CN108229022B - 一种桥梁结构在线安全监测中剔除温度对高频采样指标影响的实时方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种桥梁结构在线安全监测中剔除温度对高频采样指标影响的实时方法，该方法原理清晰，方法简便，可高效地从桥梁在线监测系统的实测数据中实时剔除温度效应影响，从而满足桥梁在线安全监测系统的实时安全预警及结构状态评估需要。主要步骤为：1)确定时间间隔T，T的取值根据桥梁结构桥面系竖向第一振型对应周期大小确定；2)每隔T时间段，根据之前‑T～0时段的高频采样指标的实测数据，计算监测值的平均值εa；3)从0～T时段内的高频采样实测数值中减去εa，即可实时完成对实测数据的温度修正；4)当T时间段结束后，重复2～3步，之后以此类推。本发明适用于所有桥梁在线安全监测系统中高频采样指标(如应变、动挠度等)的实时温度效应修正处理。
Description
技术领域
本发明属于土木及交通工程的桥梁结构在线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高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，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监测及评估方法十分重要。
在桥梁结构安全监测中，最重要的高频采样指标之一即为桥梁结构的应变。应变是桥梁结构安全监测的关键参数之一。通过应变监测，可以对桥梁结构进行安全预警和状态评估。但桥梁结构各处的应变通常会受到环境因素的影响，其中，温度是影响监测点应变的主要环境因素，温度作用会产生较大的温度应变，且随日温差与季节温差变化出现明显的波动性，导致监测信号中恒载和活载引起的结构应变信息被掩盖，同时使得桥梁结构在线安全监测系统中预先设置的应变预警阈值无法实现有效预警，无法有效识别超载车辆的影响并实时预警。因此，有必要实时确定桥梁结构监测应变中的温度效应影响并从结构的总应变中分离；同时可将实时分离出的温度效应的应变与其他荷载的应变预警阈值叠加，实现动态应变预警阈值的设置。
另一方面，由于大跨度桥梁结构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、成本较低的温度效应实时修正方法，以便在监测系统中完成对监测数据的实时处理，及时预警、识别动荷载并进行安全状态评估。
实际中，已发展了一些从桥梁结构应变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，但对于工程实践而言，已有方法的模型和操作步骤过于复杂，计算过程较为繁琐，不能简便有效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结构监测中剔除温度对高频采样指标影响的实时方法，通过对实际桥梁的应变实测数据的处理，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：
1)确定时间间隔T。时间T的长短受桥梁结构动力特征、设计车辆荷载与车辆行驶速度等因素影响，取值介于3分钟到15分钟之间，根据桥梁结构桥面系竖向第一振型对应周期大小确定，当系竖向第一振型对应周期小于2s时，T不小于第一振型对应周期的200倍，且不小于3分钟；当系竖向第一振型对应周期大于10s时，T不小于第一振型对应周期的40倍，中间线性插值。
2)对应新的时间段T(0～T)，根据之前T时间段内(-T～0)的高频采样指标的实测数据，计算指标监测值的平均值εa：
式中，εi为上一个T时间段中(-T～0)所测得的指标监测值，i为采样点号，n为采样点总数。该平均值εa即为应用于当前T时间段(0～T)的该指标的温度效应值；
3)在0～T时段内，从当前时刻的指标监测值ε中减去该平均值εa从当前时刻的指标监测值ε中减去该平均值εa，公式如下：
△ε＝ε-εa
由此即可实时从实测指标监测值中将温度效应分离，得到由活荷载单独引起的指标响应△ε；
4)在当前T时间段结束后，根据当前T时间段中的高频采样指标的实测数据，计算监测值的平均值，作为应用于下一个T时间段中(T+0～T+T)的温度效应，之后以此类推。
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△Di，实现在桥梁在线监测系统中对温度效应的实时剔除，用于桥梁结构在线安全预警、超载车辆预警和安全状态评估。
本方法计算量小，效率较高，能够简单有效地实现在桥梁在线安全监测系统中实时剔除温度效应对高频监测指标的影响，用于桥梁结构在线安全预警、超载车辆预警和安全状态评估。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)提出了去除温度对高频采样应变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高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，能够反应实际情况，准确有效。
3)该方法仅需每隔T时间段计算上一个T时间段中的高频采样指标监测数据平均值，不需要大量样本数据，操作简便，效率较高，能够对桥梁监测系统的高频采样数据进行实时处理。
附图说明
图1实测应变监测值的时程曲线与温度效应时程曲线对比。
图2实测应变时程与使用上述方法剔除温度效应后的应变时程进行对比。
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。
由于温度对应变的影响，实际应变监测数据中存在“零偏”现象，即由于温度变化，导致测量到的应变信号在无外界荷载激励的情况下存在偏移，不在零值处。由于较短的一段时间内，外界温度不会发生过大的变化，因此可认为在当前时刻及其之前较短的一段时间内的所有应变监测数据点均较零值偏移了同一个值A。由于外界荷载的作用是随机的，因此该时间段中的所有应变监测数据点应围绕A值波动，且由于应变指标的采样频率高，该时间段内采集的监测数据量足够多，因此可认为该时间段内所有应变监测数据的平均值εa即为当前时刻的偏移值A，亦即为当前时刻总应变监测数据中的由温度引起的温度效应值。将εa从总应变监测值中剔除，即可得到由活荷载引起的应变，实现桥梁在线监测中对应变监测数据的实时处理要求，用于桥梁结构在线安全预警、超载车辆预警和安全状态评估。
本发明的修正方法具体包括以下步骤：
1)确定时间间隔T。时间T的长短受桥梁结构动力特征、设计车辆荷载与车辆行驶速度等因素影响，取值介于3分钟到15分钟之间，根据桥梁结构桥面系竖向第一振型对应周期大小确定，当系竖向第一振型对应周期小于2s时，T不小于第一振型对应周期的200倍，且不小于3分钟；当系竖向第一振型对应周期大于10s时，T不小于第一振型对应周期的40倍，中间线性插值。
2)对应新的时间段T(0～T)，根据之前T时间段内(-T～0)的高频采样指标的实测数据，计算指标监测值的平均值εa：
式中，εi为上一个T时间段中(-T～0)所测得的指标监测值，i为采样点号，n为采样点总数。该平均值εa即为应用于当前T时间段(0～T)的该指标的温度效应值；
3)在0～T时段内，从当前时刻的指标监测值ε中减去该平均值εa从当前时刻的指标监测值ε中减去该平均值εa，公式如下：
△ε＝ε-εa
由此即可实时从实测指标监测值中将温度效应分离，得到由活荷载单独引起的指标响应△ε；
4)在当前T时间段结束后，根据当前T时间段中的高频采样指标的实测数据，计算监测值的平均值，作为应用于下一个T时间段中(T+0～T+T)的温度效应，之后以此类推。
通过下述实施例对本发明的方法进行验证。
实施实例：
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。
以某测点在2016年12月22日的实测主梁应变值进行分析及预测。由于较短的一段时间内，外界温度不会发生过大的变化，因此可认为在当前时刻及其之前较短的一段时间内的所有应变监测数据点均较零值偏移了同一个值A。对于本实施例中的桥梁，桥面系的第一竖向振型对应周期为1.7s，T值应不小于第一振型对应周期的200倍，且不小于3分钟，最终取计算温度效应的间隔T为7分钟，即将前7分钟时间段内的应变监测指标平均值作为后7分钟时间段内的温度效应值。
首先每隔7分钟，根据之前7分钟时间段内的高频采样应变监测数据，实时计算应变监测值的平均值εa：
然后从当前时刻的总应变监测值中减去该平均值εa，公式如下：
△ε＝εi-εa
式中，εi为当前时刻之前7分钟时间段内所测得的总应变监测值。可将该平均值εa作为当前7分钟时间段内的温度效应值。在7分钟结束后，再更新该平均值，之后以此类推。应用上述方法，得到的2016年12月22日实测应变监测值的时程曲线与温度效应时程曲线对比如图1所示。
由此即可有效地将环境温度效应分离，得到由活荷载单独引起的应变，实现在桥梁在线安全监测系统中实时剔除温度对应变的影响。
以2016年12月22日0时至0时15分时间段内的应变监测数据为例，将实测应变时程与使用上述方法剔除温度效应后的应变时程进行对比，如图2所示。可见，采用以上的分析方法将温度效应从结构总的应变中剔除后，余下的应变较好地反映了活载作用对结构应变的影响，故根据此应变的变化情况，即可设定相应的评价阈值，进一步进行桥梁结构在线安全预警、超载车辆预警和安全状态评估。
因此，本发明方法可有效地将温度效应分离，得到由荷载单独引起的应变，将其用于桥梁结构在线安全预警、超载车辆预警和安全状态评估。
综上，本发明建立了一种动态的剔除温度对高频采样指标影响的实时处理方法，操作简便，准确高效。首先确定时间间隔T的取值，之后每隔T时间段，根据之前T时间段内的高频采样指标的实测数据，计算监测值的平均值εa；然后将该平均值εa作为当前T时间段内的温度效应，从当前时刻的实测数值中对其加以剔除，即可实时完成对实测数据的温度修正；在当前T时间段结束后，根据本次T时间段的高频采样指标的实测数据，计算监测值的平均值εb，作为下一个T时间段的温度效应，之后以此类推。由此可以简单有效地实现桥梁结构在线安全监测中对高频采样指标监测数据的实时处理要求，用于桥梁结构在线安全预警、超载车辆预警和安全状态评估。
Claims (1)
1.一种桥梁结构在线安全监测中剔除温度效应对高频采样指标影响的实时处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定时间间隔T
2)对应新的时间段T，即0～T时间范围内，根据上一个T时间段，即-T～0时间范围内的高频采样指标的实测数据，计算指标监测值的平均值εa：
式中，εi为上一个T时间段中所测得的指标监测值，i为采样点号，n为采样点总数，该平均值εa即为应用于当前T时间段，即0～T时间范围内的该指标的温度效应值；
3)在0～T时段内，从当前时刻的指标监测值ε中减去该平均值εa，公式如下：
Δε＝ε-εa
由此即可实时从实测指标监测值中将温度效应分离，得到由活荷载单独引起的指标响应Δε；
4)在当前T时间段结束后，根据当前T时间段中的高频采样指标的实测数据，计算0～T时段内监测值的平均值，作为应用于下一个T时间段即T+0～T+T时间范围内的温度效应，之后以此类推；
所述T的长短受桥梁结构动力特征、设计车辆荷载与车辆行驶速度影响，T的取值介于3分钟到15分钟之间，根据桥梁结构桥面系竖向第一振型对应周期大小确定，当桥面系竖向第一振型对应周期小于2s时，T不小于第一振型对应周期的200倍，且不小于3分钟；当桥面系竖向第一振型对应周期大于10s时，T不小于第一振型对应周期的40倍，中间线性插值；
由此即可有效地将温度效应分离，得到由车辆活荷载引起的指标响应ΔDi，实现在桥梁结构在线安全监测系统中对温度效应的实时剔除，用于实时的桥梁安全预警、超载车辆预警和安全状态评估。
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