CN103983692A - 一种用于挡土墙结构系统的损伤预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于挡土墙结构系统的损伤预警方法，属于挡土墙监测技术领域。该预警方法包括以下步骤：步骤一：通过自动激励装置对挡土墙进行瞬时激励；步骤二：通过传感器获取挡土墙动力响应信号并传送给信号接收装置；步骤三：通过计算机对接收信号进行小波包处理；步骤四：对小波包处理后的信号进行分析，判断挡土墙是否发生损伤。该方法具有灵敏度高、成本低、操作简便等特点，而且与同类的无损诊断方法相比，对局部损伤有很好的辨识能力，能够有效地对挡土墙进行损伤预警，可广泛用于各类岩土支挡结构，在未来具有很大的应用空间。

Description

一种用于挡土墙结构系统的损伤预警方法

技术领域

本发明属于挡土墙监测技术领域，涉及一种用于挡土墙结构系统的损伤预警方法。 

背景技术

目前，绝大多数建筑物损伤识别方法都是针对结构构件、建筑结构、桥梁结构等，而针对岩土支挡结构的损伤诊断方法相对较少。岩土支挡结构(挡土墙)是指支撑路基填土或山坡土体、防止填土或土体变形失稳的构造物。现有的岩土支挡结构损伤识别方法主要是基于动力参数法，但是对于岩土支挡结构而言，局部损伤对其动力参数(如自振频率、振型特征等)的影响很微弱，而且往往只对结构的高阶振型有影响。并且由于现有技术的限制，这些变化一般也是很难检测的。 

因此，目前急需一种操作方便、可靠性高的用于挡土墙结构系统的损伤预警方法。同时，根据结构动力学方程：挡土墙结构系统在外界动力荷载激励下，挡土墙会产生动力响应(位移、速度、加速度)。挡土墙的局部损伤会导致挡土墙结构系统刚度K的降低，因此在外界动力荷载激励下，挡土墙损伤前后的动力响应会发生变化，即在外界激励下，挡土墙损伤前后的动力响应将产生差异，通过结构动力响应来反映结构损伤。本发明基于这样的思想，结合小波包分析理论，对挡土墙结构系统的动力响应信号进行处理，并在小波包损伤特征向量的基础上，实现了对挡土墙结构系统的损伤诊断和预警。 

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种成本低、灵敏度高、操作方便的用于挡土墙结构系统的损伤预警方法，该方法基于小波包能量谱的损伤识别方法可以敏感地识别结构损伤，并具有良好的抗噪声干扰能力。而且该方法属于无损检测方法，不会对结构造成损坏，属于无损诊断方法范畴。 

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案： 

一种用于挡土墙结构系统的损伤预警方法，所述预警方法包括以下步骤：步骤一：通过自动激励装置对挡土墙进行瞬时激励；步骤二：通过传感器获取挡土墙动力响应信号并传送给信号接收装置；步骤三：通过计算机对接收信号进行小波包处理；步骤四：对小波包处理 后的信号进行能量谱分析，确定特征频带；步骤五：定义损伤特征向量{DI_k}，判断挡土墙是否发生损伤，计算损伤程度。 

进一步，在步骤三中，通过计算机对接收信号进行小波包处理，具体包括： 

31)对最初无损的挡土墙和运营期挡土墙的动力响应信号进行多尺度小波包变换，得到各个频带的系数,并进行单支重构,得到各个子频带动力响应信号f′_j； 

32)对子频带信号分量f′_j按频带由低到高进行排序，得到一个按频带升序排列的子频带信号{f_j}。 

进一步，在步骤四中，对小波包处理后的信号进行能量谱分析，具体包括： 

41)计算子频带信号序列{f_j}中各子频带上的能量E_j占总能量的百分比，得到小波包频带能量比谱{I′_j}； 

42)对频带能量比谱{I′_j}按能量比由高到低进行排序，得到一个新的频带能量比谱{I_j}； 

43)确定特征频带向量{I_k}。 

进一步，在步骤43)确定特征频带中，选择无损挡土墙结构信号的前m个较大能量比的频带和剩余频带作为特征频带，并定义剩余频带的能量比

进一步，在步骤五中，定义损伤特征向量，判断挡土墙是否发生损伤，当挡土墙发生损伤时，进一步判断挡土墙的损伤程度，其具体步骤如下： 

51)定义损伤特征向量DI_k＝|I_ku-I_kd|，其中I_ku表示挡土墙结构无损时，第k个特征频带的能量比；I_kd表示挡土墙结构运营期间，第k个特征频带的能量比； 

52)定义挡墙损伤预警指标监测挡墙运行期间ISD走势曲线，判断挡土墙是否损伤，计算损伤程度。 

本发明的有益效果在于：本方法针对挡土墙这类支挡结构，基于小波包现代信号分析技术，通过创建损伤特征向量，分析挡土墙在外界激励力作用下的动力响应，通过结构动力响应的差异来反映挡土墙是否存在损伤，以及损伤程度。该方法具有高灵敏度、低成本、操作简便等特点，并且不会对挡土墙造成损坏。而且与同类的无损识别方法相比，该方法对局部损伤较为敏感，能够较好地识别局部损伤，这是优于其他损伤识别方法的。对于各类挡土墙结构，如悬臂式挡墙、板肋式挡墙、锚拉式挡墙、重力式挡墙等支挡结构，该方法都可适用。 因此该方法可广泛用于各类岩土支挡结构的健康诊断和损伤预警，在未来具有很大的应用空间。 

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明： 

图1为本发明所述方法的原理框图； 

图2为判断挡土墙是否存在损伤以及损伤程度的流程图； 

图3为实施例中无损挡土墙结构特征向量谱； 

图4为实施例中有损挡土墙结构特征向量谱； 

图5为实施例中有损无损挡土墙结构特征向量谱对比示意图； 

图6为损伤特征向量谱； 

图7为不同损伤情况ISD走势图。 

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。 

图1为本发明所述方法的原理框图，图2为判断挡土墙是否存在损伤以及损伤程度的流程图，如图所示：本发明所述的预警方法包括以下步骤：步骤一：通过自动激励装置对挡土墙进行瞬时激励；步骤二：通过传感器获取挡土墙动力响应信号并传送给信号接收装置；步骤三：通过计算机对接收信号进行小波包处理；步骤四：对小波包处理后的信号进行能量谱分析，确定特征频带向量；步骤五：定义损伤特征向量{DI_k}，判断挡土墙是否发生损伤，计算损伤程度。 

下面通过实施例对本方法进行具体说明。 

在步骤三中，通过计算机对接收信号进行小波包处理，具体包括： 

31)对最初无损的挡土墙和运营期挡土墙的动力响应信号f′进行i层多尺度小波包分解，得到各个频带的系数,再进行单支重构,得到各个子频带动力响应信号f′_j： 

$f^{\′}=\mathrm{\Σ}{f}_j^{\′}=f_1^{\′}+f_2^{\′}+\·\·\·+f_{2^i}^{\′},(j=\mathrm{1,2},\·\·\·,2^i)---\left(1\right)$

式(1)中f′_j表示第j个子频带上的结构动力响应信号分量。 

32)经小波包分解得到的信号频带原始排列既不是升序排列，也非降序排列，所以先按每个子频带信号{f′_j}按主频由低到高进行排序，得到一个按升序排列的频带信号序列{f_j}。 

在步骤四中，对小波包处理后的信号进行能量谱分析，具体包括： 

41)计算子频带信号序列{f_j}中各子频带上的能量E_j占总能量的百分比，得到小波包频带能量比谱{I′_j}。首先计算{f_j}中各子频带上的能量E_j： 

E_j＝Σ|f_j,h|²  (h＝1,2,…,l)               (2) 

上式中，l为采样点个数，然后计算各子频带上的能量比I_j： 

$I_j=E_j/\underset{j=1}{\overset{2^i}{\mathrm{\Σ}}}{E}_j---\left(3\right)$

于是，响应信号{f_j}的小波包频带能量比谱{I′_j}为： 

$\left\{I_j^{\′}\right\}={\left[\begin{array}{cccccc}{I}_1^{\′}& I_2^{\′}& \·\·\·& I_j^{\′}& \·\·\·& I_{2^i}^{\′}\end{array}\right]}^T---\left(4\right)$

42)对频带能量比谱{I′_j}按能量比由高到低进行排序，得到一个新的频带能量比谱{I_j}： 

$\left\{I_j\right\}={\left[\begin{array}{cccccc}{I}_1& I_2& \·\·\·& I_j& \·\·\·& I_{2^i}\end{array}\right]}^T---\left(5\right)$

43)为了有效地反映能量在频带上的变化，引入一个阈值ε(取0.85～0.95)，确定{I_j}前m个能量较大的频带，满足下式： 

$\underset{J=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_j\≥\mathrm{\ϵ}---\left(6\right)$

识别挡土墙结构的损伤，除了{I_j}中的前m个频带外，剩余频带对损伤识别的贡献也是不可忽略的。所以，定义剩余频带的能量比得到特征频带向量{I_k}： 

{I_k}＝[I₁I₂…I_mI_m+1]^T              (7) 

例如，对一完好挡土墙的加速度动力响应信号进行8层小波包变换，可以得到2⁸＝256个子频带。图3为无损挡土墙结构的特征频带向量谱；图4为有损挡土墙结构的特征频带向量谱。 

在步骤五中，定义损伤特征向量，判断挡土墙是否发生损伤，当挡土墙发生损伤时，进一步判断挡土墙的损伤程度，其具体步骤如下： 

51)定义损伤特征向量{DI_k} 

首先定义第k个特征频带的能量比差值DI_k： 

DI_k＝|I_ku-I_kd|       (k＝1,2…m+1)           (8) 

I_ku表示结构无损时，第k个特征频带的能量比；I_kd表示结构有损时，第k个特征频带的能量比。于是，定义损伤特征向量{DI_m+1}为： 

{DI_k}＝[DI₁DI₂…DI_m+1]^T       (9) 

52)定义挡墙损伤预警指标绘制挡墙运行期间ISD走势曲线，判断挡土墙是否损伤，计算损伤程度。 

当挡土墙结构发生损伤时，损伤前后同一个特征频带的能量比会有差别，它使某些特征频带能量比减小，或使得另外一些特征频带能量比增大,如图5所示。可以认为结构无损时的动力响应信号经过小波包变换得到的第k个特征频带对应的能量比I_ku代表一种平均水平，而有损结构的动力响应信号经过小波包变换得到的第k个特征频带对应的能量比I_kd则围绕I_ku浮动。因此，用损伤特征向量{DI_m+1}等于零向量时，挡土墙结构没有损伤；当{DI_m+1}为非零向量时，挡土墙结构存在损伤。图6为损伤特征向量谱。 

损伤往往引起挡土墙结构弹性模量的降低，图7是弹模变化时对应的ISD走势曲线。假设无损挡土墙的弹模为Ec，而有损时的挡土墙的弹模为Es。可以用Ec/Es的比值来衡量挡土墙的损伤程度。Ec/Es的比值越小，损伤程度越低；Ec/Es的比值越大，损伤程度越高。 

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。 

Claims (5)

1.一种用于挡土墙结构系统的损伤预警方法，其特征在于：所述预警方法包括以下步骤：

步骤一：通过自动激励装置对挡土墙进行瞬时激励；

步骤二：通过传感器获取挡土墙动力响应信号并传送给信号接收装置；

步骤三：通过计算机对接收信号进行小波包处理；

步骤四：对小波包处理后的信号进行能量谱分析，确定特征频带向量；

步骤五：定义损伤特征向量{DI_k}，判断挡土墙是否发生损伤，计算损伤程度。

2.根据权利要求1所述的一种用于挡土墙结构系统的损伤预警方法，其特征在于：在步骤三中，通过计算机对接收信号进行小波包处理，具体包括：

31)对最初无损的挡土墙和运营期挡土墙的动力响应信号进行多尺度小波包变换，得到各个频带的系数,并进行单支重构,得到各个子频带动力响应信号f′_j；

32)对子频带信号分量f′_j按频带由低到高进行排序，得到一个按频带升序排列的子频带信号{f_j}。

3.根据权利要求2所述的一种用于挡土墙结构系统的损伤预警方法，其特征在于：在步骤四中，对小波包处理后的信号进行能量谱分析，具体包括：

41)计算子频带信号序列{f_j}中各子频带上的能量E_j占总能量的百分比，得到小波包频带能量比谱{I′_j}；

42)对频带能量比谱{I′_j}按能量比由高到低进行排序，得到一个新的频带能量比谱{I_j}；

43)确定特征频带向量{I_k}。

4.根据权利要求3所述的一种用于挡土墙结构系统的损伤预警方法，其特征在于：在步骤43)确定特征频带中，选择无损挡土墙结构信号的前m个较大能量比的频带和剩余频带作为特征频带，并定义剩余频带的能量比

5.根据权利要求1所述的一种用于挡土墙结构系统的损伤预警方法，其特征在于：在步骤五中，定义损伤特征向量，判断挡土墙是否发生损伤，当挡土墙发生损伤时，进一步判断挡土墙的损伤程度，其具体步骤如下：

51)定义损伤特征向量DI_k＝|I_ku-I_kd|，其中I_ku表示挡土墙结构无损时，第k个特征频带的能量比；I_kd表示挡土墙结构运营期间，第k个特征频带的能量比；

52)定义挡墙损伤预警指标监测挡墙运行期间ISD走势曲线，判断挡土墙是否损伤，计算损伤程度。