CN110470422A - 一种基于拉索振动频谱分析的基频优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了桥梁结构数据分析技术领域的一种基于拉索振动频谱分析的基频优化方法，旨在解决现有技术中拉索基频往往由于能量较低而难以识别，导致索力计算误差较大的技术问题。所述方法包括如下步骤：获取拉索的理论基频；采集拉索振动原始数据；对拉索振动原始数据进行功率谱分析，获取拉索振动功率谱频域数据；基于理论基频对拉索振动功率谱频域数据进行频谱分析，获取拉索的实测基频。

Description

一种基于拉索振动频谱分析的基频优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于拉索振动频谱分析的基频优化方法，属于桥梁结构数据分析技术领域。

背景技术

拉索是桥梁结构的重要受力构件，拉索索力的大小，直接关系到桥梁整体结构的受力及变形，因而精确获取索力值对于桥梁安全评估具有重大意义。现有技术中，基频法是拉索频率法计算索力的常用方法，然而在实际测量中，由于各种噪声以及设备精度的影响，使得拉索的基频(即一阶频率)往往由于能量较低而难以识别，导致索力计算误差较大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于拉索振动频谱分析的基频优化方法，以解决现有技术中拉索基频往往由于能量较低而难以识别，导致索力计算误差较大的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于拉索振动频谱分析的基频优化方法，包括如下步骤：

获取拉索的理论基频；

采集拉索振动原始数据；

对拉索振动原始数据进行功率谱分析，获取拉索振动功率谱频域数据；

基于理论基频对拉索振动功率谱频域数据进行频谱分析，获取拉索的实测基频。

进一步地，获取拉索的理论基频，包括：

检测获取成桥索力和索力系数；

根据成桥索力和索力系数，计算获取拉索的理论基频。

进一步地，根据成桥索力和索力系数，计算获取拉索的理论基频，包括：基于弦理论频率法计算获取拉索的理论基频，其计算公式如下：

式中，f_theory,i＝1为拉索的理论基频，T_theory为成桥索力，K为索力系数。

进一步地，所述拉索振动原始数据的采集数量大于10²×F，式中，F为拉索振动原始数据的采样频率。

进一步地，功率谱分析的频率范围为[0，F/2]Hz，式中，F为拉索振动原始数据的采样频率。

进一步地，基于理论基频对拉索振动功率谱频域数据进行频率分析，获取拉索的实测基频，包括：

提取理论基频所对应的预设阶次频率，所述预设阶次频率不少于两个；

基于预设阶次频率和理论基频在拉索振动功率谱频域数据中截取频率区间，所述频率区间不少于两个；

对每个频率区间分别进行拉索频谱分析，提取频率区间内功率谱密度峰值所对应的频率，作为峰值频率；

各峰值频率分别除以其所处频率区间对应预设阶次频率的阶次，构成基频数组；

提取基频数组中最接近理论基频的元素，作为拉索的实测基频。

进一步地，所述预设阶次频率为理论基频所对应的前M阶频率。

进一步地，M＝7。

进一步地，所述预设阶次频率，其表达式如下：

f_{theory,i＝1,2,...,7}＝f_theory,i＝1×i，

式中，f_{theory,i＝1,2,...,7}为预设阶次频率，f_theory,i＝1为理论基频；

基于预设阶次频率和理论基频在拉索振动功率谱频域数据中截取的频率区间，其表达式如下：

[f_theory,i-f_theory,i＝1/2,f_theory,i+f_theory,i＝1/2]。

进一步地，所述基频数组，其表达式如下：

ff_i＝f_measure,i/i,i＝1,2,...,7，

式中，ff_i为基频数组，f_measure,i为峰值频率；

所述实测基频，其表达式如下：

[f_Measure,1,N]＝min(diff)，

其中，_diffi＝|_{ffi-ftheory,i＝1}|_{，i＝1,2,...,7}；

式中，f_Measure,1为拉索的实测基频，N为实测基频对应的阶次，f_theory,i＝1为理论基频，diff_i为基频数组中元素与理论基频差值的绝对值所构成的数组。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明方法通过拉索理论基频划分实测拉索振动数据功率谱频域区间，计算拉索前7阶振动频率，然后将各阶频率除以对应阶次得到拉索基频数组，选择基频数组中最接近理论基频的数值作为实测基频，能够有效解决基频法索力计算过程中，一阶频率峰值难以识别及高阶频率约束条件较多所带来的误差，因而更为高效准确，同时有利于集成算法智能化获取海量拉索振动数据的基频信息，对于索力检测及监测具有重要意义，可以广泛应用于工程实践中。

附图说明

图1是本发明方法实施例中的拉索振动原始数据时程图；

图2是本发明方法实施例中的测点SL-18-01功率谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明具体实施方式提供了一种基于拉索振动频谱分析的基频优化方法，本实施例以郑州黄河公铁两用大桥2017年07月01日凌晨00:00:00-00:00:10共计10分钟内的拉索振动监测数据为例，解析本发明方法的各个步骤。

郑州黄河公铁两用大桥为石郑铁路客运专线及河南省规划的中原黄河公路大桥跨越黄河的共用桥梁，桥位距下游京珠高速公路黄河大桥约6km。规划的中原黄河公路大桥北起河南省新乡市境内原阳县原武镇阎庄，接现国道G107线，向南经原阳县原武镇，跨越黄河，与新建的G107辅道相接。大桥主桥全长1684m，共两联，第一联为120+5x168+120m的六塔连续钢桁结合梁斜拉桥。上层公路桥面宽32.5m，下层铁路桥面为双线客运专线，线间距7m。主桁为三角形桁式，横向三片桁布置，中桁垂直，边桁倾斜。钢桁梁上弦杆与混凝土桥面板结合形成公路结合桥面，下层铁路桥面为正交异性整体钢桥面板。主塔为钢箱结构，纵桥向为“人”字形布置，设置在中桁。公路混凝土桥面板纵横向均为全预应力结构。

拉索振动测点位于5#塔两侧边索及第三根索，选取边索测点SL-18-01监测数据，采样频率F为100Hz，采集时间为10min，在该采集时间内所采集到的数据量为60000＝100×10×60＞10²×F＝10000。

本发明方法包括如下步骤：

步骤一，获取拉索振动原始数据、成桥索力T_theory及索力系数K。

所述拉索振动原始数据为通过边索测点SL-18-01监测获取的索力测试原始数据data，该拉索振动原始数据的时序图如图1所示。为确保精确获得实测基频，一般要求索力测试原始数据data的采集数量n＞10²×F，本实施例中的数据采集数量显然满足此要求。

步骤二，由成桥索力T_theory及索力系数K计算拉索的理论基频。

基于弦理论频率法，拉索的理论基频为：

式中，f_theory,i＝1为拉索的理论基频。

步骤三，基于理论基频截取实测拉索振动功率谱频域数据的频率区间，并计算各个频域区间内功率谱密度峰值对应的频率。

首先，对索力测试原始数据data进行功率谱分析，获取拉索振动功率谱频域数据。功率谱分析的频率范围通常为[0，F/2]Hz。本实施例中，由于F＝100Hz，则功率谱分析的频率范围为[0，50]Hz，功率谱分析获取的测点SL-18-01功率谱如图2所示；

然后，提取理论基频所对应的前7阶频率，即：

f_{theory,i＝1,2,...,7}＝f_theory,i＝1×i，

式中，f_{theory,i＝1,2,...,7}为理论基频所对应的前7阶频率；

接着，利用前7阶频率在拉索振动功率谱频域数据中截取7段用于拉索频谱分析的频率区间，每段频率区间记为：

[f_theory,i-f_theory,i＝1/2,f_theory,i+f_theory,i＝1/2]；

最后，对每个频率区间进行拉索频谱分析，提取频率区间内功率谱密度峰值所对应的频率，即峰值频率；基于频率区间和峰值频率建立频率分析表，具体如表1所示。所述峰值频率记为：f_{measur,i＝1,2,...,7}。

表1：频率分析表

本实施例中，之所以提取理论基频所对应的前7阶频率，是由于拉索前7阶频率相对稳定，能量集中，峰值明显，同时，拉索高阶频率的精度容易受到拉索刚度、约束条件、垂度等因素影响，从而达到准确获得拉索各阶频率，提高计算效率，保证拉索频率识别精度。

步骤四，7段频域区间中的峰值频率分别除以其所处频率区间对应频率阶次，构成基频数组，其表达式如下：

ff_i＝f_measure,i/i,i＝1,2,...,7＝[1.981,1.961,1.962,1.968,1.974,1.998,2.007]Hz，

式中，ff_i为基频数组。

步骤五，提取基频数组中最接近理论基频的元素，作为拉索的实测基频。

先将基频数组ff_i＝f_measure,i/i,i＝1,2,...,7中的元素分别与理论基频f_theory,i＝1做差，再取绝对值，记为：diff_i＝|ff_i-f_theory,i＝1|，i＝1,2,...,7＝[0.007,0.013,0.012,0.006,0.000,0.024,0.033]，式中，diff_i为基频数组中元素与理论基频差值的绝对值所构成的数组；实测基频的表达式，记为：[f_Measure,1,N]＝min(diff)，式中，f_Measure,1为拉索的实测基频，N为实测基频对应的阶次。可以看出，由理论基频与其所对应的第五阶频率，在拉索振动功率谱频域数据中截取的频率区间内功率谱密度峰值所对应的基频，与理论基频的差值为0，因而最为接近。则可以得出，拉索的实测基频为f_Measure,1＝1.974Hz。

本发明方法通过拉索理论基频划分实测拉索振动数据功率谱频域区间，计算拉索前7阶振动频率，然后将各阶频率除以对应阶次得到拉索基频数组，选择基频数组中最接近理论基频的数值作为实测基频，该方法有效解决基频法索力计算过程中，一阶频率峰值难以识别及高阶频率约束条件较多所带来的误差，因而更为高效准确，同时有利于集成算法智能化获取海量拉索振动数据的基频信息，对于索力检测及监测具有重要意义，可以广泛应用于工程实践中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于拉索振动频谱分析的基频优化方法，其特征是，包括如下步骤：

获取拉索的理论基频；

采集拉索振动原始数据；

对拉索振动原始数据进行功率谱分析，获取拉索振动功率谱频域数据；

基于理论基频对拉索振动功率谱频域数据进行频谱分析，获取拉索的实测基频。

2.根据权利要求1所述的基于拉索振动频谱分析的基频优化方法，其特征是，获取拉索的理论基频，包括：

检测获取成桥索力和索力系数；

根据成桥索力和索力系数，计算获取拉索的理论基频。

3.根据权利要求2所述的基于拉索振动频谱分析的基频优化方法，其特征是，根据成桥索力和索力系数，计算获取拉索的理论基频，包括：基于弦理论频率法计算获取拉索的理论基频，其计算公式如下：

式中，f_theory,i＝1为拉索的理论基频，T_theory为成桥索力，K为索力系数。

4.根据权利要求1所述的基于拉索振动频谱分析的基频优化方法，其特征是，所述拉索振动原始数据的采集数量大于10²×F，式中，F为拉索振动原始数据的采样频率。

5.根据权利要求1所述的基于拉索振动频谱分析的基频优化方法，其特征是，功率谱分析的频率范围为[0，F/2]Hz，式中，F为拉索振动原始数据的采样频率。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于拉索振动频谱分析的基频优化方法，其特征是，基于理论基频对拉索振动功率谱频域数据进行频率分析，获取拉索的实测基频，包括：

提取理论基频所对应的预设阶次频率，所述预设阶次频率不少于两个；

基于预设阶次频率和理论基频在拉索振动功率谱频域数据中截取频率区间，所述频率区间不少于两个；

对每个频率区间分别进行拉索频谱分析，提取频率区间内功率谱密度峰值所对应的频率，作为峰值频率；

各峰值频率分别除以其所处频率区间对应预设阶次频率的阶次，构成基频数组；

提取基频数组中最接近理论基频的元素，作为拉索的实测基频。

7.根据权利要求6所述的基于拉索振动频谱分析的基频优化方法，其特征是，所述预设阶次频率为理论基频所对应的前M阶频率。

8.根据权利要求7所述的基于拉索振动频谱分析的基频优化方法，其特征是，M＝7。

9.根据权利要求8所述的基于拉索振动频谱分析的基频优化方法，其特征是，所述预设阶次频率，其表达式如下：

f_{theory,i＝1,2,...,7}＝f_theory,i＝1×i，

式中，f_{theory,i＝1,2,...,7}为预设阶次频率，f_theory,i＝1为理论基频；

基于预设阶次频率和理论基频在拉索振动功率谱频域数据中截取的频率区间，其表达式如下：

[f_theory,i-f_theory,i＝1/2,f_theory,i+f_theory,i＝1/2]。

10.根据权利要求8所述的基于拉索振动频谱分析的基频优化方法，其特征是，所述基频数组，其表达式如下：

ff_i＝f_measure,i/i,i＝1,2,...,7，

式中，ff_i为基频数组，f_measure,i为峰值频率；

所述实测基频，其表达式如下：

[f_Measure,1,N]＝min(diff)，

其中，diff_i＝|ff_i-f_theory,i＝1|，i＝1,2,...,7；

式中，f_Measure,1为拉索的实测基频，N为实测基频对应的阶次，f_theory,i＝1为理论基频，diff_i为基频数组中元素与理论基频差值的绝对值所构成的数组。