CN105404708B - 基于实测加速度的大跨度桥梁结构外界时段激励评价方法 - Google Patents

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Abstract

基于实测加速度的大跨度桥梁结构外界时段激励评价方法，首先由桥梁结构上设置的加速度采集单元、应变/应力采集单元进行数据采集，提取出桥梁结构健康监测系统的加速度采集单元的加速度数据，经过滤波去噪处理；其次将一天24小时数据按照小时进行划分，一共分成24个时段；再次针对24个时段的数据进行振动的均方根处理；每个时段计算出来的数据进行累加即24个数据进行累加；继而利用每个时段结果和累加的24个数据结果，推算出每个时段振动比例，提供一种使用范围广，测量精度高的大跨度桥梁结构外界时段激励评价方法。可广泛应用于大型建筑、隧道等常见的重大基础设施的结构健康监测。

Description

基于实测加速度的大跨度桥梁结构外界时段激励评价方法
一、技术领域
本发明涉及一种结构外界时段激励评价方法，涉及到大跨度桥梁的结构健康监测，具体是一种基于实测加速度的大跨度桥梁结构外界时段激励评价方法。
二、背景介绍
大跨度桥梁的结构健康监测在桥梁的管理和养护过程中发挥着重要的作用。结构健康监测数据是分析桥梁结构损伤以及外界激励作用的重要参考。传统的结构损伤判断较为简单，仅仅通过有限元分析工具来模拟外界激励以及桥梁响应，然而激励的不确定性以及随机性很难精确模拟，激励对桥梁结构的作用影响较大，模拟不准确往往会造成对桥梁的结构健康状态评价不够精确。
采用基于桥梁结构健康监测的实测数据来分析桥梁结构损伤是一种在实际外界激励条件下的评价方法，结论具有可靠性和说服力。采用加速度均方根值以及函数逼近方法来评价外界激励的时段响应具有准确解决外界激励不确定性和随机性的作用。对于桥梁的科学管理和维护工作，具有积极作用。
三、发明内容
本发明的目的在于，提供一种使用范围广，测量精度高的大跨度桥梁结构外界时段激励评价方法，该方法只需将时刻带入拟合函数或者曲线进行计算即可实时得出任何时刻外界激励对桥梁结构状态的振动影响。该方法还可广泛应用于大型建筑、隧道等常见的重大基础设施的结构健康监测。
本发明的目的是这样实现的：基于实测加速度的大跨度桥梁结构外界时段激励评价方法，首先由桥梁结构上设置的加速度采集单元、应变/应力采集单元进行数据采集，将桥梁结构健康监测系统的加速度采集单元的加速度数据提取出来，并经过滤波去噪处理；其次将一天24小时数据按照小时进行划分，一共分成24个时段；再次针对24个时段的数据进行振动的均方根(RMS)处理，计算RMS处理结果。每个时段计算出来的数据进行累加即24个数据进行累加；继而利用每个时段结果和累加的24个数据结果，推算出每个时段振动比例，通过图形方式描述出振动比例变化趋势图；最后通过高斯逼近方法，计算出拟合函数的各阶参数，从而可以推导出拟合函数以及拟合曲线。根据拟合函数或者拟合曲线，可以计算任意时刻外界激励的变化规律以及振动RMS比例,从而可以更好的评价外界激励对桥梁结构状态变化的作用规律。
所述的均方根(RMS)处理，是指对每个时段的数据进行均方根值计算，公式如下：
其中Xi代表这个时间段内所有的加速度数值，N代表这个时间段内采集到的加速度个数，Xrms代表计算出来的加速度有效值。
所述的每个时段振动比例值，各时段的振动有效值除以所有时段累加值来计算的，公式如下：
其中R(i)代表计算出的个时段振动比例值，Xrms(i)代表第i个时段的加速度有效值。
所述的高斯逼近方法通过如下公式来计算，
f(x)＝a1*exp(-((x-b1)/c1)^2)+a2*exp(-((x-b2)/c2)^2)+
a3*exp(-((x-b3)/c3)^2)+a4*exp(-((x-b4)/c4)^2)+
a5*exp(-((x-b5)/c5)^2)+a6*exp(-((x-b6)/c6)^2)
其中f(x)代表拟合函数；a1,a2,a3,a4,a5,a6；b1,b2,b3,b4,b5,b6；c1,c2,c3,c4,c5,c6分别代表各阶参数，实际应用中可以通过具体原始数值拟合出来。
基于实测加速度的大跨度桥梁结构外界时段激励评价方法，所述的桥梁结构健康监测系统包括数据采集模块，信号调理模块，光纤转换模块及收发器，以及监控中心；其中数据采集模块包括加速度采集单元，应变/应力采集单元，温湿度采集单元以及位移采集单元等等；数据采集单元完成的任务包括数据的采集工作，数据的抗混叠滤波工作，数据的终端传输(有线和无线均可)至信号调理单元，信号调理单元用于数据的数字化工作，包括一个16位以上模数转换器；光纤转换模块及收发器用于将数字化信号转换为光信号并通过光纤传输至监控中心；监控中心用于数据图形化，数据统计分析，数据建模，结构健康状态评价等等工作。应变/应力采集单元是应力分布式光纤监测系统，包括分布式传感光缆；分布式传感光缆敷设于桥梁的梁柱应力处。
温湿度采集单元用于修订加速度采集单元、应变/应力采集单元数据。
本发明的有益效果包括：(1)采用结构健康监测系统的实测数据，解决了传统有限元模拟数据的不精确性；(2)提出了采用RMS方法将原始数据进行时域振动分析，解决了振动有效值计算问题；(3)采用高斯逼近方法，提出了基于高斯概率密度函数来拟合曲线，将离散数值连续化，并计算出函数参数，从而可以实现计算任何时段的振动RMS比例；(4)通过本发明的创造，可快速实现桥梁结构健康监测的评价，以及将外界激励进行科学统计；(5)可根据本发明，对车载荷进行有针对性的控制和调节。提供一种使用范围广，测量精度高的大跨度桥梁结构外界时段激励评价方法。该方法可实时计算任何时刻外界激励对桥梁结构状态的振动比例与影响。该方法还可广泛应用于大型建筑、隧道等常见的重大基础设施的结构健康监测。
四、附图说明
图1是本发明结构健康监测系统构架图；
图2是本发明所述结构健康监测24小时加速度数据；
图3是本发明的系统工作流程图；
图4是将24小时数据进行RMS处理，并比例化的结果；
图5是将RMS比例曲线进行高斯逼近，并拟合出的曲线。
五、具体实施案例
下面结合附图和具体实例对本发明做详细阐述，但本系统应用范围不限于此例。
结合图1，桥梁结构健康监测系统数据类型一般包括加速度、应变/应力、温湿度、以及位移等等。其中加速度和应变/应力是结构状态分析的两个重要的参数。系统架构一般包括采集单元，信号调理单元，光纤收发单元以及监控中心。采集单元可以通过有线或者无线方式传输，内部集成抗混叠滤波器保证原始数据的准确性。信号调理单元会对原始数据进行滤噪处理以及数字化处理等工作。光纤收发单元将数据从桥梁传输到远端的监控中心。监控中心进行复杂的数据分析，曲线拟合，以及其他结构健康状态评价工作等等。
加速度采集单元：加速度传感器(SD1221)置于桥梁振动幅度较大或者易于发生结构损伤的区域；应变/应力采集单元(DRA-107A)往往布置在桥梁关键焊接节点处，用于实时焊接节点的应力监测，最终实现节点的疲劳寿命预测；温湿度采集单元(SHM-A)用于修订加速度采集、应变/应力采集单元数据漂移；位移采集单元(M-DVRT)用于采集桥梁关键部件的变形和位移数据。
结合图2和图3，为某大桥结构健康监测系统提供在外界激励作用下的实测桥梁加速度数据，该数据经过滤波去噪处理后，对数据进行时间段分割(比如1小时)，以一天加速度数据为例，共分割成24个时间段，分别为00:00-01:00，01:00-02:00,02:00-03:00等等，将这些时间段数据分别进行均方根(RMS)处理，得出该段数据有效值。
其中Xi代表这个时间段内所有的加速度数值，N代表这个时间段内采集到的加速度个数，Xrms代表计算出来的加速度有效值。
然后计算24段数据的累价值，最后根据每段数据有效值和累计值计算出各时段振动比例值，最后可以画出比例值的趋势图，供工程人员参考。
其中R(i)代表计算出的个时段振动比例值，Xrms(i)代表第i个时段的加速度有效值。
结合图4，可以得出该大桥每24小时各个时段的振动所占比例规律，也反映了外界激励的不断变化规律。首先由于02:00-05:00大客车和货车禁止在高速公路和大桥上通行以及大部分驾驶员处于睡眠当中，此时段振动所占比例最小。06:00之后比例逐渐增大，但会出现多次波动。振动比例在16:00-17:00时间段达到最大。随后会逐步降低。
结合图5，根据图4所示，可以计算出每小时时间段的数据，再进一步分割，可以逐步精确到每分钟时间段，以及每秒时间段的分析结果。但是，这样分析较为复杂，计算速度较慢，而且很难得出任意时刻的振动比例。基于这样考虑，本发明采用高斯逼近方法，以高斯概率密度函数来拟合各时间段振动比例结果。拟合函数根据图4结果计算如下：
f(x)＝0.04205*exp(-((x-17.21)/2.579)^2)+0.0473*exp(-((x-6.478)/3.482)^2)
+0.04354*exp(-((x-12.72)/2.769)^2)+0.04367*exp(-((x-22.75)/3.689)^2)
+0.01224*exp(-((x-10.18)/0.7339)^2)+0.03394*exp(-((x-1.299)/1.611)^2)
拟合曲线如图5所示。根据以上公式，可以计算任意时刻振动比例，从而可以有效评价外界激励的时段差异性，有助于运营部门科学管理和养护。

Claims (1)

1.基于实测加速度的大跨度桥梁结构外界时段激励评价方法，其特征是首先由桥梁结构上设置的加速度采集单元、应变/应力采集单元进行数据采集，提取出桥梁结构健康监测系统的加速度采集单元的加速度数据，经过滤波去噪处理；其次将一天24小时数据按照小时进行划分，一共分成24个时段；再次针对24个时段的数据进行振动的均方根RMS处理，计算RMS处理结果；每个时段计算出来的数据进行累加即24个数据进行累加；继而利用每个时段结果和累加的24个数据结果，推算出每个时段振动比例，通过图形方式描述出振动比例变化趋势图；最后通过高斯逼近方法，计算出拟合函数的各阶参数，从而推导出拟合函数以及拟合曲线；
根据拟合函数或者拟合曲线，计算任意时刻外界激励的变化规律以及振动RMS比例,从而评价外界激励对桥梁结构状态变化的作用规律；
所述的均方根处理，是指对每个时段的数据进行均方根值计算，公式如下：
其中Xi代表这个时间段内所有的加速度数值，N代表这个时间段内采集到的加速度个数，Xrms代表计算出来的加速度有效值；
所述的每个时段振动比例值为各时段的振动有效值除以所有时段累加值来计算的，公式如下：
其中R(i)代表计算出的各时段振动比例值，Xrms(i)代表第i个时段的加速度有效值；
所述的高斯逼近方法通过如下公式来计算，
f(x)＝a1*exp(-((x-b1)/c1)^2)+a2*exp(-((x-b2)/c2^2)+
a3*exp(-((x-b3)/c3)^2)+a4*exp(-((x-b4)/c4)^2)+
a5*exp(-((x-b5)/c5)^2)+a6*exp(-((x-b6)/c6)^2)
其中f(x)代表拟合函数；a1，a2，a3，a4，a5，a6；b1，b2，b3，b4，b5，b6；
c1，c2，c3，c4，c5，c6分别代表各阶参数，实际应用中能通过具体原始数值拟合出来。
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