CN108108568A - 一种桥梁结构在线安全监测中剔除温度对低频采样指标影响的实时方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁在线安全监测中剔除温度对低频采样指标影响的实时方法，该方法原理清晰，实现方法简便，可以高效地从桥梁监测系统的实测数据中剔除温度效应的影响，得到单纯由活荷载引起的响应，满足桥梁在线安全监测系统的实时预警及状态评估需要。本方法的主要步骤为：1)根据当前时刻之前的n个低频采样指标的实测数据，对其做最小二乘法曲线拟合，得出其变化趋势的拟合公式；2)得到拟合公式后，利用该公式预测当前时刻的温度效应；3)从当前时刻的实测数值中剔除该预测的温度效应。本发明操作简单，高效准确，适用于所有桥梁在线安全监测系统在低频采样指标(如位移、倾角等)的实时温度效应修正处理。

Description

一种桥梁结构在线安全监测中剔除温度对低频采样指标影响 的实时方法

技术领域

本发明属于土木及交通工程的桥梁结构安全监测数据处理技术领域，特别涉及一种桥梁结构在线安全监测中剔除温度对低频采样指标影响的实时方法。

背景技术

作为现代交通运输系统的重要组成部分，桥梁结构的安全稳定是确保交通畅通的基础。然而桥梁的服役期间长，所处环境恶劣复杂，通常会由于维护不当、环境侵蚀和材料老化等因素出现结构损伤，使其安全性发生退化；近些年来，随着我国经济的高速增长，桥梁承载的车流量和重量荷载迅速增加，特别超载车辆上桥，使得桥梁出现结构安全事故的可能性大大增加。因此，研究桥梁结构的安全在线监测及评估方法十分重要。

在桥梁结构在线安全监测系统中，最重要的低频采样指标之一即为桥梁结构的竖向位移(桥型变化)。桥梁在外荷载作用下会产生挠度、位移变形等形变，这些形变与桥梁的承载能力及安全状况有着密切的关系，桥梁位移是桥梁安全监测的重要的组成部分，也是桥梁安全性评价的一项重要指标。但桥梁各处位移变化通常会受到环境因素的影响，其中尤为环境温度变化的影响为大，有日温差与季节温差的特点，对大多数桥梁其引起的位移变化影响相对汽车荷载引起的位移变化来说更大，通常会使得荷载与车辆活载引起的结构形变信息被掩盖，导致桥梁结构的在线安全监测时难以有效地进行安全预警和结构安全评估。因此，有必要研究温度对桥梁结构位移的影响，并将之从桥梁结构的总监测位移中分离，以便进一步确定车辆荷载对结构位移的影响或结构损伤后恒载作用下桥型的变化，以准确评估桥梁结构的安全状况。

另一方面，由于大跨度桥梁结构安全监测系统中的传感器数量多，积累了大量的监测数据，在处理和储存这些海量数据时，要求较高的实时性，因此有必要提出一种简单有效、快速、计算成本较低的温度效应实时修正方法，以便在在线安全监测系统中完成对监测数据的实时处理，及时提出预警、识别结构性能变化并进行安全状态评估。

实际中，已发展了一些从桥梁结构位移响应中分离出环境温度效应成分的方法，如最小二乘拟合法、ARMA时间序列模型法、低通滤波法、经验模态分解法、小波分析法等，但滤波法、经验模态分解法等频域方法不适用于采样频率较低的指标；传统最小二乘拟合法一般拟合监测量时程与温度时程之间的一种映射关系，从而剔除温度效应，监测量随温度波动较大时，在监测量时程曲线极值附近误差较大；ARMA时间序列模型法方法的模型较为复杂，误差相对较大，不能简便准确地在实际监测系统中完成对监测数据的实时处理。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种桥梁在线安全监测中剔除温度对低频采样指标影响的实时方法，通过对实际桥梁的部分位移实测数据的动态处理，验证了本发明提出的修正方法的简单、有效、准确性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种桥梁结构监测中剔除温度对低频采样指标影响的实时方法，包括以下步骤：

1)建立采样点与实测采样数据之间的线性拟合公式为：

其中由于实测采样数据的随时间的整体变化趋势主要受温度影响，因此认为即为低频采样指标中的温度效应值，i为采样点号，b，a为拟合参数，n为采样点的数目；

根据当前时刻采样点之前的n个低频采样指标监测数据，应用最小二乘法确定该段数据时程曲线的线性拟合回归参数，即令函数

的取值最小，求得b，a的估计值，其中Q(b,a)为计算得到的温度效应与实测低频采样指标值之间误差的平方和，D_i实测得到的低频采样指标监测值，由此得出当前的实时最小二乘法曲线拟合公式；

2)将当前时刻的采样点号代入得到的曲线拟合公式，遇到当前时刻采样点的温度效应预测值。当监测系统采集到新的低频采样指标值时，按照上述方法更新曲线拟合公式，用于下一采样点数据的温度效应的预测；

3)用桥梁监测系统采集到的实测低频采样指标值D_i减去拟合预测的温度效应值公式如下：

由此即可有效地将温度效应分离，得到非温度作用引起的指标响应△D_i，实现桥梁在线监测系统中对温度效应的实时剔除，用于后续的桥梁结构的安全预警和状态评估。

指标实测值D_i通过桥梁结构在线监测系统采集得到，通过将采样点号代入当前的曲线拟合公式计算得到。该曲线拟合公式在每次监测系统采集到新的低频采样指标值时进行更新。

所述n的取值根据实际情况决定，取值为3～9个数，对于每隔10分钟采样一次的低频指标，n取为6。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)提出了去除温度对低频采样指标监测数据影响的新方法，使其更为简单、有效、准确。

2)建立了一种动态的剔除温度对低频采样指标影响的实时处理方法，其计算得到的当前时刻的温度效应值始终处于变化状态，能够反应本次采样前几次的实际情况，准确有效。

3)该方法仅需计算一段时间内的低频采样指标监测数据变化趋势的拟合公式，所用样本数据的量较少，操作简便，效率较高，能够对桥梁监测系统的低频采样数据进行实时处理。

附图说明

图1为本发明实施例中位移传感器的布置图。

图2为本发明实施例中监测位移值与预测得到的温度效应值的对比图。

图3为本发明实施例中将温度效应分离后的位移计算结果与实测位移值的对比图。

图4为本发明实施例中各测点之间的修正后位移计算结果统计值比较图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

位移监测数据主要受到环境温度及活荷载两项因素的综合影响，环境温度主要影响位移的长时间变化趋势，活荷载主要使位移产生短时间的突变。由于位移采样数据的随时间的变化趋势主要受温度影响，因此可利用当前时刻之前一段时间中的位移监测数据，对其进行实时的最小二乘曲线拟合，确定该段时间中位移时程曲线的变化趋势，之后将该拟合公式用于预测当前时刻位移监测数据中的温度效应。将该温度效应从总位移监测值中剔除，即可得到由活荷载引起的位移，实现桥梁在线监测中对位移监测数据的实时处理要求，并进行后续的实时预警及安全评估。

本发明的修正方法具体包括以下步骤：

1)建立采样点与实测位移数据之间的线性拟合公式为：

其中由于实测位移数据的随时间的整体变化趋势主要受温度影响，因此认为即为位移中的温度效应值，i为位移采样点号，b，a为拟合参数，n为采样点的数目；

根据当前时刻采样点之前一段时间中的位移监测数据，应用最小二乘法确定该段时间内位移时程曲线的线性拟合回归参数，即令函数

的取值最小，求得b，a的估计值，其中Q(b,a)为计算得到的温度效应与实测位移值之间误差的平方和，D_i实测得到的位移监测值，由此得出当前的实时最小二乘法曲线拟合公式；

2)将当前时刻的采样点号代入得到的曲线拟合公式，遇到当前时刻采样点的温度效应预测值。当监测系统采集到新的位移值时，按照上述方法更新曲线拟合公式，用于下一位移采样点数据的温度效应的预测；

3)用桥梁监测系统采集到的实测位移值D_i减去拟合预测的温度效应值公式如下：

由此即可有效地将温度效应分离，得到由活荷载单独引起的位移响应△D_i，实现在桥梁在线检测系统中对温度效应的实时剔除，用于后续的桥梁安全预警和状态评估。

通过下述实施例对本发明的方法进行验证。

实施例：

繁华大道东延工程起于合肥港进港道路，跨越南淝河及店埠河后横穿循环经济园区，终于接肥东段在建的裕溪路，全长约12.64km，使合肥市南部区域重要的东西向交通大动脉。繁华大道跨南淝河特大桥，长764.5m，宽40.5m，主桥跨径120+160m，双向8车道通行，为独塔双索面塔梁墩固结体系斜拉桥，主塔柱自桥面以上高91m。主梁为预应力混凝土双边箱梁断面，主塔为“扬帆起航”造型，采用钢-混组合式桥塔，下部采用承台及群桩基础。

为了确保桥梁在运营阶段的安全，在主桥上建立结构安全监测系统，主要包括支座位移计、应变计、挠度水准仪、结构表面温度传感器及倾角仪等。静位移采用连通管进行监测，布置图如图1所示。

以某测点的实测位移值进行分析及预测，位移的采样间隔为10分钟，选取当前时刻之前1小时中的所有监测位移数据，即样本数据量取为6。

首先建立当前时刻之前1小时中所有采样点与位移采样数据之间的线性拟合公式为：

由于位移采样数据的随时间的变化趋势主要受温度影响，因此可认为为位移中的温度效应，b,a为拟合参数；

然后根据当前时刻采样点之前一段时间中的低频采样位移监测数据，应用最小二乘法确定该段位移时程曲线的线性拟合回归参数，即令函数

的取值最小，即可求得b,a的估计值，继而得出当前的实时最小二乘法曲线拟合公式。将该公式用于预测当前时刻采样点的温度效应值。应用上述方法，得到的2016年12月21日至12月22日监测位移值与预测得到的温度效应值的时程曲线对比如图2所示。

最后，用总位移监测值减去拟合预测的环境温度效应值，公式如下：

由此即可有效地将环境温度效应分离，得到由荷载单独引起的位移，将其用于桥梁的安全监测和状态评估。

使用上述方法进行温度效应分离后的位移计算结果如图3所示。在桥梁同一侧的各测点之间修正后的位移计算结果统计值分布图如图4所示。可见，采用以上的分析方法将温度效应从结构总的位移中剔除后，余下的位移计算结果能够较为准确地反映活载作用对结构位移的影响，故根据修正后的位移计算结果的变化情况，即可设定相应的评价阈值，进一步进行实时预警并评估桥梁结构的安全状况。

因此，本发明方法可有效地将温度效应分离，得到由非温度作用引起的位移，将其用于桥梁的安全监测和状态评估。

综上，本发明建立了一种动态的剔除温度对低频采样应变影响的实时处理方法，操作简便，准确高效。首先根据当前时刻之前的n个低频采样指标监测数据，对其做最小二乘法曲线拟合，得出其变化趋势的拟合公式；当得到拟合公式后，利用该公式预测当前时刻的温度效应。当监测系统采集到新的低频采样指标值时，按照上述方法更新曲线拟合公式，用于下一采样点数据的温度效应的预测；最后从当前时刻的指标监测值中剔除预测的温度效应。本发明操作简单，高效准确，适用于所有桥梁安全监测系统。实现桥梁在线监测中对低频采样指标监测数据的实时处理要求，并进行后续的实时预警及安全评估。

Claims (3)

1.一种桥梁结构在线安全监测中剔除温度对低频采样指标影响的实时方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立采样点与实测采样数据之间的线性拟合公式为：

<mrow> <msub> <mover> <mi>D</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>b</mi> <mo>+</mo> <mi>a</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>3</mn> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mi>n</mi> </mrow>

其中由于实测采样数据的随时间的整体变化趋势主要受温度影响，因此认为即为低频采样指标中的温度效应值，i为采样点号，b，a为拟合参数，n为采样点的数目；

根据当前时刻采样点之前的n个低频采样指标监测数据，应用最小二乘法确定该段数据时程曲线的线性拟合回归参数，即令函数

<mrow> <mi>Q</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>b</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>D</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>D</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mi>n</mi> </mrow>

的取值最小，求得b，a的估计值，其中Q(b,a)为计算得到的温度效应与实测低频采样指标值之间误差的平方和，D_i实测得到的低频采样指标监测值，由此得出当前的实时最小二乘法曲线拟合公式；

2)将当前时刻的采样点号代入得到的曲线拟合公式，遇到当前时刻采样点的温度效应预测值，当监测系统采集到新的低频采样指标值时，按照上述方法更新曲线拟合公式，用于下一采样点数据的温度效应的预测；

3)用桥梁监测系统采集到的实测低频采样指标值D_i减去拟合预测的温度效应值公式如下：

<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;D</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>D</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>D</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>i</mi> </msub> </mrow>

由此即可有效地将温度效应分离，得到由活荷载单独引起的指标响应△D_i，实现在桥梁在线检测系统中对温度效应的实时剔除，用于后续的桥梁安全预警和状态评估。

2.根据权利要求1所述桥梁结构在线安全监测中剔除温度对低频采样指标影响的实时方法，其特征在于，所述总的指标实测值D_i通过桥梁监测系统采集得到，通过将采样点号代入当前的曲线拟合公式计算得到，该曲线拟合公式在每次监测系统采集到新的低频采样指标值时进行更新。

3.根据权利要求1所述桥梁结构在线安全监测中剔除温度对低频采样指标影响的实时方法，其特征在于，所述n的取值根据实际情况决定，取值为3～9个数，对于每隔10分钟采样一次的低频指标，n取为6。