种优选的实施例，对振动响应信号进行短时傅里叶变换或连续小波变换，以获取桥梁的当前模态振型之前，还包括：

对振动响应信号进行增强及降噪重构处理，获取处理后的振动响应信号；

对振动响应信号进行短时傅里叶变换或连续小波变换，以获取桥梁的当前模态振型，包括：

对处理后的振动响应信号进行短时傅里叶变换或连续小波变换，以获取桥梁的当前模态振型。

申请人考虑到移动检测装置检测到的振动响应信号中存在噪声，会影响最终的判断结果，本申请先对移动检测装置发送的振动响应信号进行增强及降噪重构处理，获取处理后的振动响应信号，也即无噪声的振动响应信号，从而再对处理后的振动响应信号进行短时傅里叶变换或连续小波变换，以获取桥梁的当前模态振型，以便后续判断桥梁的各个支座是否存在病害，从而减少后续的计算量。

作为一种优选的实施例，对振动响应信号进行快速傅里叶变换，以获取桥梁的当前模态频率，当前模态频率的阶数和桥梁支座的数量相等之前，还包括：

对振动响应信号进行增强及降噪重构处理，获取处理后的振动响应信号；

对振动响应信号进行快速傅里叶变换，以获取桥梁的当前模态频率，当前模态频率的阶数和桥梁支座的数量相等，包括：

对处理后的振动响应信号进行快速傅里叶变换，以获取桥梁的当前模态频率，当前模态频率的阶数和桥梁支座的数量相等。

本实施例中在确定各个支座的当前刚度时，需先确定桥梁的当前模态频率，申请人考虑到移动检测装置检测到的振动响应信号中存在噪声，会影响最终的判断结果，本申请先对移动检测装置发送的振动响应信号进行增强及降噪重构处理，获取处理后的振动响应信号，也即无噪声的振动响应信号，从而再对处理后的振动响应信号进行快速傅里叶变换，以获取桥梁的预设阶数的当前模态频率。

其中，本申请中在对振动响应信号进行增强处理时，可以但不限定采用VMD(Variational Mode Decomposition, 变分模态分解法)。

需要说明的是，本申请中的当前模态频率的阶数可以为当前需要确定的病害情况的支座的数量，从而确定各个支座的当前刚度。

作为一种优选的实施例，移动检测装置包括移动检测装置和设置于移动检测装置上的加速度传感器；

加速度传感器用于检测桥梁的振动响应信号。

本实施例中的移动检测装置包括移动检测车辆和设置于移动检测车辆上的加速度传感器，移动检测车辆可以通过在桥梁上运行，从而给桥梁一个激励，以便加速度传感器检测桥梁的当前模态频率。

作为一种优选的实施例，基于桥梁的初始刚度和当前刚度确定桥梁各个支座的病害情况，包括：

确定桥梁各个支座的初始刚度减去桥梁各个支座的当前刚度的差值，并计算各个差值除以自身对应的支座的初始刚度的比值；

当比值为零时，判定与比值对应的支座不存在病害；

当比值大于零但小于预设比值时，判定与比值对应的支座存在病害，但与比值对应的支座的病害小于预设病害程度；

当比值不小于预设比值时，判定比值对应的支座存在病害，且与比值对应的支座的病害不小于预设病害程度，并提示用户与比值对应的支座需要更换。

本实施例中，在确定桥梁的各个支座的病害情况时，可通过如下公式确定：β

其中，β

具体判断各个支座的病害情况的方式如下：

（1）当损伤指数β

（2）当损伤指数0.5≤β

（3）当损伤指数0＜β

（4）当损伤指数β

（5）当损伤指数-0.5≤β

（6）当损伤指数β

请参照图2，图2为本发明提供的一种基于间接模态识别的桥梁支座病害检测系统的结构示意图，该系统包括：

控制单元21，用于控制移动检测装置匀速通过桥梁，并接收移动检测装置检测的桥梁的振动响应信号；

数据处理单元22，用于对振动响应信号进行快速傅里叶变换，以获取桥梁的当前模态频率，当前模态频率的阶数和桥梁支座的数量相等；

第一确定单元23，用于基于桥梁的设计参数确定在对桥梁各个支座分别给定多个不同的预设刚度时的各阶模态频率；

第二确定单元24，用于基于各阶模态频率和对桥梁各个支座分别给定的多个不同的预设刚度确定桥梁的各阶模态频率和桥梁的各个支座的刚度之间的对应关系；

第三确定单元25，用于将各阶当前模态频率代入对应关系中，以确定桥梁各个支座的当前刚度；

第四确定单元26，用于基于桥梁的初始刚度和当前刚度确定桥梁各个支座的病害情况。

对于本发明提供的一种基于间接模态识别的桥梁支座病害检测系统的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

请参照图3，图3为本发明提供的一种基于间接模态识别的桥梁支座病害检测装置的结构示意图，该装置包括：

存储器31，用于存储计算机程序；

处理器32，用于执行计算机程序时实现如上述基于间接模态识别的桥梁支座病害检测方法的步骤。

对于本发明提供的一种基于间接模态识别的桥梁支座病害检测装置的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

本发明中的计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器32执行时实现如上述的基于间接模态识别的桥梁支座病害检测方法的步骤。

对于本发明提供的计算机可读存储介质的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。