CN107192447A - 一种搜索结构物振动频率的窄带搜峰法 - Google Patents

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张宇峰
杨超
杨迪
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Abstract

本发明提供的一种搜索结构物振动频率的窄带搜峰法，包括以下步骤：测定结构物的振动数据，并对结构物的振动数据进行频域变换，获得结构物的振动频谱，根据已知结构物的各阶振动频率，对频谱进行窄带划分，在窄带内搜索频率峰值，即可获得结构物实际的各阶振动频率。本发明的窄带搜峰法可以搜索结构物的多阶振动频率，可利用计算机等现代工具或人工搜索快速获得结构物的振动频率，操作方便，计算方法简单，结果准确。

Description

一种搜索结构物振动频率的窄带搜峰法
技术领域
本发明属于土木结构工程监测领域，特别涉及一种搜索结构物振动频率的窄带搜峰法。
背景技术
随着我国桥梁数量的迅速增长和桥梁运营环境的日趋复杂严苛，桥梁工程的安全问题日益突出。据不完全统计，1999～2016年期间我国共发生桥梁垮塌事故50余起，造成了巨大的生命财产损失和恶劣的社会影响。桥梁结构的安全正受到政府和社会日益广泛的关注。
施工监控是确保桥梁等大型结构在施工或使用阶段完美体现设计思路的一种手段，随着桥梁等大型结构的跨度、结构型式的很大突破，常规的计算或测量手段已经很难准确地得出结构在各种工况下的受力状况，必须引入监控作辅助控制手段，在桥梁等大型结构的施工中起着指导和调整施工顺序的作用。施工监控主要有两个方面：施工监测和施工控制，施工监测不但可以保证桥梁等大型结构在施工过程中的安全而且施工监测的结果也为施工控制提供数据，而施工控制就是在施工全过程进行有效的控制，保证成结构线形和内力满足设计要求。施工监测主要包括挠度观测、温度效应观测、应力应变观测(通过应变片测应变)、预应力观测(对于预应力结构)、索力观测(包括斜拉桥拉索、悬索桥、吊杆拱桥吊杆张拉力、钢管拱吊装扣索索力值)、结构的振动观测(包括振动幅值、振动频率、振动模态)等。
结构健康监测(structure health monitoring，简称SHM)是土木工程学科发展的一个重要领域。结构健康监测是通过对结构物理力学性能，及其所处环境进行监测，实时或间断地监控结构的整体或局部行为，对结构的损伤位移和程度进行诊断，对结构的服役情况、可靠度、耐久性和承载能力进行智能评估，为结构在突发事件下或结构使用状况严重异常时触发预警信号，为结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导。结构健康监测技术是一个多领域跨学科的综合性技术，涉及到土木工程、动力学、材料学、传感技术、测试技术、信号分析技术、计算机技术、网络通信技术、模式识别技术等多个研究方向。
振动频率是结构物的自身特性，一般不会随着外界环境和荷载变化的影响，振动频率是结构物的质量分布和刚度分布的函数，能够反映结构物整体健康状况的参数。当结构物的振动频率发生了变化，则说明结构物的质量分布和刚度分布发生了变化，即结构物出现了损伤，因此结构物的振动频率是大型桥梁必须监测的重要指标，也是评价桥梁结构健康状况的重要参数。
针对当前结构健康监测技术的快速发展，海量的监测数据需要及时地进行处理，从中挖掘出结构的状态信息，就需要充分利用计算机，通过算法设计与程序开发，使得计算机能够对海量监测数据进行自动化地处理。本发明的方法就适用于计算机自动化处理结构物的振动数据，获得结构物的多阶振动频率。
发明内容
技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种搜索结构物振动频率的窄带搜峰法。
技术方案：本发明提供的一种搜索结构物振动频率的窄带搜峰法，包括以下步骤：
步骤1，利用振动传感器测定结构物的振动数据，即结构物的时域振动数据；
步骤2，对结构物的时域振动数据进行频域变换，获得结构物的振动频谱；
步骤3，根据已知的结构物的振动频率，标记为fi *，其中，i表示振动频率的阶数，i取值为连续的自然数，i＝1,2,3······，对频谱进行窄带划分，确定各阶振动频率的窄带邻域(fi *(1-ε),fi *(1+ε))，其中2ε为窄带邻域的宽度；
步骤4，在窄带邻域(fi *(1-ε),fi *(1+ε))内搜索获得峰值，峰值对应的频率fi即为结构物实际的第i阶振动频率。
其中，步骤2中，频域变换方法为傅里叶变换。
其中，步骤3中，窄带的位置根据已知的结构物的各阶振动频率确定，已知的结构物的各阶振动频率可以是理论计算结果(例如，采用有限元模型方法计算获得)，或者是该结构物的历史振动频率数据；而由于有限元模型的简化、柔性绳索使用的损耗等原因，已知的柔性拉索的各阶振动频率可能会与当前的实际振动频率有所差异。
其中，步骤3中，窄带的宽度ε取值在3-5％之间，可以根据实际情况确定，也可以根据经验确定。
有益效果：本发明的窄带搜峰法可以搜索结构物的多阶振动频率，可利用计算机等现代工具或人工搜索快速获得结构物的振动频率，操作方便，计算方法简单，结果准确。
具体而言，本发明相对于现有技术具有以下突出的优势：
(1)计算方法简单，操作方便，便于理解，结果准确；
(2)本方法便于计算机程序实现，便于计算机快速批处理；
(3)本方法能够搜索结构物的多阶振动频率，能够根据先验知识获得当前实际的振动频率；
附图说明
图1为某座大桥某根拉索15分钟内的加速度时程曲线；
图2为柔性绳索的振动频谱图。
具体实施方式
下面对本发明窄带搜峰法搜索振动频率的方法做出进一步说明。
实施例1
窄带搜峰法搜索振动频率，步骤如下：
步骤1，利用振动传感器测定结构物的振动数据，即结构物的时域振动数据，如图1所示，是某座大桥某根拉索15分钟内的加速度时程曲线；
步骤2，对结构物的时域振动数据进行频域变换，变换方法利用离散傅里叶变换，获得结构物的振动频谱，见图2所示，变换公式如下：
其中，x(n)是离散的加速度时程数据列，n是加速度数据点的序号，N是加速度时程数据列的数据量，即采样点的个数，本例中，采样频率为20Hz，采样时长为15分钟，则采样点数为N＝15*60*20＝18000，j是虚数，X(k)是变换后的频域数据列，k是频域数据点的序号；
步骤3，根据已知的结构物的振动频率，标记为fi *，其中i＝1,2,3······，其中，i表示频率的阶数，对频谱进行窄带划分，确定各阶频率的窄带邻域(fi *(1-ε),fi *(1+ε))，其中2ε为窄带邻域的宽度，ε可根据经验确定，本例中取5％；
本例中，已知的柔性拉索的各阶振动频率根据历史振动数据分析得到，fi *见表1所示；
步骤4，在窄带领域(fi *(1-ε),fi *(1+ε))内搜索获得峰值fi；fi即为结构物实际的第i阶振动频率。
本例中，根据历史数据分析得到的fi见表1所示。
表1
阶数 fi *(Hz) fi(Hz) 绝对误差(Hz) 相对误差(％)
1 0.3501 0.3500 -0.0001 -0.03
2 0.7003 0.7011 0.0008 0.11
3 1.0501 1.0511 0.0010 0.10
4 1.3921 1.3988 0.0067 0.48
5 1.7491 1.7456 -0.0035 -0.20
6 2.0916 2.0933 0.0017 0.08
7 2.4562 2.4522 -0.0040 -0.16
8 2.7953 2.7933 -0.0020 -0.07
9 3.1453 3.1478 0.0025 0.08
10 3.4981 3.4989 0.0008 0.02
11 3.8565 3.8514 -0.0051 -0.13
12 4.2016 4.2003 0.0038 0.08
13 4.5429 4.5489 0.0060 0.13
14 4.9032 4.9033 0.0001 0.00
15 5.2598 5.2544 -0.0054 -0.10
16 5.6109 5.6022 -0.0087 -0.16
17 5.9511 5.9522 0.0011 0.02
18 6.2899 6.2911 0.0012 0.02
…… …… …… …… ……
本发明方法的准确性和可靠性通过了实桥试验验证：
表1是某座大桥某根索的振动频率，其中fi *是人工识别的历史频率，fi是利用本发明方法搜索到的实测频率，它们的绝对误差不超过0.01Hz，相对误差不超过0.5％，完全符合工程精度要求，说明本方法的准确性较高。

Claims (4)

1.一种搜索结构物振动频率的窄带搜峰法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，测定结构物的振动数据，即结构物的时域振动数据；
步骤2，对结构物的时域振动数据进行频域变换，获得结构物的振动频谱；
步骤3，根据已知的结构物的振动频率，标记为fi *，其中，i表示振动频率的阶数，i取值为连续的自然数，对频谱进行窄带划分，确定各阶振动频率的窄带邻域(fi *(1-ε),fi *(1+ε))，其中2ε为窄带邻域的宽度；
步骤4，在窄带邻域(fi *(1-ε),fi *(1+ε))内搜索获得峰值，峰值对应的频率fi即为结构物实际的第i阶振动频率。
2.根据权利要求1所述的一种搜索结构物振动频率的窄带搜峰法，其特征在于：步骤2中，频域变换方法为傅里叶变换。
3.根据权利要求1所述的一种搜索结构物振动频率的窄带搜峰法，其特征在于：步骤3中，窄带的位置根据已知的结构物的各阶振动频率确定；已知的结构物的各阶振动频率可以是理论计算结果，或者是该结构物的历史振动频率数据。
4.根据权利要求1所述的一种搜索结构物振动频率的窄带搜峰法，其特征在于：步骤3中，窄带的宽度ε取值在3-5％之间。
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