大型公鐵兩用斜拉橋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的時域峰值統(tǒng)計(jì)及頻域融合處理

施　洲，蒲黔輝，岳　青，張同剛

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031； 2.中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢　430050； 3.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都　610031)

目前，國內(nèi)的新建大型公鐵兩用斜拉橋與以往的公鐵兩用橋梁相比，呈現(xiàn)出規(guī)模大、荷載重、橋梁寬、剛度大、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。通常下層橋面布置包含高速鐵路線路在內(nèi)的4線鐵路，上層公路橋面布置為6車道。例如，主跨504 m的武漢天興洲大橋上層為6車道公路，下層為承載京廣高速鐵路和滬漢蓉客運(yùn)專線的4線鐵路，設(shè)計(jì)時速200 km；主跨630 m的銅陵長江公鐵大橋上層為6車道高速公路，下層為設(shè)計(jì)時速350 km的京?？瓦\(yùn)專線和設(shè)計(jì)時速160 km(預(yù)留時速200 km提速條件)的合廬銅鐵路。在建的主跨1 092 m的滬通鐵路長江大橋則是跨徑突破千米級的超大型公鐵兩用斜拉橋。在運(yùn)營中對大型公鐵兩用斜拉橋的檢測評定工作要求也越來越高，傳統(tǒng)的人工檢測評定難以適應(yīng)此類橋梁的養(yǎng)護(hù)維修需求，基于健康監(jiān)測系統(tǒng)的在線自動化檢測與評定方法則是解決此類橋梁檢測難題的重要手段之一[1-5]。目前，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在國內(nèi)外得到不斷發(fā)展，在系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容、測點(diǎn)優(yōu)化布置、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娌粩嗳〉眠M(jìn)展[6-11]，但健康監(jiān)測系統(tǒng)中仍然缺乏監(jiān)測信號處理的實(shí)用方法及基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁技術(shù)狀況合理評定方法與指標(biāo)體系[12-13]。

在大型公鐵兩用斜拉橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)中，源于橋梁規(guī)模龐大、環(huán)境干擾因素多，使得監(jiān)測信號的信噪比相對更低；公路與鐵路荷載及環(huán)境荷載共同作用下監(jiān)測信號更為復(fù)雜；另外，高速鐵路行車安全性對監(jiān)測信號數(shù)據(jù)分析處理與評判要求也更高。目前，在蕪湖長江大橋、天興洲長江大橋及銅陵長江大橋上建立了初步的健康監(jiān)測系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)對橋梁的振動、位移等部分參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)測[13-15]，但實(shí)測信號數(shù)據(jù)存在干擾大、離散性強(qiáng)等問題，并缺乏有針對性的數(shù)據(jù)分析處理，因而尚未實(shí)現(xiàn)基于健康監(jiān)測的橋梁性能評定。因此，本文以滬通鐵路長江大橋?yàn)槔?，進(jìn)行大型公鐵兩用斜拉橋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量評估、時域峰值統(tǒng)計(jì)及頻域融合處理3個方面的理論與方法研究。

1　大型公鐵兩用斜拉橋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

滬通鐵路長江大橋的主航道橋?yàn)榭鐝?140+462+1 092+462+140)m的雙塔三索面鋼桁梁斜拉橋，通行4線鐵路及6車道高速公路，其中滬通鐵路等級為I級，設(shè)計(jì)速度200 km·h-1；通蘇嘉城際鐵路為客運(yùn)專線，設(shè)計(jì)速度250 km·h-1；錫通高速公路為雙向6車道，設(shè)計(jì)速度100 km·h-1。主航道橋立面布置如圖1所示。

圖1　滬通鐵路長江大橋立面布置圖(單位：m)

在滬通鐵路長江大橋的健康監(jiān)測中，基于公鐵兩用超大型斜拉橋的特點(diǎn)，在關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)安全性的同時更關(guān)注橋上高速鐵路的行車安全性，健康監(jiān)測內(nèi)容包括：橋梁結(jié)構(gòu)靜動態(tài)響應(yīng)、軌道技術(shù)狀況、列車及汽車的行車狀態(tài)信息、環(huán)境參數(shù)等，見表1。根據(jù)不同測試內(nèi)容所用信號采樣頻率的高低，可分為動態(tài)測試及擬靜態(tài)測試。動態(tài)監(jiān)測內(nèi)容如振動加速度等的采集頻率根據(jù)實(shí)際需要一般介于20～500 Hz之間，采用實(shí)時在線、定期啟動或適時自啟動(如列車通行時自動觸發(fā)等)的方法監(jiān)測。橋梁結(jié)構(gòu)幾何狀態(tài)等靜態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目采用定期測試的方法進(jìn)行，其測試數(shù)據(jù)的時間間隔從數(shù)分鐘至數(shù)月不等。

表1　滬通鐵路長江大橋健康監(jiān)測內(nèi)容及測試頻率

由表1可見，由于系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容廣，結(jié)構(gòu)構(gòu)件多，測點(diǎn)數(shù)量大，整體監(jiān)測數(shù)據(jù)量龐大，而且在公路、鐵路、環(huán)境荷載的疊加作用下，還面臨環(huán)境中的各類干擾因素，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)包含更為廣泛的噪聲和頻率成分，有效信噪比更低，基于動態(tài)測試的頻域數(shù)據(jù)如自振頻率等更難獲取。

2　大型公鐵兩用斜拉橋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的目的與流程

2.1　目的

橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的根本目的在于將各類現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為能夠科學(xué)合理評判橋梁運(yùn)營性能及結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵參數(shù)。鑒于大型公鐵兩用斜拉橋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的干擾多、信噪比低等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁技術(shù)狀況有效評定，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理聚焦于以下2個方面：①對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲狀況、數(shù)據(jù)異常水平等信號質(zhì)量的評估，并開展以降噪、去異常值為目的的初步處理；②基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過時域統(tǒng)計(jì)分析處理、頻域處理、監(jiān)測數(shù)據(jù)融合等措施提取適用于橋梁運(yùn)營安全性評判的評估參數(shù)，所構(gòu)建的評判參數(shù)同TG/GW 209—2014《高速鐵路橋梁運(yùn)營性能檢定規(guī)定(試行)》的“自振特性、豎向剛度、動車組列車作用下的動力響應(yīng)”等檢定內(nèi)容相銜接。

2.2　流程

在公鐵兩用斜拉橋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的具體處理過程中，首先進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常狀況檢測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估，再進(jìn)行有針對性的降噪等處理以獲取有效的數(shù)據(jù)；之后，根據(jù)數(shù)據(jù)采樣頻率對監(jiān)測數(shù)據(jù)分別進(jìn)行時域時間分段峰值處理及統(tǒng)計(jì)處理，對20 Hz以上采樣頻率的動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域處理并進(jìn)行頻域數(shù)據(jù)融合，進(jìn)而提取或構(gòu)建便于進(jìn)行后續(xù)橋梁運(yùn)營安全性評判的頻域“指標(biāo)參數(shù)”。在滬通鐵路長江大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)中，各類實(shí)測數(shù)據(jù)分類處理的總體流程如圖2所示。

圖2　健康監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的流程圖

3　大型公鐵兩用斜拉橋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的時域統(tǒng)計(jì)與頻域融合

3.1　健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量評估與初步處理

大型公鐵兩用斜拉橋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的信噪比相對偏低，并在實(shí)際監(jiān)測中因各類硬件及軟件故障等而易出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。因此，為提高后續(xù)橋梁性能評定的準(zhǔn)確性，首先應(yīng)了解監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量狀況，即數(shù)據(jù)受干擾程度、異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)頻率等。對監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量、可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行量化分析，為監(jiān)測數(shù)據(jù)的降噪等處理提供指導(dǎo)，為后續(xù)的橋梁性能評定參數(shù)提供權(quán)重系數(shù)取值參考，以及為監(jiān)測系統(tǒng)的硬件、軟件維護(hù)維修提供依據(jù)。提出監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估的3項(xiàng)指標(biāo)：健康監(jiān)測數(shù)據(jù)信噪比指標(biāo)DSNR，單測點(diǎn)單位時間段內(nèi)異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)頻率MSi；系統(tǒng)總體測點(diǎn)單位段時間內(nèi)異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)頻率MTi。各指標(biāo)的計(jì)算式如下。

DSNR=20lg(Ain/Ais)

(1)

MSi=UAin/NAin

(2)

MTi=UTAin/NTAin

(3)

式中：Ain為列車及公路荷載共同作用下單位時間內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)(如加速度、位移振幅、動應(yīng)變)的峰值；Ais為無列車且無公路荷載時僅環(huán)境荷載下單位時間內(nèi)對應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)的峰值；NAin為單位時間內(nèi)單個監(jiān)測數(shù)據(jù)峰值的數(shù)量；UAin為單個監(jiān)測數(shù)據(jù)信噪比DSNR過大或Ain偏離3倍方差的數(shù)量；NTAin為單位時間內(nèi)全部測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)峰值的數(shù)量；UTAin為全部測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)中信噪比DSNR過大或偏離3倍方差的總數(shù)量。

在對健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量評估中，根據(jù)式(1)—式(3)分別計(jì)算監(jiān)測數(shù)據(jù)的這3項(xiàng)指標(biāo)值，并根據(jù)指標(biāo)的量值對監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行評判。為合理區(qū)分監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量狀態(tài)，分別將3項(xiàng)評判指標(biāo)劃分為5個評判等級及對應(yīng)的評判區(qū)間，詳細(xì)的評判等級及評判區(qū)間見表2。在實(shí)際橋梁監(jiān)測中，評判區(qū)間值應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)類型、監(jiān)測參數(shù)量值結(jié)果等調(diào)整、使用。

表2　高鐵橋梁運(yùn)營安全在線監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估評價表

為保證基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁運(yùn)營性能評判的合理性與可靠性，監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量在“較差”等級及以下的，不應(yīng)直接應(yīng)用于后續(xù)的橋梁性能評定。因此，在健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的正式分析處理之前，對質(zhì)量評估等級為“較差”、“差”的監(jiān)測數(shù)據(jù)開展異常數(shù)據(jù)識別，通過“空值檢測”、“差值分析”、“方差分析”等多重判別準(zhǔn)則檢測是否出現(xiàn)“無數(shù)據(jù)”、“重復(fù)數(shù)據(jù)”等異常數(shù)據(jù)，并對相應(yīng)傳感器等儀器設(shè)備的非正常工作狀態(tài)做出識別并及時預(yù)警。再通過對識別出的異常數(shù)據(jù)開展去“毛刺”(明顯偏離正常測量值的個別點(diǎn))、剔除或修正異常數(shù)據(jù)等處理，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量達(dá)到“正常”及以上等級后，再實(shí)施濾波、零均值化、粗差的判斷與剔除、趨勢項(xiàng)的消除、野點(diǎn)跳點(diǎn)的剔除與補(bǔ)正等，從而完成數(shù)據(jù)的初步處理。

3.2　健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的時域統(tǒng)計(jì)分析與處理

3.2.1監(jiān)測數(shù)據(jù)的時段峰值處理

為有效降低后續(xù)橋梁性能評定系統(tǒng)的計(jì)算分析工作量，提高評定效率，并將評定方法及結(jié)論同TG/GW 209—2014《高速鐵路橋梁運(yùn)營性能檢定規(guī)定(試行)》等規(guī)范評定方法相接軌，在滬通鐵路長江大橋的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)處理中，對加速度、位移振幅、輪軌力等動態(tài)測試數(shù)據(jù)，提出動態(tài)數(shù)據(jù)時間分段峰值處理方法如下：以特定時間間隔ΔT分割連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，依次記錄各個ΔT時間段內(nèi)實(shí)測數(shù)據(jù)(加速度、位移振幅、輪軌力等)的正負(fù)最大、最小峰值作為監(jiān)測數(shù)據(jù)的時段峰值。時間分段ΔT的取值設(shè)置為可調(diào)，通常設(shè)定于30～300 s內(nèi)，最佳的設(shè)置時間間隔為一列車通行橋梁的時間。在各個ΔT內(nèi)的時段峰值處理過程中，以最大值替代的方法即時記錄各監(jiān)測值的最大值，以保證在ΔT時間間隔內(nèi)出現(xiàn)最大實(shí)測量值超標(biāo)時能夠記錄對應(yīng)的時間節(jié)點(diǎn)并即時報警。

3.2.2時段峰值數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

在動態(tài)數(shù)據(jù)時間分段峰值處理之后，將所得的ΔT內(nèi)峰值數(shù)據(jù)系列連同擬靜態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)序列進(jìn)行下一步的統(tǒng)計(jì)分析。按不同類型的數(shù)據(jù)以不同的周期對動態(tài)數(shù)據(jù)分段峰值及擬靜態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)序列進(jìn)行相應(yīng)的均值、方差、相關(guān)性等內(nèi)容的統(tǒng)計(jì)分析。將得到的均值、方差、相關(guān)性等數(shù)據(jù)進(jìn)一步與監(jiān)測初期的對應(yīng)數(shù)據(jù)相減，得到各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的“變化量”。時段峰值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理參數(shù)結(jié)果及其變化量可應(yīng)用于后續(xù)的橋梁運(yùn)營安全性評定。

滬通鐵路長江大橋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)數(shù)據(jù)峰值處理、靜動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理建議周期見表3，并可在實(shí)際監(jiān)測中根據(jù)需要確定或調(diào)整具體周期量值。

表3　滬通鐵路長江大橋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理周期

3.3　健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的頻域融合處理

健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的頻域特性能夠從另外一個方面反映橋梁結(jié)構(gòu)振動特性，也是橋梁性能評判中常用的重要指標(biāo)之一。橋梁的頻域特性參數(shù)通常不能夠直接測得，而需要由實(shí)測的加速度、速度等動態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)FFT時頻變換處理得到。大型公鐵兩用斜拉橋具有跨度大、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、環(huán)境干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，在高速鐵路列車通行下的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)具有顯著的非平穩(wěn)性、非線性，難以用目前發(fā)展較為成熟的線性理論和穩(wěn)態(tài)分析工具解決，因此精確獲取相應(yīng)頻域參數(shù)相對困難。針對存在的問題，為提高頻域數(shù)據(jù)的可靠性與精度，提出基于傅里葉變換(FFT)、小波變換(WT)及希爾伯特—黃變換(HHT)三者頻域參數(shù)加權(quán)平均的方法得到融合的頻域參數(shù)，即在傳統(tǒng)的FFT外，還引入了WT與HHT進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別，綜合應(yīng)用FFT的簡便和在非時變數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢、WT在橋梁結(jié)構(gòu)所處于的低頻段信號具有較高分別率的優(yōu)點(diǎn)、HHT在非平穩(wěn)及非線性信號處理方面的優(yōu)勢，并通過融合權(quán)重系數(shù)來調(diào)節(jié)不同變換結(jié)果的影響以提高識別精度，具體方法如下。

同時采用FFT，WT及HHT將時域信號變換至頻域并提取頻率值，記t時刻3種不同變換后對應(yīng)的第i階頻率值分別為fFi(t)，fWi(t)，fHi(t)。計(jì)算t時刻頻率值與以往對應(yīng)實(shí)測平均值fAFi(t)，fAWi(t)，fAHi(t)的差值ΔfFi， ΔfWi， ΔfHi，此差值主要由結(jié)構(gòu)頻域參數(shù)變化或時頻變換誤差引起。對于大型公鐵兩用橋梁其結(jié)構(gòu)頻域參數(shù)變化通常較小，在此設(shè)定變化20%以內(nèi)為常規(guī)范圍，對于過大的偏差更多可能是時域變換偏差所致。此外，為避免頻域融合加權(quán)平均運(yùn)算可能出現(xiàn)除零的問題，設(shè)定最小權(quán)重系數(shù)0.025，對應(yīng)頻域差值在98%以上。記fFi(t)的融合權(quán)重系數(shù)為ωF，其取值為

(4)

同樣，fWi(t)和fHi(t)的融合權(quán)重系數(shù)為ωW和ωH，計(jì)算同式(4)。當(dāng)某一變換工具無法識別頻域參數(shù)時，其融合權(quán)重系數(shù)為0。融合后的頻率為

fi(t)=[ωFfFi(t)+ωWfWi(t)+

ωHfHi(t)]/(ωF+ωW+ωH)

(5)

式(5)融合了FFT，WT和HHT對橋梁振動頻率識別的結(jié)果，有效避免單一工具無法識別頻域參數(shù)的困難，提高了頻域數(shù)據(jù)識別能力，并提高頻域數(shù)據(jù)的精度與可靠性。當(dāng)三者同時發(fā)生識別困難時，則啟動WT和HHT，對實(shí)測時域數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)重構(gòu)，提高時域數(shù)據(jù)峰值處理的準(zhǔn)確性。

4　健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的時域統(tǒng)計(jì)與頻域融合處理驗(yàn)證

調(diào)取某大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的部分實(shí)測加速度數(shù)據(jù)，進(jìn)行健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的降噪初步處理、統(tǒng)計(jì)分析處理、頻域處理。

4.1　監(jiān)測數(shù)據(jù)的降噪初步處理

在200 Hz采樣頻率的加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)中，截取一段監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量良好的約10 s無列車通行時段的實(shí)測原始加速度時程曲線，如圖3所示。鑒于大型橋梁結(jié)構(gòu)的前十余階自振頻率基本低于10 Hz，為降低高頻噪聲信號的影響，經(jīng)過10 Hz的低通濾波并用5點(diǎn)平滑法去毛刺的降噪處理后，加速度時程曲線如圖4所示。由圖3和圖4的對比可知，通過濾波等降噪處理后，該10 s時間段內(nèi)的峰值從-2.48 mm·s-2降低至-0.87 mm·s-2，有效去除了實(shí)測數(shù)據(jù)中的少數(shù)明顯偏離正常測值的孤點(diǎn)(即毛刺誤差)，實(shí)現(xiàn)降噪。在健康監(jiān)測數(shù)據(jù)中截取列車以約200 km·h-1通行時質(zhì)量良好的部分時段實(shí)測加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)過常規(guī)低通濾波的降低高頻噪聲處理后，其時程曲線如圖5所示。

圖3　原始無車時加速度時程曲線

圖4　降噪后無車時的加速度時程曲線

圖5　列車以約200 km·h-1速度通過時的加速度時程曲線

4.2　監(jiān)測數(shù)據(jù)的時域統(tǒng)計(jì)分析

在健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的時域統(tǒng)計(jì)分析中，分別選取無列車通行、列車以約200 km·h-1速度通過的2種不同工況進(jìn)行時間分段峰值處理，分段時間間隔ΔT取值為70 s。在這2種工況下各選取10個時段進(jìn)行最大、最小峰值提取，并對峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后得到的均值、方差，相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

表4　健康監(jiān)測加速度分段峰值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

TG/GW 209—2014《高速鐵路橋梁運(yùn)營性能檢定規(guī)定(試行)》中有關(guān)加速度的橋梁運(yùn)營性能評定指標(biāo)僅規(guī)定“100 m跨徑以下混凝土簡支梁及連續(xù)梁的加速度限值為0.2～0.4 m·s-2”，尚無大型公鐵兩用斜拉橋相關(guān)加速度的運(yùn)營安全性評判規(guī)定。表4中所得的加速度分段峰值結(jié)果表明，該大型橋梁無車時的振動加速度峰值介于-12.51～12.81 mm·s-2，200 km·h-1時振動加速度峰值介于-121.14～100.83 mm·s-2，相比TG/GW 209—2014規(guī)定的常規(guī)橋梁0.2～0.4 m·s-2的振動加速度限值，說明該橋振動并不顯著。無車通行時加速度峰值均值為-3.25和4.53 mm·s-2，且振動加速度峰值方差與均值相當(dāng)，表明無車時橋梁振動微弱但振動加速度峰值在不同時段明顯離散。列車以200 km·h-1速度通行時振動加速度峰值的均值為-54.49和47.81 mm·s-2，表明有車通行時振動加速度峰值的方差接近均值，表明有車通行時橋梁振動不強(qiáng)但振動加速度峰值在不同時段較為離散。

4.3　監(jiān)測數(shù)據(jù)的頻域處理

在健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的頻域處理中，分別選取無列車通行時段、列車以約200 km·h-1速度通過時段各70 s長度的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT、WT、增強(qiáng)WT和HHT處理，并進(jìn)行頻域數(shù)據(jù)融合分析處理。由于采用普通小波變換得出的時頻圖和頻幅圖結(jié)果不甚理想，頻率散布范圍較大，頻率識別效果不佳，故采用HHT進(jìn)行振動加速度的EMD分解及Hibert變換，得到其時頻圖，再通過時間軸積分可得邊際譜。但由于得出的結(jié)果較為分散，難以區(qū)分其主要頻率，因此，僅給出了圖6和圖7所示的無車通行時實(shí)測振動加速度數(shù)據(jù)的FFT頻譜及增強(qiáng)WT的時頻圖以及圖8和圖9所示的列車以200 km·h-1速度通行時振動加速度的FFT頻譜及增強(qiáng)WT的時頻圖。

圖6　無車時FFT分析頻譜圖

從圖6可見，無車通行時實(shí)測振動加速度數(shù)據(jù)的FFT頻譜特征明晰，易于采用峰值識別法獲取其主要頻率。圖7所示的增強(qiáng)WT所得時頻圖能得出其主要頻率，其結(jié)果與FFT結(jié)果基本一致。由圖8與圖9可見，列車以200 km·h-1速度通行時振動加速度的頻域處理結(jié)果同無車工況時較為類似，F(xiàn)FT及增強(qiáng)WT能夠有效識別振動加速度的頻率特征。

圖7　無車時增強(qiáng)WT時頻圖

圖8　200km·h-1速度下FFT頻譜圖

圖9　200km·h-1速度下增強(qiáng)小波變換時頻圖

無車及有車工況下振動加速度由3種變換方法識別的頻率、以往監(jiān)測頻率平均值、按照式(4)計(jì)算前4階不同時頻工具對應(yīng)的融合權(quán)重系數(shù)、根據(jù)融合權(quán)重系數(shù)按照式(5)計(jì)算而得的頻率融合結(jié)果見表5。

由表5數(shù)據(jù)可見，實(shí)測加速度通過FFT與增強(qiáng)WT識別的頻率結(jié)果相符良好，兩者識別的頻率結(jié)果與以往的監(jiān)測頻率平均結(jié)果的偏差基本在10%以內(nèi)，這與該大型橋梁處于建成運(yùn)營初期橋梁結(jié)構(gòu)基本無變化的實(shí)際情況是一致的。因而FFT與WT的融合系數(shù)均為1.00。HHT的識別效果不佳，其融合系數(shù)為0。融合后的頻率識別結(jié)果避免了單一HHT識別困難，并有效融合了FFT及WT識別結(jié)果，提高了頻域參數(shù)的識別精度。由融合頻率結(jié)果可見橋梁在無車、有車通過時的振動頻率變化很小，說明橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營性能穩(wěn)定。

表5　頻率識別與融合結(jié)果

5　結(jié)　語

千米級大型公鐵兩用斜拉橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)量大、類型多、干擾強(qiáng)、頻譜復(fù)雜、評定要求高等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁運(yùn)營安全性評判，通過分析大型公鐵兩用斜拉橋的監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理目的與流程，提出監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量狀況評判的3項(xiàng)指標(biāo)及5個評判區(qū)間的指標(biāo)體系。結(jié)合滬通鐵路長江大橋公鐵兩用橋的特點(diǎn)、高速鐵路橋梁運(yùn)營安全性的評定要求等，采用30～300 s時間間隔的時域分段及監(jiān)測峰值即時替代的方法，提出健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的時域峰值處理技術(shù)及其統(tǒng)計(jì)分析程序；并提出基于FFT、WT、HHT的監(jiān)測數(shù)據(jù)頻域加權(quán)平均融合處理公式，以獲取有效開展橋梁運(yùn)營安全性評判的評估參數(shù)(如時頻域峰值、均值、方差)，提高了數(shù)據(jù)處理效率與針對性。最后，應(yīng)用某大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)測的振動加速度數(shù)據(jù)，在去噪初步處理后，開展數(shù)據(jù)的時域峰值統(tǒng)計(jì)分析、頻域融合處理，得到橋梁運(yùn)營安全性評估的基本參數(shù)，并得到橋梁振動不強(qiáng)但振動加速度峰值在不同時段較為離散、振動頻率變化較小、運(yùn)營性能穩(wěn)定等評定結(jié)論，也驗(yàn)證了本文的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理方法的可行性與工程實(shí)用性。

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