本發(fā)明涉及結構損傷識別，尤其是涉及一種輕量化的橋梁結構損傷快速檢測方法。

背景技術：

1、隨著經濟的快速發(fā)展，近幾十年來，大量基礎設施和復雜工程項目不斷涌現(xiàn)。橋梁作為交通運輸系統(tǒng)的咽喉，是保障公共安全和經濟運行的重要生命線工程。然而，在長期服役過程中，橋梁結構會受到環(huán)境侵蝕、超載、材料老化和疲勞效應等不利因素的影響，導致?lián)p傷累積和抗力下降，從而威脅其安全性和正常使用，尤其是橋梁結構易受潮濕、鹽霧等環(huán)境因素的影響，以及在長期重復荷載下產生疲勞破壞。因此，開展橋梁結構健康監(jiān)測和損傷識別研究不僅具有重要的理論意義，也具有顯著的現(xiàn)實意義。為了確保橋梁結構的安全性，大量已建或在建橋梁已安裝了長期健康監(jiān)測系統(tǒng)，為預防性維護和及時修復提供科學依據，延長結構的使用壽命并減少潛在風險。

2、位移、應變、加速度等數據是實現(xiàn)橋梁結構損傷檢測的關鍵，但傳統(tǒng)的接觸式位移測量方法，如百分表、拉繩式位移傳感器、線性可變差動變壓器(lvdt)、電容式位移傳感器等，存在安裝和維護難度大、對被測結構可能造成影響、傳感器損耗和環(huán)境影響較大等缺點。接觸式位移測量方法不適合大型復雜的橋梁結構監(jiān)測。全球定位系統(tǒng)(gps)、全站儀、激光位移計等非接觸式位移測量方法仍然存在精度較低，成本較高。隨著智能設備和視覺測量技術的發(fā)展，非接觸式視覺測量因其成本低、效率高、能夠多點感知和連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點，越來越多地用于結構損傷檢測。這種方法使用便攜式相機、消費級智能手機或配備攝像頭的無人機等記錄橋梁振動視頻，通過跟蹤預定目標或結構表面上其它可識別特征點的運動，以較低的成本實現(xiàn)輕量化位移測量。然而，位移響應對橋梁結構的高階模態(tài)不敏感，而加速度響應對高頻動態(tài)變化反應更加靈敏，成本低且精度高，因此廣泛用于橋梁損傷檢測。但具體如何對二者進行結合以提高檢測效率目前并未有有效方案。

3、此外，橋梁結構所受的外部激勵，如風荷載、地震荷載和交通荷載，往往難以直接和精確地測量。前人研究荷載識別和結構損傷識別時，常假設結構參數已知或外荷載已知，然而，結構響應與輸入荷載之間存在復雜的耦合效應，使得這種假設在實際應用中具有很大的局限性。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了提供一種輕量化的橋梁結構損傷快速檢測方法，利用既有加速度傳感器和便攜式視覺位移測量技術快速檢測橋梁結構損傷，加速度響應對高頻響應敏感，而位移數據對低頻和靜態(tài)響應更敏感，融合這兩種數據可以提供更全面的結構行為信息，從而提高損傷識別的準確性和魯棒性。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：

3、一種輕量化的橋梁結構損傷快速檢測方法，包括以下步驟：

4、步驟1：對目標橋梁施加沖擊荷載，通過接觸式測量獲取加速度響應，通過非接觸式測量獲取位移響應；

5、步驟2：融合加速度響應和位移響應數據得到異構響應，將異構響應劃分為兩組，記為第一測量集和第二測量集，其中，所述第一測量集中的響應數量等于或大于施加在橋梁結構上的未知沖擊荷載數量；

6、步驟3：建立橋梁完整狀態(tài)下的有限元模型，將其劃分為多個單元，引入損傷系數描述單元剛度損傷程度，計算單位脈沖響應函數，組裝hankel矩陣并歸一化；

7、步驟4：基于單位脈沖響應函數和hankel矩陣，利用第一測試集的響應重構第二測試集的響應，基于第二測試集實際測量的響應和重構的響應構建目標函數；

8、步驟5：使用梯度算法不斷優(yōu)化所述目標函數，迭代結構的單元剛度系數，直到達到最大迭代次數或滿足精確要求，輸出識別的橋梁結構損傷結果，所述單元剛度系數與損傷系數的和為1。

9、所述接觸式測量具體為：通過安裝在目標橋梁上的多個加速度計獲取加速度響應。

10、所述非接觸式測量具體為：通過安裝在目標橋梁上的多個靶標和放置在距離橋梁結構預設距離的連續(xù)圖像采集裝置進行非接觸式測量，獲取視頻數據并使用亞像素模板匹配算法進行處理，提取位移響應。

11、所述連續(xù)圖像采集裝置為消費級手機或便攜式相機。

12、所述使用亞像素模板匹配算法進行處理，提取位移響應，具體為：從參考圖像中選取一個圖像塊作為模板，所述模板包含待跟蹤的特征點或區(qū)域；對目標圖像和模板進行包括濾波、去噪在內的預處理；通過計算模板與目標圖像中各個位置的相似性度量確定目標圖像中模板的粗匹配位置；在粗匹配得到的相似性圖中，找到相似性度量的最大值點，作為初步匹配位置；對初步匹配位置附近的像素進行二次曲面擬合以確定亞像素級的位移；根據亞像素級的精細匹配結果，對圖像序列的每一幀重復匹配計算模板在不同圖像幀之間的精確位移，提取得到位移響應。

13、橋梁結構在單位脈沖激勵下的運動方程為其中m、c、k為橋梁結構的質量、阻尼和剛度矩陣，δ(t)是狄拉克函數，h(t)為單位脈沖位移響應函數，為單位脈沖速度響應函數，為單位脈沖加速度響應函數，其中，所述剛度矩陣由損傷系數確定，表示為：

14、

15、其中，αi為第i個單元的損傷系數，ne為單元個數，為第i個單元的單元剛度，第i個單元的單元剛度系數θi＝1-αi。

16、所述單位脈沖位移響應函數h(t)和單位脈沖加速度響應函數由newmark-β法計算得到：

17、橋梁結構在tn時刻p和s自由度上的位移up(tn)和加速度響應üs(tn)分別表示為：其中，f為外部施加的沖擊荷載，hp和分別表示p自由度上的位移和s自由度上的加速度的脈沖響應函數；則，從t0至tn時刻，p和s自由度上的位移和加速度響應進一步表示為和設位移和加速度響應的數量分別為nu和nü，總的位移和加速度響應表示為和輸出響應與輸入荷載f的關系是yu＝huf,yü＝hüf，其中，位移脈沖響應函數的hankel矩陣hu和加速度脈沖響應函數的hankel矩陣hü分別為

18、

19、上述hankel矩陣簡化表示為

20、所述組裝hankel矩陣并歸一化具體為：

21、利用縮尺系數對位移和加速度響應進行歸一化：其中，au和aü是縮尺系數，和分別為歸一化后的位移和加速度響應；

22、將式y(tǒng)u＝huf，yü＝hüf進一步簡化為y＝hf，其中，歸一化hankel矩陣

23、所述步驟4中，利用第一測試集的響應重構第二測試集的響應具體為：

24、記步驟2中劃分的第一測量集為第二測量集為由y＝hf得到根據時域內的響應重構理論，第二測量集的響應由第一測量集和傳遞率矩陣t12重構得到，此外，為了穩(wěn)定求解過程，引入tikhonov正則化得到其中i表示單位矩陣，λ代表正則化參數，由l曲線法計算得到。

25、所述步驟4中，目標函數表示為：

26、基于集合2的實際測量值和重構值建立目標函數其中，為第二測量集的實際測量響應值，為重構的響應值，θ為單元剛度系數，||·||2為l2范數。

27、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

28、(1)本發(fā)明通過融合非接觸式視覺位移測量和接觸式加速度測量數據，利用橋梁上既有的加速度傳感器和便攜式視覺位移測量技術，實現(xiàn)未知荷載下橋梁結構損傷的快速檢測，不僅能提高損傷識別的準確性和魯棒性，而且更符合結構損傷檢測系統(tǒng)中多種類型傳感器的實際情況，具有良好的工程應用前景。

29、(2)本發(fā)明綜合了視覺測量的便利性和加速度測量的穩(wěn)定性，適用于大型橋梁結構的損傷檢測，減少了安裝和維護的復雜性，實現(xiàn)了輕量化檢測。

30、(3)本發(fā)明使用有限元模型和單位脈沖響應函數，實現(xiàn)了未知荷載下橋梁結構的響應重構和損傷識別，不僅可以提高損傷識別的準確性，還能更好地反映實際工況下的結構行為，提升了結構損傷檢測的準確性和可靠性。