CN107066748A - 一种用于桥梁风致振动监测的无线传感器布设方法 - Google Patents
一种用于桥梁风致振动监测的无线传感器布设方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种用于桥梁风致振动监测的无线传感器布设方法,该方法首先基于桥梁有限元模型和规范风谱模拟风场,采用桥梁风致振动响应时域计算方法,计算得到桥梁的风致振动响应;在此基础上计算各可选测点对桥梁风致振动的贡献度,绘制各可选测点的贡献度曲线,选取贡献度曲线的峰值点和谷值点作为关键测点布置无线传感器;进一步在各关键测点之间以及关键测点与数据处理中心的数据汇聚节点之间均匀布置尽可能少的中继测点,最终实现桥梁风致振动监测的无线传感器布设。本发明具有操作简单、易于实现的优点,提高了传感数据采集的代表性和传输的可靠性,具有广阔的工程应用前景。
Description
技术领域
本发明属于土木工程和桥梁监测领域,具体涉及一种用于桥梁风致振动监测的无线传感器布设方法。
背景技术
桥梁是现代化交通系统的关键节点,是一个国家基础设施不可分割的重要组成,也是一个国家经济发展不可或缺的重要支撑。为了满足地区的经济发展和交通出行需求,大量的千米级缆索支撑桥梁在全国各地建成并投入使用,如北盘江大桥、苏通大桥、润扬大桥、杭州湾大桥、西堠门大桥等。这些桥梁具有跨度大、结构柔、桥塔高和重量轻的特点,风荷载作用下的振动响应成为影响行车舒适性和结构安全性的主要因素之一。不仅如此,我国邻近太平洋,台风频繁登陆并引起桥梁结构的剧烈振动,甚至造成桥梁结构的应力和变形超过材料极限,威胁结构安全。因此,有必要对桥梁结构在风荷载作用下的振动响应进行长期实时监测,进而把握桥梁结构在风荷载作用下的振动响应规律,保障桥梁结构在风荷载作用下的安全。
无线传感网络采用无线电波进行数据传输,不需要数据传输导线,具有成本低、体积小、效率高等优点,多跳数据传输模式能够实现监测数据的远距离传输,已成为桥梁振动响应监测的重要手段之一。然而,由于桥梁监测成本和数据传输容量的限制,用于桥梁结构风致振动监测的无线传感器数量非常有限,无法对桥梁结构所有自由度的振动响应进行监测。不仅如此,桥梁在风荷载作用下的振动响应随时间不断变化,具有很强的随机性,不同时刻不同位置的振动响应存在很大差异。因此,如何选择无线传感器的布设位置,既能保证无线传感器能够捕捉桥梁的典型风致振动响应,又能保证无线传感器的测量数据能够可靠传输至数据处理中心,成为桥梁风致振动监测需要解决的首要问题。但是,目前的振动传感器布设方法并不能用于桥梁风致振动监测的无线传感器布设。首先,已有的振动传感器布设方法仅考虑了桥梁在环境激励下的振动响应。然而,桥梁风致振动响应与环境激励下的振动响应相比,存在很大的不同,基于既有振动传感器布设方法选取的测点并不能准确反映桥梁风致振动响应的特征。其次,已有的振动传感器布设方法均针对有线传感器,不考虑测点之间的距离。对于无线传感器,由于采用电池供电,单个传感器的数据传输距离较短,既有振动传感器布设方法无法保证无线传感网络的连通性。因此,从以上两方面考虑,亟待提出一种用于桥梁风致振动监测的无线传感器布设方法,为桥梁风致振动监测提供技术支撑。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种用于桥梁风致振动监测的无线传感器布设方法,它能从桥梁成千上万的可选测点中优选风致振动响应最剧烈的位置进行无线传感器布设,同时保证布设于优选测点的无线传感器组成连通的无线传感网络,使振动监测数据能够可靠传输至数据处理中心。
技术方案:为解决上述技术问题,本发明的一种用于桥梁风致振动监测的无线传感器布设方法的具体技术方案为:
(1)基于被测桥梁的设计图纸,采用梁单元和杆单元建立被测桥梁的有限元模型,被测桥梁可选测点位置与有限元模型的节点位置一致,假定有限元模型的节点总数为M,则被测桥梁可选的用于风致振动监测的测点数量也为M;
(2)根据被测桥梁所处的地理位置和桥梁设计规范,选定用于该桥设计的风谱模型,利用谐波叠加法模拟被测桥梁桥址区的风场,风场样本长度为N;
(3)结合有限元模型和模拟风场,利用风致振动时域计算方法,计算得到被测桥梁在风荷载作用下的振动响应;
(4)构造桥梁风致振动响应矩阵Φ,Φ为
Φ=(φ1,φ2,…,φN) (1)
其中,φi(i=1,2,…,N)表示第i个时刻被测桥梁的风致振动响应向量;
(5)计算各可选测点对被测桥梁风致振动响应的贡献度,所有可选测点的贡献度组成贡献度向量E,贡献度向量E的计算公式为:
E=diag(ΦΦT) (2)
其中,diag(·)表示选取矩阵的对角元,上标T表示矩阵转置;
(6)绘制贡献度向量E与可选测点坐标向量X的变化曲线,本发明称为贡献度曲线;
(7)根据被测桥梁的现场情况和养护管理要求,选定数据处理中心服务器的位置,在数据处理中心服务器位置设置无线传感网络的数据汇聚节点Ss,数据汇聚节点Ss与数据处理中心服务器通过导线连接;
(8)选取贡献度曲线的峰值点和谷值点作为关键测点,在所有关键测点上布置无线传感器;
根据关键测点与数据汇聚节点Ss的距离,由远及近将关键测点上的无线传感器依次编号为S1,S2,…,SW,W为关键测点的数量;
(9)选用与关键测点上无线传感器完全相同的无线传感器作为中继测点,根据关键测点的空间坐标计算各关键测点之间的距离,确定中继测点的数量,保证无线传感网络的连通性,中继测点数量的计算公式为:
其中,Pk表示关键测点k(k=1,2,…,W-1)和关键测点k+1之间的中继测点的数量,dk,k+1表示关键测点k和关键测点k+1之间的距离,dmax表示单个无线传感器的最大传输距离,表示向下取整;
(10)将中继测点均匀布置于关键测点之间的可选测点上;
(11)计算关键测点SW与数据汇聚节点Ss之间的中继测点的数量Pw,Pw的计算公式为:
其中,dW,s表示关键测点SW与数据汇聚节点Ss之间的距离;
(12)将Pw个中继测点均匀布置于关键测点SW与数据汇聚节点Ss之间的可选测点上;
(13)累计关键测点和中继测点的数量,得到桥梁风致振动监测所需的无线传感器数量;整理关键测点、中继测点和数据汇聚节点的位置,得到桥梁风致振动监测的无线传感器布设方案。
有益效果:针对桥梁风致振动监测无线传感器布设的工程难题,本发明提出一种用于桥梁风致振动监测的无线传感器布设方法。利用有限元模型和规范谱模拟风场计算得到桥梁的风致振动时域响应,进一步计算桥梁所有可选测点对风致振动响应的贡献,选择贡献最大的测点作为关键测点进行无线传感器布设,保证无线传感器能有效捕捉桥梁的最大风致振动响应。利用中继测点实现关键测点之间的数据转发,实现无线传感网络的连通性,保证无线传感器的监测数据能可靠传输至数据处理中心。
本发明不仅能够保证无线传感器捕捉到桥梁的最大风致振动响应,还能保证无线传感网络的监测数据能够可靠传输至数据处理中心,同时,为桥梁风致振动的无线传感监测提供了有效手段。
本发明采用流程化设计,操作简单,便于工程人员进行桥梁风致振动监测的无线传感器布设,使无线风致振动监测技术能很好的服务于桥梁结构运营,因此具有广阔的工程应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图;
图2是本发明所述实施例涉及的悬索桥有限元模型;
图3是本发明所述实施例涉及的悬索桥跨中节点模拟竖向脉动风时程;
图4是本发明所述实施例涉及的悬索桥跨中节点竖向风致振动响应时程;
图5是本发明所述实施例涉及的悬索桥主梁可选测点的风致振动贡献度曲线;
图6是本发明所述实施例涉及的悬索桥关键测点和数据汇聚节点;
图7是本发明所述实施例涉及的悬索桥关键测点、数据汇聚节点和中继测点;
图8是本发明所述实施例涉及的悬索桥风致振动监测的无线传感器布设方案。
具体实施方式
实施例:
如图1所示,本实施例的一种用于桥梁风致振动监测的无线传感器布设方法,包括以下步骤:
(1)基于被测桥梁的设计图纸,采用梁单元和杆单元建立被测桥梁的有限元模型,被测桥梁可选测点位置与有限元模型的节点位置一致,假定有限元模型的节点总数为M,则被测桥梁可选的用于风致振动监测的测点数量也为M;
(2)根据被测桥梁所处的地理位置和桥梁设计规范,选定用于该桥设计的风谱模型,利用谐波叠加法模拟被测桥梁桥址区的风场,风场样本长度为N;
(3)结合有限元模型和模拟风场,利用风致振动时域计算方法,计算得到被测桥梁在风荷载作用下的振动响应;
(4)构造桥梁风致振动响应矩阵Φ,Φ为
Φ=(φ1,φ2,…,φN) (1)
其中,φi(i=1,2,…,N)表示第i个时刻被测桥梁的风致振动响应向量;
(5)计算各可选测点对被测桥梁风致振动响应的贡献度,所有可选测点的贡献度组成贡献度向量E,贡献度向量E的计算公式为:
E=diag(ΦΦT) (2)
其中,diag(·)表示选取矩阵的对角元,上标T表示矩阵转置;
(6)绘制贡献度向量E与可选测点坐标向量X的变化曲线,本发明称为贡献度曲线;
(7)根据被测桥梁的现场情况和养护管理要求,选定数据处理中心服务器的位置,在数据处理中心服务器位置设置无线传感网络的数据汇聚节点Ss,数据汇聚节点Ss与数据处理中心服务器通过导线连接;
(8)选取贡献度曲线的峰值点和谷值点作为关键测点,在所有关键测点上布置无线传感器;
根据关键测点与数据汇聚节点Ss的距离,由远及近将关键测点上的无线传感器依次编号为S1,S2,…,SW,W为关键测点的数量;
(9)选用与关键测点上无线传感器完全相同的无线传感器作为中继测点,根据关键测点的空间坐标计算各关键测点之间的距离,确定中继测点的数量,保证无线传感网络的连通性,中继测点数量的计算公式为:
其中,Pk表示关键测点k(k=1,2,…,W-1)和关键测点k+1之间的中继测点的数量,dk,k+1表示关键测点k和关键测点k+1之间的距离,dmax表示单个无线传感器的最大传输距离,表示向下取整;
(10)将中继测点均匀布置于关键测点之间的可选测点上;
(11)计算关键测点SW与数据汇聚节点Ss之间的中继测点的数量Pw,Pw的计算公式为:
其中,dW,s表示关键测点SW与数据汇聚节点Ss之间的距离;
(12)将Pw个中继测点均匀布置于关键测点SW与数据汇聚节点Ss之间的可选测点上;
(13)累计关键测点和中继测点的数量,得到桥梁风致振动监测所需的无线传感器数量;整理关键测点、中继测点和数据汇聚节点的位置,得到桥梁风致振动监测的无线传感器布设方案。
下面以一大跨悬索桥主梁的竖向风致振动监测为例,说明如何实现桥梁风致振动监测的无线传感器布设。
基于该桥的设计图纸,建立该桥的有限元模型,如图2所示。主梁采用梁单元模拟,划分为93个节点,由北向南依次编号为1,2,...,93,相邻节点之间的距离为16.1m。根据该桥所处的地理位置,选定用于该桥设计的风谱模型,利用谐波叠加法模拟被测桥梁桥址区的风场,风场样本长度为3600,跨中节点的竖向脉动风时程如图3所示。进行该桥的风致振动响应时域分析,计算得到该桥主梁的竖向风致振动响应,跨中节点的竖向风致振动响应时程如图4所示。
构造桥梁竖向风致振动响应矩阵Φ,计算该桥主梁竖向风致振动响应的贡献度向量E,绘制竖向风致振动响应的贡献度曲线,如图5所示。
根据该桥的特点,选择在主梁南端与桥塔交接位置设置数据处理中心服务器,数据汇聚节点Ss位于主梁南端,对应的有限元模型节点编号为93,如图6所示。选择贡献度曲线的峰值点和谷值点作为关键测点,并布置无线传感器,编号依次为S1、S2、S3、S4、S5,对应的有限元模型节点的编号为21、39、47、55、73、93,如图6所示。
各关键测点之间的距离d1、d2、d3、d4分别为289.8m、128.8m、128.8m、289.8m。假定选用的无线传感器的最大传输距离为80m,计算各关键测点之间的中继测点的数量,P1、P2、P3、P4分别为3、1、1、3。将中继测点均匀布置于关键测点之间,如图7所示。关键测点S5与数据汇聚节点Ss之间的距离为322m,计算关键测点S5与数据汇聚节点Ss之间的中继测点的数量,P5等于4,均匀布置4个中继测点在关键测点S5与数据汇聚节点Ss之间,如图7所示。
累计关键测点和中继测点的数量,该桥竖向风致振动监测所需的无线传感器数量为17个;整理关键测点、中继测点和数据汇聚节点的位置,得到该桥竖向风致振动监测的无线传感器布设方案,如图8所示。
Claims (2)
1.一种用于桥梁风致振动监测的无线传感器布设方法,其特征在于:首先基于桥梁有限元模型和规范风谱模拟风场,采用桥梁风致振动响应时域计算方法,计算得到桥梁的风致振动响应;在此基础上计算各可选测点对桥梁风致振动的贡献度,绘制各可选测点的贡献度曲线,选取贡献度曲线的峰值点和谷值点作为关键测点布置无线传感器;进一步在各关键测点之间以及关键测点与数据处理中心的数据汇聚节点之间均匀布置尽可能少的中继测点,最终实现桥梁风致振动监测的无线传感器布设。
2.根据权利要求1所述的一种用于桥梁风致振动监测的无线传感器布设方法,其特征在于包括以下步骤:
第一步,基于被测桥梁的设计图纸,采用梁单元和杆单元建立被测桥梁的有限元模型,被测桥梁可选测点位置与有限元模型的节点位置一致,假定有限元模型的节点总数为M,则被测桥梁可选的用于风致振动监测的测点数量也为M;
第二步,根据被测桥梁所处的地理位置和桥梁设计规范,选定用于该桥设计的风谱模型,利用谐波叠加法模拟被测桥梁桥址区的风场,风场样本长度为N;
第三步,结合有限元模型和模拟风场,利用风致振动时域计算方法,计算得到被测桥梁在风荷载作用下的振动响应;
第四步,构造桥梁风致振动响应矩阵Φ,Φ为
Φ=(φ1,φ2,…,φN) (1)
其中,φi(i=1,2,…,N)表示第i个时刻被测桥梁的风致振动响应向量;
第五步,计算各可选测点对被测桥梁风致振动响应的贡献度,所有可选测点的贡献度组成贡献度向量E,贡献度向量E的计算公式为:
E=diag(ΦΦT) (2)
其中,diag(·)表示选取矩阵的对角元,上标T表示矩阵转置;
第六步,绘制贡献度向量E与可选测点坐标向量X的变化曲线,作为贡献度曲线;
第七步,根据被测桥梁的现场情况和养护管理要求,选定数据处理中心服务器的位置,在数据处理中心服务器位置设置无线传感网络的数据汇聚节点Ss,数据汇聚节点Ss与数据处理中心服务器通过导线连接;
第八步,选取贡献度曲线的峰值点和谷值点作为关键测点,在所有关键测点上布置无线传感器;
根据关键测点与数据汇聚节点Ss的距离,由远及近将关键测点上的无线传感器依次编号为S1,S2,…,SW,W为关键测点的数量;
第九步,选用与关键测点上无线传感器完全相同的无线传感器作为中继测点,根据关键测点的空间坐标计算各关键测点之间的距离,确定中继测点的数量,保证无线传感网络的连通性,中继测点数量的计算公式为:
其中,Pk表示关键测点k(k=1,2,…,W-1)和关键测点k+1之间的中继测点的数量,dk,k+1表示关键测点k和关键测点k+1之间的距离,dmax表示单个无线传感器的最大传输距离,表示向下取整;
第十步,将中继测点均匀布置于关键测点之间的可选测点上;
第十一步,计算关键测点SW与数据汇聚节点Ss之间的中继测点的数量Pw,Pw的计算公式为:
其中,dW,s表示关键测点SW与数据汇聚节点Ss之间的距离;
第十二步,将Pw个中继测点均匀布置于关键测点SW与数据汇聚节点Ss之间的可选测点上;
第十三步,累计关键测点和中继测点的数量,得到桥梁风致振动监测所需的无线传感器数量;整理关键测点、中继测点和数据汇聚节点的位置,得到桥梁风致振动监测的无线传感器布设方案。
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