CN113175987A - 一种考虑环境温度变异的桥梁动力特性异常预警方法 - Google Patents

一种考虑环境温度变异的桥梁动力特性异常预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑环境温度变异的桥梁动力特性异常预警方法，包括如下步骤：步骤1：获取桥梁固有频率与环境温度数据；步骤2：分析固有频率与环境温度的相关性；步骤3：计算固有频率‑环境温度数据散点至线性相关性拟合曲线的垂直距离；步骤4：建立垂直距离概率模型；步骤5：计算不同环境温度下的固有频率预警阈值，若某一环境温度下的实测固有频率超过了预警阈值，则表明桥梁结构动力特性发生异常，此时需要进行桥梁动力特性异常的报警。该方法能够有效制定考虑环境温度变异的桥梁动力特性异常的预警阈值。

Description

一种考虑环境温度变异的桥梁动力特性异常预警方法
技术领域
本发明涉及桥梁动力特性预测技术领域，具体来说，涉及一种考虑环境温度变异的桥梁动力特性异常预警方法。
背景技术
我国多数桥梁服役的环境长期受到汽车荷载、温度等因素的影响，其正常服役过程中的动力特性变化过程值得关注。在许多大型桥梁结构中，由于桥梁的动力特性变化可能会造成工程事故的发生，为避免发生事故或造成经济损失，需要建立桥梁预警***。通过分析桥梁动力特性在环境温度影响下的变化，考虑环境温度变异所导致的桥梁动力特性异常并进行预警，能够为长期监测桥梁结构性能变化提供可靠依据。
目前，各土木、建筑领域对桥梁安全预警的手段，有以下几种方法：(1)模态振型法：该方法是通过分析结构的振型变化或者其演变形式的变化，确定模态特征参数，从而确定对应的预警阈值。但在动力测试中很难保证结构振型的精度，因此方法在实际工程中的应用并不理想。(2)神经网络法：该方法先要利用损伤或异常的结构数据训练网络，之后再将需要检测的结构数据输入所训练的网络，得到输出数据，通过分析输出数据判定结构性能是否异常，实现预警目的。此方法在特征参数的选取上具有较大困难。(3)小波分析法：利用小波包将结构信号分解到不同的频带，得到小波包能量谱，通过分析不同频带的信号特征和能量值组成特征参数组，进而确定损伤部位及预警判据。此方法要求较丰富的小波包方面和数据处理方面的知识，适用性较差。
因此，基于考虑环境温度变异的桥梁动力特性异常的预警方法，有必要研究一种可行性好、准确性高、适用性强的新方法。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种考虑环境温度变异的桥梁动力特性异常的预警方法，该方法可以准确进行桥梁动力特性异常的预警。
技术方案：本发明采用一种考虑环境温度变异的桥梁动力特性异常的预警方法，该方法通过分析桥梁结构加速度频谱特征获得固有频率，进而分析固有频率与对应环境温度的相关性，之后再根据得到的线性相关性拟合曲线及固有频率-环境温度数据散点至线性相关性拟合曲线垂直距离的概率模型制定桥梁固有频率预警阈值。
该预警方法包括如下步骤：
步骤1：获取桥梁固有频率与环境温度数据：
桥梁安装加速度传感器和环境温度传感器，实时采集桥梁结构每天各个时间段的振动加速度及环境温度数据；
选择成桥后某段时间(建议一年及以上)的加速度数据进行频谱分析，获得加速度响应自功率谱曲线，识别功率谱曲线峰值，获得桥梁固有频率范围。选取与固有频率同一时刻的环境温度，建立固有频率-环境温度数据散点。
步骤2：分析固有频率与环境温度的相关性：
对于步骤1获得的桥梁某阶固有频率-环境温度数据散点，采用公式(1)即以最小二乘法为原理的线性拟合函数，进行固有频率与环境温度的相关性拟合分析：
fm(T)＝p0+p1T (1)
式中：fm为通过振动加速度数据得到的固有频率；T为对应环境平均温度；p0、p1为线性拟合系数。
步骤3：计算固有频率-环境温度数据散点至线性相关性拟合曲线的垂直距离：
以步骤2所获得的桥梁某阶固有频率与温度的线性相关性拟合曲线为对象，根据公式(2)得到步骤2分析中所用到的固有频率-环境温度数据散点至线性相关性拟合曲线的垂直距离：
Figure BDA0003013069450000031
式中：d为固有频率-环境温度数据散点至线性相关性拟合曲线的垂直距离；Ax+By+C＝0为固有频率与温度相关性拟合的线性方程；x0为环境温度，y0为固有频率。
步骤4：建立垂直距离概率模型：
以获得的垂直距离数据为样本建立垂直距离概率模型，对垂直距离概率模型进行分布拟合，得到概率模型所服从的分布，并获得其累计分布函数CDF及标准差δ。
步骤5：计算不同环境温度下的固有频率预警阈值：
基于步骤4所获得的累计分布函数CDF及标准差δ.以公式(3)即累积分布函数在95％保证率所对应的垂直距离dmax作为计算固有频率预警阈值的参数；
dmax＝95％CDF+δ (3)
将步骤2中所获得的某阶固有频率与温度的线性相关性拟合曲线沿其法向平移±dmax获得预警时的固有频率与温度的线性相关性拟合曲线，其线性方程通过式(4)计算可得；
Figure BDA0003013069450000041
式中：dmax为公式(3)中累积分布函数95％保证率对应的垂直距离；A、B和C为公式(2)中所用到的平移之前固有频率与温度相关性拟合的线性方程的系数；x为环境温度，y为固有频率。
公式(4)所获得的两条线性曲线方程界定了固有频率-环境温度数据散点的范围，并得到不同环境温度下的固有频率预警阈值。若某一环境温度下的实测固有频率超过了预警阈值，则表明桥梁结构动力特性发生异常，此时需要进行桥梁动力特性异常的报警。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、准确设定桥梁固有频率的预警阈值。本发明基于MATLAB平台与程序语言，根据桥梁固有频率与对应环境温度的相关性拟合曲线，提供了桥梁固有频率的预警阈值的设定方法。通过相关性分析，能够有效考虑环境温度对于桥梁固有频率的影响，保证了本发明的理论的正确性。此外，通过分布拟合建立垂直距离概率模型，找到垂直距离数据所服从的分布类型，获得设定预警阈值的有效参数，保证了相应预警阈值的准确性。
2、该预警方法过程简单，实用性高。本发明的测定方法简单实用，具有很好的可行性，数据提取及分析过程简单精准，具有较好的适用性，而且弥补了现有技术中采用模态矩阵分析法、神经网络法以及小波分析法的缺陷。同时，本发明的测定方法可适用于桥梁结构不同构件预警值的设定，使得本方法更加具有可行性、准确性和适用性，可得到广泛推广和应用。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为桥梁主梁第一阶竖向振动固有频率与温度的相关性散点图。
图3为桥梁主梁第一阶垂直距离样本数据分布拟合图。
图4为桥梁主梁第一阶竖向振动固有频率预警阈值。
具体实施方式
下面将参照附图，通过实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明为一种考虑环境温度变异的桥梁动力特性异常预警方法，如图1、2、3和4所示，本发明过程步骤明确、实施方法简单。该预警方法包括如下步骤：
步骤1：获取桥梁固有频率与环境温度数据：
桥梁安装加速度传感器和环境温度传感器，实时采集桥梁结构每天各个时间段的振动加速度及环境温度数据；
选择成桥后某段时间(建议一年及以上)的加速度数据进行频谱分析，获得加速度响应自功率谱曲线，识别功率谱曲线峰值，获得桥梁固有频率范围。选取与固有频率同一时刻的环境温度，建立固有频率-环境温度数据散点。
步骤2：分析固有频率与环境温度的相关性：
对于步骤1获得的桥梁某阶固有频率-环境温度数据散点，采用公式(1)即以最小二乘法为原理的线性拟合函数，进行固有频率与环境温度的相关性拟合分析：
fm(T)＝p0+p1T (1)
式中：fm为通过振动加速度数据得到的固有频率；T为对应环境平均温度；p0、p1为线性拟合系数。
步骤3：计算固有频率-环境温度数据散点至线性相关性拟合曲线的垂直距离：
以步骤2所获得的桥梁某阶固有频率与温度的线性相关性拟合曲线为对象，根据公式(2)得到步骤2分析中所用到的固有频率-环境温度数据散点至线性相关性拟合曲线的垂直距离：
Figure BDA0003013069450000061
式中：d为固有频率-环境温度数据散点至线性相关性拟合曲线的垂直距离；Ax+By+C＝0为固有频率与温度相关性拟合的线性方程；x0为环境温度，y0为固有频率。
步骤4：建立垂直距离概率模型：
以获得的垂直距离数据为样本建立垂直距离概率模型，对垂直距离概率模型进行分布拟合，得到概率模型所服从的分布，并获得其累计分布函数CDF及标准差δ。
步骤5：计算不同环境温度下的固有频率预警阈值：
基于步骤4所获得的累计分布函数CDF及标准差δ，以公式(3)即累积分布函数在95％保证率所对应的垂直距离dmax作为计算固有频率预警阈值的参数；
dmax＝95％CDF+δ (3)
将步骤2中所获得的某阶固有频率与温度的线性相关性拟合曲线沿其法向平移±dmax获得预警时的固有频率与温度的线性相关性拟合曲线，其线性方程通过式(4)计算可得；
Figure BDA0003013069450000062
式中：dmax为公式(3)中累积分布函数95％保证率对应的垂直距离；A、B和C为公式(2)中所用到的平移之前固有频率与温度相关性拟合的线性方程的系数；x为环境温度，y为固有频率。
公式(4)所获得的两条线性曲线方程界定了固有频率-环境温度数据散点的范围，并得到不同环境温度下的固有频率预警阈值。若某一环境温度下的实测固有频率超过了预警阈值，则表明桥梁结构动力特性发生异常，此时需要进行桥梁动力特性异常的报警。
实施例：
下面以某年柳州三门江公路斜拉桥主梁竖向振动加速度监测数据及对应的环境平均温度为例，说明本发明的具体实施过程。
通过三门江公路斜拉桥健康监测***中安装的加速度传感器，选取某年桥梁结构主梁竖向加速度响应监测数据进行频谱分析，利用峰值法可识别主梁的前六阶竖向振动固有频率；以主梁第一阶竖向振动固有频率为例，截取与分析固有频率同一时刻的环境温度监测数据，建立固有频率一环境温度数据散点；之后通过线性拟合函数对数据进行相关性分析，获得主梁第一阶竖向振动固有频率与对应环境温度的线性相关性拟合函数和散点图，如图2所示，其线性拟合函数为y＝-0.00034736x+0.7598；之后提取固有频率一环境温度数据散点至线性相关性拟合曲线的垂直距离数据，以获得的垂直距离数据为样本进行数据分布拟合分析，发现垂直距离数据服从Weibull分布，图3是第一阶竖向振动固有频率-环境温度数据散点至线性相关性拟合曲线垂直距离数据的分布拟合图；通过分布拟合可得垂直距离数据的累计分布函数(CDF)及标准差δ，以95％CDF+δ为标准获得最大垂直距离dmax，将原线性拟合曲线沿法向平移±dmax，获得不同环境温度下的固有频率预警阈值，图4为第一阶竖向振动固有频率预警阈值。

Claims (6)

1.一种考虑环境温度变异的桥梁动力特性异常预警方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：获取桥梁固有频率与环境温度数据；
步骤2：分析固有频率与环境温度的相关性；
步骤3：计算固有频率-环境温度数据散点至线性相关性拟合曲线的垂直距离；
步骤4：建立垂直距离概率模型；
步骤5：计算不同环境温度下的固有频率预警阈值，若某一环境温度下的实测固有频率超过了预警阈值，则表明桥梁结构动力特性发生异常，此时需要进行桥梁动力特性异常的报警。
2.根据权利要求1所述的一种考虑环境温度变异的桥梁动力特性异常预警方法，其特征在于，步骤1中，获取桥梁固有频率与环境温度数据的方法如下：
桥梁安装加速度传感器和环境温度传感器，实时采集桥梁结构每天各个时间段的振动加速度及环境温度数据；
选择成桥后某段时间的加速度数据进行频谱分析，获得加速度响应自功率谱曲线，识别功率谱曲线峰值，获得桥梁固有频率范围；选取与固有频率同一时刻的环境温度，建立固有频率-环境温度数据散点。
3.根据权利要求2所述的一种考虑环境温度变异的桥梁动力特性异常预警方法，其特征在于，步骤2中，分析固有频率与环境温度的相关性的方法如下：
对于步骤1获得的桥梁某阶固有频率-环境温度数据散点，采用公式(1)，即以最小二乘法为原理的线性拟合函数，进行固有频率与环境温度的相关性拟合分析：
fm(T)＝p0+p1T
(1)
式中：fm为通过振动加速度数据得到的固有频率；T为对应环境平均温度；p0、p1为线性拟合系数。
4.根据权利要求3所述的一种考虑环境温度变异的桥梁动力特性异常预警方法，其特征在于，步骤3中，计算固有频率-环境温度数据散点至线性相关性拟合曲线的垂直距离的方法如下：
以步骤2所获得的桥梁某阶固有频率与温度的线性相关性拟合曲线为对象，根据公式(2)得到步骤2分析中所用到的固有频率-环境温度数据散点至线性相关性拟合曲线的垂直距离：
Figure FDA0003013069440000021
式中：d为固有频率-环境温度数据散点至线性相关性拟合曲线的垂直距离；Ax+By+C＝0为固有频率与温度相关性拟合的线性方程；x0为环境温度，y0为固有频率。
5.根据权利要求4所述的一种考虑环境温度变异的桥梁动力特性异常预警方法，其特征在于，步骤4中，建立垂直距离概率模型的方法如下：
以获得的垂直距离数据为样本建立垂直距离概率模型，对垂直距离概率模型进行分布拟合，得到概率模型所服从的分布，并获得其累计分布函数(CDF)及标准差δ。
6.根据权利要求5所述的一种考虑环境温度变异的桥梁动力特性异常预警方法，其特征在于，步骤5中，计算不同环境温度下的固有频率预警阈值的方法如下：
基于步骤4所获得的累计分布函数CDF及标准差δ，以公式(3)即累积分布函数在95％保证率所对应的垂直距离dmax作为计算固有频率预警阈值的参数；
dmax＝95％CDF+δ (3)
将步骤2中所获得的某阶固有频率与温度的线性相关性拟合曲线沿其法向平移±dmax获得预警时的固有频率与温度的线性相关性拟合曲线，其线性方程通过公式(4)计算可得；
Figure FDA0003013069440000031
式中：dmax为公式(3)中累积分布函数95％保证率对应的垂直距离；A、B和C为公式(2)中所用到的平移之前固有频率与温度相关性拟合的线性方程的系数；x为环境温度，y为固有频率；
公式(4)所获得的两条线性曲线方程界定了固有频率-环境温度数据散点的范围，并得到不同环境温度下的固有频率预警阈值。
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