CN113420452B - 地基微振动设计载荷确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了地基微振动设计载荷确定方法，包括如下步骤：开展地基特定深度下多个位置的不间断振动测试，获取各测点的微振动时域信号；采用制定合理判据和算法，对时域振动信号中的异常干扰脉冲进行有效剔除；对剔除异常干扰后的数据去除零漂，开展功率谱密度分析，获得测试数据的功率谱密度包络；在计算获得的功率谱密度包络基础上按照一定规则提升载荷量级，获得地基微振设计载荷。本发明为精密仪器装置的建筑结构提供地基微振载荷的确定方法，为其选址、振动响应分析、技术指标评估提供更为真实合理的载荷输入。

Description

地基微振动设计载荷确定方法

技术领域

本发明涉及结构动力学技术领域，尤其涉及一种地基微振动设计载荷确定方法。

背景技术

对于微振动敏感的设备设施(如精密光学装置)，为准确评估地基微振动载荷下的结构响应，需获得结构所在位置的地基微振载荷条件，作为结构分析评估的载荷输入。通常做法是根据相关规范或文献取一条保守的平直谱直接作为载荷输入，而该取法可能会因为载荷幅值过于保守而使得结构评估无法满足指标设计要求。地基微振动是一类典型的地脉动随机振动，其幅值和频谱特性敏感地依赖于当地的地质条件和附近的正常人类活动等情况，地基微振动设计载荷确定的相关工作对精密设备设施的的前期选址、技术指标准确评估等意义重大，如何精细获得地基微振设计载荷并剔除无感地震以及周边临时施工带来的异常信号是现在亟需解决的问题。

需要研发出一种地基微振动设计载荷确定方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种地基微振动设计载荷确定方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

地基微振动设计载荷确定方法，包括以下步骤：

S1、获得地基微振动的原始时域测试数据；

S2、采用制定的判据和算法，对原始时域振动数据中的异常干扰脉冲信号进行剔除；

S3、对剔除异常干扰后的数据去除零漂，按固定时段样本开展功率谱密度分析，采用峰值保持方法获得测试数据的功率谱密度包络；

S4、在计算获得的功率谱密度包络基础上按照一定规则提升载荷量级，获得用于选址处的地基微振设计载荷。

具体地，步骤S1包括如下步骤：

S11、根据精密设备设施所在场地和地基深度，选取场地中心点附近多处位置作为特征点，进行勘测打孔至规定地基深度，并在孔底安装传感器，搭建时域信号采集系统；

S12、通过信号采集系统进行孔底微振动的原始数据采集，获得不少于7天的连续微振动测试原始时域信号测试数据。

具体地，步骤S2包括如下步骤：

S21、对S1步骤中测试采集的时域信号测试数据按幅值大小排序，去除正向最大和负向最大各10％的数据后，求均值和均方根值，作为正常无干扰信号的参考值；

S22、设置限幅系数A，将时域信号中满足下式的时域数据标识为脉冲高点，记录所有脉冲高点对应的时刻；

|x_i(t)-μ_r|＞Aσ_r

其中x_i(t)为测试的时域信号，t代表时间，μ_r和σ_r为步骤S21中获得的参考信号的均值和均方根值；

S23、采用滑动时窗识别，将步骤S22中获得的所有脉冲高点时刻变换为异常脉冲时段；设置时窗宽度W，脉冲高点时刻的前W/2和后W/2时段均标记为异常脉冲时段，获得待删除的时段；

S24、从时域测试信号x_i(t)中删除步骤S23识别的异常干扰脉冲段，获得无异常干扰的地基微振动测试数据。

优选地，A取值50，表明超出正常信号均方根的50倍以上者为异常干扰脉冲；W取值120s。

具体地，步骤S3包括如下步骤：

S31、对步骤S2获得的无异常干扰的地基微振动测试数据进行零均值处理，消除过高的非零均值带来后续的功率谱密度曲线出现梳状畸变；

S32、将整个时域数据按1min的长度划分为若干段，每个时段作为一个数据样本，采用滑动平均方式分别求解每个样本的单边功率谱密度曲线；

S33、采用峰值保持方法，获得所有样本对应功率谱密度的最大包络曲线；

S34、对所有测点三个方向的时域数据，分别按以上步骤获得其功率谱密度包络，对测试方向相同的不同测点进行功率谱密度比对，根据最大值获得新的功率谱密度包络曲线。

优选地，步骤S4包括如下步骤：

S41、在步骤S3中获得的功率谱密度包络曲线基础上增加3dB的设计值，获得较S3高3dB的功率谱密度包络曲线；

S42、在步骤S41包络曲线基础上再增加3dB设计值，获得较S41高3dB的功率谱密度包络曲线，并将该曲线作为地基微振设计载荷。

本发明的有益效果在于：

1)通过去除正向最大和负向最大各10％的时域信号，可以有效避免异常脉冲信号对参考均方根值计算的影响；

2)通过设置限幅系数和滑动时窗，可以准确识别异常干扰脉冲段的上升沿和下降沿，高效彻底地清除干扰脉冲段，获得更为真实的地基微振时域数据；

3)考虑测试样本数量有限以及实际测试周期有限的影响，在样本功率谱密度曲线包络基础上增加设计裕量，可以保证设计载荷能够反映结构在长期地基微振作用下的载荷特征，为精密装置的选址、结构及土建设计、稳定性评估等后续工作提供科学合理的载荷设计。

附图说明

图1是本发明对地基微振时域测试信号进行异常干扰剔除的步骤示意图；

图2是本发明对地基微振时域测试数据进行功率谱密度包络求解的流程框图；

图3是本发明对地基微振时域测试信号进行异常干扰剔除的详细算法流程图；

图4是某位置一小时地基微振时域原始测试数据以及剔除异常干扰后的时域数据对比图；

图5是针对7天连续测试的地基微振时域信号进行功率谱密度包络求解的结果，比较了是否剔除异常数据对最终结果的影响；

图6是测试样本最大值、预测最大值和设计载荷之间的关系示意图；

图7是本发明的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

为了对某精密装置结构进行建设前的设计指标评估，需开展建设位置处的地基微振测试，根据测试结果确定装置微振设计载荷，为后续的结构响应分析和评估提供输入。如图7所示，公开了一种地基微振动设计载荷确定方法，具体包括如下步骤：

S1:获得选址处地基微振动的原始时域测试数据：

根据选址场地地基深度(20m)，在场地中心附近东西南北向选取四个位置开展钻孔作业至地下20m深，并在底部分别布置4个三向低频传感器，连接信号采集系统进行地基微振数据采集，通过连续7天不间断地测试获得四处测点三个方向的12组原始时域数据样本。为了便于数据的读写，每隔1h保存为一个文件。

S2:剔除时域测试样本中的异常干扰脉冲段，如图1所示；

步骤S1中原始时域测试数据中包含无感地震、临时施工等带来的异常干扰脉冲(如图4所示)，需要判别和有效剔除。

对每一组时域样本，采用如图3所示的剔除算法获取正常的地基微振动时域信号。首先将测试信号按大小重新排序，剔除掉正向最大和负向最大各10％的数据后，计算参考的均值和均方根值；然后针对原始测试信号通过式(1)开始寻找脉冲高点，并记录该点的左右时窗边界；对每一个新探测到脉冲高点，通过逻辑判断是否更新时窗边界；(采用滑动时窗识别，将S22中获得的所有脉冲高点时刻变换为异常脉冲时段。设置时窗宽度W，脉冲高点时刻的前W/2和后W/2时段均标记为异常脉冲时段，获得待删除的时段。推荐W的取值120s)最后删除已标识的时窗内数据，获得无干扰的地基微振动信号。

|x_i(t)-μ_r|＞Aσ_r.....................................式(1)

其中x_i(t)为测试的时域信号，t代表时间，μ_r和σ_r为步骤S21中获得的参考信号的均值和均方根值；推荐A取值50，表明超出正常信号均方根的50倍以上者为异常干扰脉冲。设置限幅系数A，将时域信号中满足式(1)的时域数据标识为脉冲高点。

剔除前后的时域样本对比如图4所示，说明通过本方法对异常脉冲信号进行了有效剔除。

S3:对剔除异常干扰后的数据进行零漂去除和功率谱密度包络处理：如图2所示，图示中PSD为功率谱密度的缩写；

对S2中有效剔除异常干扰的时域测试样本，结合图2所示的流程分别计算各样本的功率谱密度包络。

首先，计算时域样本的均值，并对时域样本减去该均值，使其零均值化。

然后，按1min间隔将时域样本划分为若干段，每一段按滑动平均法进行功率谱密度求解。在功率谱密度求解过程中，可采用pwelch方法，加汉宁窗，根据采样率等参数采用适当的谱线数、窗宽和重叠率。

最后，对于各个时段获得的功率谱密度曲线，根据峰值保持策略获得4个测点3个方向的功率谱密度包络。比较4个测点的功率谱密度包络，检查一致性，并再次求取4个测点对应三个测试方向的包络，获得最终测试周期内的场地三个方向功率谱密度包络曲线。

图5给出了剔除异常干扰信号和不剔除异常干扰信号获得功率谱密度包络曲线对比情况，从中可以看出二者的功率谱密度包络差距在两个量级以上，这也进一步说明剔除异常干扰信号的必要性。

S4:根据测试样本的功率谱密度包络曲线获得设计载荷。

考虑测试获得7天的地基微振动数据为小样本，且为装置整个寿命运行周期内的有限时间段，无法完全反映装置整个运行周期内的载荷特征。为此，在S3步骤获得的三个方向功率谱密度包络曲线基础上，考虑测试样本数量有限以及实际测试周期有限的影响，对包络曲线增加设计裕量。

在S3获得的功率谱密度包络曲线上增加3dB作为样本数量有限的裕量设计，在此基础上再增加3dB作为有限时间测试的裕量设计。图6展示了载荷测试样本、预测最大值与载荷设计值的关系。

本发明具有以下优点：

1)为精密仪器装置的建筑结构提供地基微振载荷的确定方法，为其选址、振动响应分析、技术指标评估提供更为真实合理的载荷输入；

2)可准确识别并剔出时域信号中的异常干扰脉冲，消除对真实地基微振载荷的影响(图5表明这种影响使结果差异两个量级)；

3)结合时间片段内的滑动平均法和时间片段间的峰值保持策略，既保证了功率谱密度曲线的计算精度，又保证了功率谱密度包络求解的充分性。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.地基微振动设计载荷确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获得地基微振动的原始时域测试数据；

S2、采用制定的判据和算法，对原始时域振动数据中的异常干扰脉冲信号进行剔除；步骤S2包括如下步骤：

S21、对S1步骤中测试采集的时域信号测试数据按幅值大小排序，去除正向最大和负向最大各10％的数据后，求均值和均方根值，作为正常无干扰信号的参考值；

S22、设置限幅系数A，将时域信号中满足下式的时域数据标识为脉冲高点，记录所有脉冲高点对应的时刻；

|x_i(t)-μ_r|＞Aσ_r

其中x_i(t)为测试的时域信号，t代表时间，μ_r和σ_r为步骤S21中获得的参考信号的均值和均方根值；

S23、采用滑动时窗识别，将步骤S22中获得的所有脉冲高点时刻变换为异常脉冲时段；设置时窗宽度W，脉冲高点时刻的前W/2和后W/2时段均标记为异常脉冲时段，获得待删除的时段；

S24、从时域测试信号x_i(t)中删除步骤S23识别的异常干扰脉冲段，获得无异常干扰的地基微振动测试数据；

S3、对剔除异常干扰后的数据去除零漂，按固定时段样本开展功率谱密度分析，采用峰值保持方法获得测试数据的功率谱密度包络；步骤S3包括如下步骤：

S31、对步骤S2获得的无异常干扰的地基微振动测试数据进行零均值处理，消除过高的非零均值带来后续的功率谱密度曲线出现梳状畸变；

S32、将整个时域数据按1min的长度划分为若干段，每个时段作为一个数据样本，采用滑动平均方式分别求解每个样本的单边功率谱密度曲线；

S33、采用峰值保持方法，获得所有样本对应功率谱密度的最大包络曲线；

S34、对所有测点三个方向的时域数据，分别按以上步骤获得其功率谱密度包络，对测试方向相同的不同测点进行功率谱密度比对，根据最大值获得新的功率谱密度包络曲线；

S4、在计算获得的功率谱密度包络基础上按照一定规则提升载荷量级，获得用于选址处的地基微振设计载荷。

2.根据权利要求1所述的地基微振动设计载荷确定方法，其特征在于，步骤S1包括如下步骤：

S11、根据精密设备设施所在场地和地基深度，选取场地中心点附近多处位置作为特征点，进行勘测打孔至规定地基深度，并在孔底安装传感器，搭建时域信号采集系统；

S12、通过信号采集系统进行孔底微振动的原始数据采集，获得不少于7天的连续微振动测试原始时域信号测试数据。

3.根据权利要求1所述地基微振动设计载荷确定方法，其特征在于，A取值50，表明超出正常信号均方根的50倍以上者为异常干扰脉冲；W取值120s。

4.根据权利要求1所述地基微振动设计载荷确定方法，其特征在于，步骤S4包括如下步骤：

S41、在步骤S3中获得的功率谱密度包络曲线基础上增加3dB的设计值，获得较S3高3dB的功率谱密度包络曲线；

S42、在步骤S41包络曲线基础上再增加3dB设计值，获得较S41高3dB的功率谱密度包络曲线，并将该曲线作为地基微振设计载荷。

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