桥墩健康状态监测方法及系统

本发明涉及桥墩健康状态监测，特别是一种桥墩健康状态监测方法及系统。

背景技术：

1、随着交通基础设施的迅速发展，桥梁作为关键的交通枢纽，其结构安全性和耐久性愈发受到重视。桥墩作为桥梁的重要承重构件，其健康状态直接关系到桥梁整体的安全性能。因此，桥墩健康监测技术的研究与应用逐渐成为结构工程领域的热点。早期的桥墩监测技术主要依赖于人工巡检和传统刚性传感器。这些传感器往往通过物理接触检测桥墩表面应力、位移或振动等参数，尽管在某些情况下能提供有效的监测数据，但其物理性质和刚性结构决定了它们难以与桥墩的复杂几何形状良好匹配，尤其是在面对表面不规则或弯曲结构时，数据采集的精度和完整性存在不足。此外，传统的监测系统往往是固定式布置，缺乏灵活性，监测覆盖范围有限，难以适应桥墩复杂环境的动态变化。

2、现有的桥墩健康监测技术存在较大的局限性，尤其是在电学性能监测方面。传统方法通常依赖于在桥墩施工过程中预埋固定电极，以监测桥墩内部的电流变化。然而，这种方法需要在施工时进行精确的电极布置，且由于电极只能安装在桥墩的局部位置，导致监测范围有限，无法全面覆盖整个桥墩表面或结构。此外，电极预埋位置一旦确定，后续无法灵活调整，监测数据局限于这些固定位置，难以反映桥墩在长期使用过程中动态变化的电学性能。这种局限性极大地降低了电学监测的有效性，尤其是当桥墩在不同环境应力作用下可能出现的整体劣化、裂缝扩展和局部损伤时，现有技术难以实现有效的预警和实时监测。

技术实现思路

1、鉴于现有的监测技术中存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题在于制作桥墩时需要预埋电极，这样只能测量局部固定位置的电流变化与电学性能。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明提供了一种桥墩健康状态监测方法，其包括：

5、选择适用于桥墩表面的柔性电流传感器，并确定所述柔性电流传感器在所述桥墩表面的布置位置，将所述柔性电流传感器黏附于确定的布置位置，形成传感网络；

6、利用可移动式采集器，与所述柔性电流传感器建立无线连接，动态采集不同位置的电流数据；

7、对所述电流数据进行特征提取，构建特征子集；

8、基于所述特征子集，计算桥墩健康状态指数，完成桥墩健康状态监测；

9、所述布置位置包括立柱区域、横梁区域和基础区域；

10、所述立柱区域沿桥墩高度方向均匀划分为上、中、下三个子区域；

11、所述横梁区域包括与所述立柱区域的连接处、跨中部分和支座；

12、所述基础区域包括所述桥墩的水下部分和水土交界处。

13、所述布置位置还包括应力集中点和潜在裂缝易发位置；

14、所述应力集中点为有限元法求解静态和动态载荷下的等效应力超过材料屈服强度80%的区域，如下式所示：；其中，为应力偏张量，为等效应力，为材料屈服强度。

15、作为本发明所述桥墩健康状态监测方法的一种优选方案，其中，所述潜在裂缝易发位置的确定包括计算 j积分，当所述 j积分值约等于材料的临界断裂韧度时，认定该位置易发生裂缝；

16、所述 j积分的计算如下式所示：；其中，为应变能密度，为沿积分路径的面力分量，为位移分量，为积分路径在任一点处的外法向量在 x方向上的分量，为临界断裂韧度，为位移分量关于 x的偏导数，表示位移在 x方向上的变化率。

17、作为本发明所述桥墩健康状态监测方法的一种优选方案，其中，所述特征子集包括时域特征、频域特征和电学性能特征；

18、所述时域特征包括多尺度样本熵；

19、所述频域特征通过将电流信号从时域转换至频域，并通过计算功率谱密度识别电流信号中的主要频率成分及其对应的能量分布确定；

20、所述电学性能特征提取通过等效电阻、电导率计算和基于分数阶阻抗模型的参数提取获得。

21、作为本发明所述桥墩健康状态监测方法的一种优选方案，其中，所述多尺度样本熵的计算如下式所示：；其中，为时间序列，为嵌入维数，为相似性阈值，为尺度因子，和分别为m和m+1维相空间中的匹配计数。

22、作为本发明所述桥墩健康状态监测方法的一种优选方案，其中，所述电流信号从时域转换至频域，如下式所示：；其中，表示频域信号，为时域信号，为信号长度，为频率索引，为时间索引，为虚数单位，为计算每个频率分量的幅度和相位；

23、所述功率谱密度的计算如下式所示：；其中，为信号的傅里叶变换结果，为采样频率；

24、所述能量分布通过计算能量熵得到，所述能量熵的计算如下式所示：；其中，为第i个频带的能量熵，为第i个频带中第j个小波包系数的归一化能量，为基于功率谱密度的频带权重因子；

25、其中，的计算如下式所示：；其中，为第i个频带的平均功率谱密度，m为总频带数，为第k个频带的平均功率谱密度。

26、作为本发明所述桥墩健康状态监测方法的一种优选方案，其中，所述桥墩健康状态指数的计算包括：

27、标准化所述特征子集的每个特征，计算标准化后的特征的动态权重；

28、计算所有特征的加权平均值，得到桥墩健康状态指数；

29、所述动态权重的计算如下式所示：；其中，是特征的基础权重，是调整系数，通常取值在0.2到0.5之间，反映了特征偏离理想状态的程度，为特征的动态权重，为标准化后的特征。

30、第二方面，本发明提供了一种桥墩健康状态监测系统，其包括：

31、网络构建模块，用于选择适用于桥墩表面的柔性电流传感器，并确定所述柔性电流传感器在所述桥墩表面的布置位置，将所述柔性电流传感器黏附于确定的布置位置，形成传感网络；

32、数据采集模块，用于利用可移动式采集器，与所述柔性电流传感器建立无线连接，动态采集不同位置的电流数据；

33、特征提取模块，用于对所述电流数据进行特征提取，构建特征子集；

34、状态监测模块，用于基于所述特征子集，计算桥墩健康状态指数，完成桥墩健康状态监测。

35、本发明有益效果为通过采用柔性电流传感器和可移动式采集器，结合先进的有限元分析模型和多尺度损伤理论，实现了对桥墩全方位、高精度的健康状态监测。该方法创新性地引入了改进的多尺度样本熵和小波包能量熵特征提取技术，以及基于分数阶阻抗模型的电学参数提取方法，大幅提升了对桥墩微小损伤和非线性动态特性的识别能力。同时，通过引入动态权重计算和综合健康状态指数评估体系，实现了对桥墩健康状态的精确量化和分级。这种全面、系统的监测方法不仅提高了桥墩健康状态评估的准确性和可靠性，还为桥梁维护策略的制定提供了科学依据，有效延长了桥梁使用寿命，提高了交通基础设施的安全性和经济效益。

技术特征：

1.一种桥墩健康状态监测方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的桥墩健康状态监测方法，其特征在于，所述潜在裂缝易发位置的确定包括计算j积分，当所述j积分值约等于材料的临界断裂韧度时，认定该位置易发生裂缝；

3.如权利要求2所述的桥墩健康状态监测方法，其特征在于，所述特征子集包括时域特征、频域特征和电学性能特征；

4.如权利要求3所述的桥墩健康状态监测方法，其特征在于：所述多尺度样本熵的计算如下式所示：；其中，为时间序列，为嵌入维数，为相似性阈值，为尺度因子，和分别为m和m+1维相空间中的匹配计数。

5.如权利要求4所述的桥墩健康状态监测方法，其特征在于，所述电流信号从时域转换至频域，如下式所示：；其中，表示频域信号，为时域信号，为信号长度，为频率索引，为时间索引，为虚数单位，为计算每个频率分量的幅度和相位；

6.如权利要求5所述的桥墩健康状态监测方法，其特征在于，所述桥墩健康状态指数的计算包括：

7.一种桥墩健康状态监测系统，基于权利要求1至6任一所述的桥墩健康状态监测方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种桥墩健康状态监测方法及系统，涉及桥墩健康状态监测技术领域。其中，该方法包括：选择适用于桥墩表面的柔性电流传感器，并确定所述柔性电流传感器在所述桥墩表面的布置位置，将所述柔性电流传感器黏附于确定的布置位置，形成传感网络；利用可移动式采集器，与所述柔性电流传感器建立无线连接，动态采集不同位置的电流数据；对所述电流数据进行特征提取，构建特征子集；基于所述特征子集，计算桥墩健康状态指数，完成桥墩健康状态监测。本发明创新性地引入了改进的多尺度样本熵和小波包能量熵特征提取技术，以及基于分数阶阻抗模型的电学参数提取方法，大幅提升了对桥墩微小损伤和非线性动态特性的识别能力。

技术研发人员：田伟,高宇航,张云龙,徐建铭,马立军,郭威,杨洪涛,吕校良
受保护的技术使用者：吉林建筑大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5