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1、10申请公布号CN103344397A43申请公布日20131009CN103344397ACN103344397A21申请号201310282300922申请日20130705G01M7/00200601E02D33/0020060171申请人重庆科技学院地址401331重庆市沙坪坝区虎溪大学城重庆科技学院72发明人王子健武黎明肖盛燮74专利代理机构北京海虹嘉诚知识产权代理有限公司11129代理人谢殿武54发明名称波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别法及装置57摘要本发明提供了一种波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别法及装置，具有识别精度高、误差小等特性，方法包括采集桥墩中N个质。
2、点在外部激励下的结构响应；随机生成一个桥墩物理参数的初值将生成的初值代入式HP，计算得到其中H为响应矩阵，为待识别的桥墩物理参数矩阵，P为输入向量；根据得到F1T，2F1T，N1F1T，进而得到N1个F1T；采用统计平均的方法对N1个F1T进行处理，得到采用对进行修正，得到修正后的根据修正后的利用式计算桥墩物理参数估计值判断和是否满足收敛条件；当判断结果为否时，将作为桥墩物理参数的初值返回重新计算，直至收敛；当判断结果为是时，将作为识别出的桥墩物理参数输出。51INTCL权利要求书3页说明书10页附图7页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书3页说明书10页附图7页10申请。
3、公布号CN103344397ACN103344397A1/3页21一种波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别方法，其特征在于包括步骤1，采集桥墩中N个质点在外部激励下的结构响应；步骤2，随机生成一个桥墩物理参数的初值步骤3，将步骤2生成的初值代入式HP，计算得到其中H为响应矩阵，为待识别的桥墩物理参数矩阵，P为输入向量；步骤4，根据得到F1T，2F1T，N1F1T，进而得到N1个F1T；步骤5，采用统计平均的方法对N1个F1T进行处理，得到步骤6，采用对进行修正，得到修正后的步骤7，根据修正后的利用式计算桥墩物理参数估计值步骤8，判断和是否满足收敛条件；步骤9，当步骤8的判断结果为否时，将。
4、作为桥墩物理参数的初值返回执行步骤3至步骤8，直至收敛；步骤10，当步骤8的判断结果为是时，将作为识别出的桥墩物理参数输出。2如权利要求1所述的波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别方法，其特征在于C1C2C3CN1K1K2K3KN1T其中，X1,X2,XN为各质点的位移响应，为各质点的速度响应，为各质点的加速度响应，M1,M2,MN为各质点的质量，K1,K2,KN为各质点间的刚度，C1,C2,CN为各质点间的阻尼，F1T为质点1处的波浪力，为相邻质点的波浪力比值。3如权利要求1所述的波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别方法，其特征在于步骤8中，当时，判断结果为收敛，否则判断结果为不。
5、收敛，其中为第I个质点的物理参数。4如权利要求13中任一项所述的波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别方法，其特征在于待识别的物理参数包括刚度和阻尼。5如权利要求13中任一项所述的波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别权利要求书CN103344397A2/3页3方法，其特征在于步骤1中的结构响应包括位移、速度和加速度。6一种波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别装置，其特征在于包括采集单元，用于采集桥墩中N个质点在外部激励下的结构响应；随机值生成单元，用于随机生成一个桥墩物理参数的初值第一计算单元，用于生成的初值代入式HP，计算得到其中H为响应矩阵，为待识别的桥墩物理参数矩阵，P为。
6、输入向量；第二计算单元，用于得到F1T，2F1T，N1F1T，进而得到N1个F1T；统计平均单元，用于采用统计平均的方法对N1个F1T进行处理，得到修正单元，用于采用对进行修正，得到修正后的第三计算单元，用于根据修正后的利用式计算桥墩物理参数估计值判断单元，用于判断和是否满足收敛条件；指示单元，用于当判断单元的判断结果为否时，将作为桥墩物理参数的初值指示第一计算单元重新执行，直至收敛；输出单元，当判断单元的判断结果为是时，将作为识别出的桥墩物理参数输出。7如权利要求6所述的波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别装置，其特征在于C1C2C3CN1K1K2K3KN1T，其中，X1,X2,XN为。
7、各质点的位移响应，为各质点的速度响应，为各质点的加速度响应，M1,M2,MN为各质点的质量，K1,K2,KN为各质点间的刚度，C1,C2,CN为各质点间的阻尼，F1T为质点1处的波浪力，为相邻质点的波浪力比值。8如权利要求6所述的波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别装置，其特征在于当时，判断结果为收敛，否则判断结果为不收敛，其中为第I个质点的权利要求书CN103344397A3/3页4物理参数。9如权利要求68中任一项所述的波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别装置，其特征在于待识别的物理参数包括刚度和阻尼。10如权利要求68中任一项所述的波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别装。
8、置，其特征在于结构响应包括位移、速度和加速度。权利要求书CN103344397A1/10页5波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别法及装置技术领域0001本发明涉及桥梁墩柱（简称“桥墩”）的物理参数识别，尤其涉及一种波浪荷载和顶部集中荷载都未知时的桥墩物理参数识别方法及装置。背景技术0002跨江、跨海大桥在服役过程中，桥墩在荷载和环境因素的共同作用下性能会逐步退化，虽然退化过程缓慢，但最后造成结构的损坏却有高度的随机性和不可预见性，给安全预警带来相当大的困难，因此检测服役中桥墩的现状，判断桥墩的健康状况以及对桥墩的维护这三者缺一不可。0003在对桥墩的健康检测中，主要是通过对桥墩的物理参数。
9、进行识别，进而根据识别到的物理参数判断桥墩的健康状况，但是现有的物理参数识别方法通常建立在输入信息完备性的假定基础上，其并不适用于跨江、跨海桥梁结构，这是因为在实际检测中，通常以环境激励作为振动荷载，但这些振动荷载的作用位置并不明确，存在测量上的困难，因此输入信息的完备性难以保证，因此,如何在输入信息不完备或未知的条件下识别桥墩的物理结构参数，是目前的难点之一。0004目前，已有学者就桥墩忽略水面以上部分的水平荷载作用，只受到波浪荷载作用下的输入信息部分未知的物理参数识别进行了研究，并取得了一定的成果，但是，桥墩除了承受波浪力的作用外，往往还要承受漂浮物、船只或石块等异物的撞击，因此对外力撞击。
10、下的物理参数识别的研究十分有必要，并且桥梁墩柱在受到波浪激励时，若只考虑惯性力的作用，则桥梁墩柱上各质点受到的波浪力作用时程是时域相关的，因此，桥梁墩柱受波浪激励的模型可以简化为一个典型的在未知顶部集中荷载和未知相邻波浪荷载作用下的多自由度悬臂结构模型，该模型受到的波浪力时程是完全时域相关的。发明内容0005有鉴于此，本发明提供一种波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别方法及装置，具有识别精度高、误差小等优点。0006本发明提供的一种波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别方法，包括0007步骤1，采集桥墩中N个质点在外部激励下的结构响应；0008步骤2，随机生成一个桥墩物理参数的初值0。
11、009步骤3，将步骤2生成的初值代入式HP，计算得到其中H为响应矩阵，为待识别的桥墩物理参数矩阵，P为输入向量；0010步骤4，根据得到F1T，2F1T，N1F1T，进而得到N1个F1T；0011步骤5，采用统计平均的方法对N1个F1T进行处理，得到0012步骤6，采用对进行修正，得到修正后的说明书CN103344397A2/10页60013步骤7，根据修正后的利用式计算桥墩物理参数估计值0014步骤8，判断和是否满足收敛条件；0015步骤9，当步骤8的判断结果为否时，将作为桥墩物理参数的初值返回执行步骤3至步骤8，直至收敛；0016步骤10，当步骤8的判断结果为是时，将作为识别出的桥墩物理参。
12、数输出。0017进一步，C1C2C3CN1K1K2K3KN1T，00180019,0020其中，X1,X2,XN为各质点的位移响应，为各质点的速度响应，为各质点的加速度响应，M1,M2,MN为各质点的质量，K1,K2,KN为各质点间的刚度，C1,C2,CN为各质点间的阻尼，F1T为质点1处的波浪力，为相邻质点的波浪力比值。0021进一步，步骤8中，当时，判断结果为收敛0，否则判断结果为不收敛，其中为第I个质点的物理参数。0022进一步，待识别的物理参数包括刚度和阻尼。0023进一步，步骤1中的结构响应包括位移、速度和加速度。0024本发明还提供了一种波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别装。
13、置，包括0025采集单元，用于采集桥墩中N个质点在外部激励下的结构响应；0026随机值生成单元，用于随机生成一个桥墩物理参数的初值0027第一计算单元，用于生成的初值代入式HP，计算得到其中H为响应矩阵，为待识别的桥墩物理参数矩阵，P为输入向量；0028第二计算单元，用于根据P与各质点力的关系，得到F1T，2F1T，N1F1T，进而得到N1个F1T；说明书CN103344397A3/10页70029统计平均单元，用于采用统计平均的方法对N1个F1T进行处理，得到0030修正单元，用于采用对进行修正，得到修正后的0031第三计算单元，用于根据修正后的利用式计算桥墩物理参数估计值0032判断单元，。
14、用于判断和是否满足收敛条件；0033指示单元，用于当判断单元的判断结果为否时，将作为桥墩物理参数的初值指示第一计算单元重新执行，直至收敛；0034输出单元，当判断单元的判断结果为是时，将作为识别出的桥墩物理参数输出。0035进一步，C1C2C3CN1K1K2K3KN1T003600370038其中，X1,X2,XN为各质点的位移响应，为各质点的速度响应，为各质点的加速度响应，M1,M2,MN为各质点的质量，K1,K2,KN为各质点间的刚度，C1,C2,CN为各质点间的阻尼，F1T为质点1处的波浪力，为相邻质点的波浪力比值。0039进一步，当时，判断结果为收敛，否则判断结果为不收敛，其中为第I个。
15、质点的物理参数。0040进一步，待识别的物理参数包括刚度和阻尼。0041进一步，结构响应包括位移、速度和加速度。0042本发明的有益效果0043本实施例，当桥墩除了承受波浪力之外，顶部还承受集中荷载的作用时，对桥墩的物理参数进行了识别；本实施例的识别方法具有识别精度高、误差小（从具体实施方式中实验数据可以看出）等特性，为桥梁的健康检测提供依据。附图说明0044下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述0045图1是本发明提供的波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别方法的实施例的流程示意图。说明书CN103344397A4/10页80046图2是本发明提供的波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参。
16、数识别装置的实施例的流程示意图。0047图3是孤立墩柱结构简化模型图。0048图4（A）至（F）分别是节点1至节点6上的波浪力的时程曲线。0049图5是无噪声时实际输入顶点集中荷载和反演结果对比图。0050图6是1噪声时实际输入顶点集中荷载和反演结果对比图。0051图7（A）至（F）分别是1噪声时节点1至节点6上的波浪输入与反演结果比较图。具体实施方式0052本发明实施例中，桥墩除了承受波浪力的作用外，还要承受漂浮物、船只或石块等异物的撞击作用，因此对外力撞击下的桥墩物理参数识别具有十分重要的现实意义。桥墩在受到波浪激励时，若只考虑惯性力的作用，则桥梁墩柱上各质点受到的波浪力作用时程是时域相关。
17、的，因此，桥墩受波浪激励的模型可以简化为一个典型的在未知顶部集中荷载和未知相邻波浪荷载作用下的多自由度悬臂结构模型，该模型受到的波浪力时程是完全时域相关的。0053具体的，N个自由度（或N个质点）剪切型结构的动力平衡方程如下00540055其中，X1,X2,XN为各质点的位移响应，为各质点的速度响应，为各质点的加速度响应，M1,M2,MN为各质点的质量，K1,K2,KN为各质点间的刚度，C1,C2,CN为各质点间的阻尼，PT为墩柱结构顶质点的作用的集中荷载时程，F1T,F2T,FNT为各质点上作用的波浪荷载时程。0056假定在识别过程中质量参数及各质点的位移、速度和加速度响应均已知，去掉顶质点。
18、N处的平衡方程，则上式可表示为0057说明书CN103344397A5/10页900580059将上式中的惯性力项移到等式右边整理后得HP。其中H为系统响应矩阵，为待识别的桥参数矩阵，P为系统的输入向量，且0060C1C2C3CN1K1K2K3KN1T006100620063请参考图1，是本发明提供的一种波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识别方法的实施例的流程示意图。其包括0064步骤S11，采集桥墩中N个质点在外部激励下的结构响应。0065此处，将桥墩结构简化为多质点模型，例如6质点模型。需要采集的结构响应包括各质点的位移、速度和加速度；另外，各质点的质量为已知。0066步骤S12，随机。
19、生成一个桥墩物理参数的初值0067实验表明，此处生成的并不影响最终的识别结果，与真实值的接近程序，仅影响收敛时间和收敛步数。0068步骤S13，将步骤S12生成的初值代入式HP，计算得到0069此处，HP已在前述中说明，在此不赘述。0070步骤S14，根据得到F1T，2F1T，N1F1T，进而得到N1个F1T。具体的，可以表示为其中P可以表示为因此可以得到说明书CN103344397A6/10页100071其中，为相邻质点的波浪力比值，且其中，K为波浪频率，且L为波长，ZI为第I质点所在中心离柱底的高度。0072按照上述方式得到的各质点的F1T一般是不等的，因此需要进行后续的统计平均处理。00。
20、73步骤5，采用统计平均的方法对N1个F1T进行处理，得到0074具体的，采用式进行统计平均处理，其中N为自由度或质点数。0075步骤6，采用对进行修正，得到修正后的具体的，修正后的0076步骤7，根据修正后的利用式计算桥墩物理参数估计值0077步骤8，判断和是否满足收敛条件。0078此处，当时，判断结果为收敛，否则判断结果为非收敛。其中，为给定的精度值，例如可以为00002。0079步骤9，当步骤8的判断结果为否时，将作为桥墩物理参数的初值返回执行步骤3至步骤8，直至收敛；0080步骤10，当步骤8的判断结果为是时，将作为识别出的桥墩物理参数输出。0081需要说明的是，在识别出桥墩物理参数之。
21、后，还可以利用识别到的参数反常波浪力。具体的0082首先，利用最终识别出来的参数由多自由度系统的动力方程（不考虑顶点集中荷载）式中M、C、K分别为质量、阻尼和刚度矩阵，FT为外部激励向量，U、分为结构位移、速度、加速度响应向量，可以反演得到除顶点以外的N1个质点实际波浪激励。0083其次，将最终识别出来的参数代入消去顶点的动力平衡方程，可以得到该顶部节点的荷载时程（FNTPTNF1TPT），即顶部的波浪荷载和顶部集中荷载之和时程。再根据得到的N和反演出的波浪时程F1T就可以分离出FNT，从而可以得到顶部集中荷载PT。0084请参考图2，是本发明提供的一种波浪和顶部集中荷载都未知时桥墩物理参数识。
22、说明书CN103344397A107/10页11别装置的实施例的结构示意图。该装置的具体执行过程已在前述中说明，在此仅就其框架结构进行说明，具体的该装置包括0085采集单元1，用于采集桥墩中N个质点在外部激励下的结构响应。0086随机值生成单元2，用于随机生成一个桥墩物理参数的初值0087第一计算单元3，用于生成的初值代入式HP，计算得到其中H为响应矩阵，为待识别的桥墩物理参数矩阵，P为输入向量。0088第二计算单元4，用于根据得到F1T，1F1T，N1F1T，进而得到N1个F1T。0089统计平均单元5，用于采用统计平均的方法对N1个F1T进行处理，得到0090修正单元6，用于采用对进行修正。
23、，得到修正后的0091第三计算单元7，用于根据修正后的利用式计算桥墩物理参数估计值0092判断单元8，用于判断和是否满足收敛条件。0093指示单元9，用于当判断单元的判断结果为否时，将作为桥墩物理参数的初值指示第一计算单元重新执行，直至收敛。0094输出单元10，当判断单元的判断结果为是时，将作为识别出的桥墩物理参数输出。0095下面结合具体的实验继续对本发明实施例进行说明。0096假设某桥墩与基础完全固结，结构模型和各质点的质量见图3所示。已知除了顶节点输入的撞击荷载为FT200SINT/850COS3T/16外，假定该墩柱只考虑惯性力，且各节点相邻的波浪力时程完全相关，各节点的波浪时程见图。
24、4（A）至（F）所示。识别时各节点的位移、速度和加速度响应为已知，从而可构成一个典型未知顶部集中荷载和未知相邻荷载完全时域相关结构识别，并同时反演波浪荷载和顶点集中撞击荷载。首先用NEWARK法进行结构动力仿真计算。取1000采样点，采样点时间间隔为1S，采用瑞利阻尼，并设所有节点质量参数已知，结构的真实参数见表一所示。0097表一0098节点号质量KG阻尼KG/MS刚度N/M107000E0607100E0602200E08207000E0607100E0602200E08307000E0607100E0602200E08说明书CN103344397A118/10页12407000E0607。
25、100E0602200E0850500E0605500E0602200E0860500E0703900E0704000E080099对本例桥墩结构刚度矩阵具有如下形式010001010102由推导出H,P具体矩阵表达式为0103HTHT1,HT2,HT3,HT4,HT5,HT601040105PTPT1PT2PT3PT4PT5PT601060107K1K2K3K4K5K6C1C2C3C4C5C60108假定在识别过程中质量参数及各质点的位移、速度和加速度响应均已知，去掉质点6处的平衡方程，余下的为典型的未知荷载输入的参数识别和荷载反演问题。在不考虑噪声的时候，采用本文方法识别的参数见表一所示。。
26、考虑到实际所得数据含有噪声影响，为说明书CN103344397A129/10页13了检验该算法对噪声影响的敏感程度，在结构所得的响应中加入白噪声的影响来模拟实际所测量的结果，所加的噪声水平按响应的峰值与噪声峰值的百分比确定，主要考虑了1情况下的参数识别和荷载反演。有无噪声下的物理参数识别和作用荷载反演过程和结果如下0109一、无噪声时。0110无噪声情况下的参数识别值和荷载反演列于表二和图5中。0111表二参数识别值列表（无噪声，653步收敛）01120113将反演的物理参数代入原来的动力平衡矩阵方程，可以计算出作用于顶点的波浪力和顶点集中荷载时程（F6TFT），再由顶点波浪力与其它各点DEE。
27、P时域相关（相关系数）可以分离出波浪时程，从而可以识别出顶点集中荷载时程。当顶点荷载F6T）相对集中荷载FT较小时，可以近似认为顶点反演值为集中荷载FT或反之为F6T）。0114由图5和表二可知，在未知顶部荷载和未知风载作用下利用本文方法不仅能准确无误地识别出所有的参数，而且能够完全准确地反演出全部的荷载。0115二、有噪声识别结果0116为考察噪声影响，对测量信息受到1噪声污染的情况进行了识别，结果列于表三和图6及图7（A）至（F）中。由图表可以看出阻尼参数的识别值对测量信息中的误差较为敏感，而波浪荷载时程的反演值所产生的误差较小，节点6处的集中荷载时程的反演值精度较高。0117表三参数识别。
28、值列表（1噪声,迭代613步）01180119在提高噪声的情况下，如噪声为5和10时，识别的阻尼参数误差较大，刚度误差相对较小。该现象反映了识别问题可能具有病态，即对噪声信号的敏感性大。此现象可视说明书CN103344397A1310/10页14为在不适定问题中解不稳定问题，可以通过参数约束的正规化方法进行求解，从而为有顶点集中荷载的桥墩受波浪力作用的物理参数识别和荷载反演提供参考。0120最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。说明书CN103344397A141/7页15图1说明书附图CN103344397A152/7页16图2图3说明书附图CN103344397A163/7页17图4F图5图6说明书附图CN103344397A174/7页18图4A图4B图4C图4D说明书附图CN103344397A185/7页19图4E图7A图7B说明书附图CN103344397A196/7页20图7C图7D说明书附图CN103344397A207/7页21图7E图7F说明书附图CN103344397A21。