自錨式懸索橋結構健康監(jiān)測數(shù)據(jù)預處理方法

葉作權 路華麗

(1.天津市陸海測繪有限公司，天津 300304; 2.天津大學建筑工程學院，天津 300072)

1 概述

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，大量復雜橋梁因此快速興建。由于橋梁生命線的重要地位，橋梁的安全耐久，抗震性能受到了特別關注［1］。橋梁健康監(jiān)測是橋梁安全的重要保障，其中橋梁結構的動力分析技術引起研究者的重視［2］。GPS-RTK技術是橋梁結構動態(tài)變形監(jiān)測領域的一種新型方法。近年來，由于其軟件、硬件的持續(xù)發(fā)展，尤其是采樣頻率的不斷提高，使其在橋梁結構振動和動態(tài)變形監(jiān)測方面顯示出獨特的優(yōu)勢，為橋梁健康監(jiān)測提供了一種可以選擇的方案。

2 研究現(xiàn)狀

GPS-RTK技術在變形監(jiān)測過程中由于周跳、振動沖擊、多路徑效應和儀器偶發(fā)故障以及電磁干擾等的影響，往往會出現(xiàn)非常大誤差的數(shù)據(jù)。要使監(jiān)測數(shù)據(jù)具有足夠的可靠性需要提前進行粗差剔除處理。剔除粗差的方法主要為:基于統(tǒng)計、密度、距離與偏離的方法［3］。其中，具有完整數(shù)學理論基礎的基于統(tǒng)計學的方法應用最廣泛。依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計理論可知，粗差剔除具有4種常用的方法:肖維勒準則、拉依達準則(3σ準則)、狄克遜準則、格魯布斯準則等，其中拉依達準則(3σ準則)較為適用于容量較大的監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本［4，5］。

3 健康監(jiān)測及數(shù)據(jù)預處理

3.1 監(jiān)測對象

坐落于天津市中心城區(qū)的富民橋工程四周是綜合開發(fā)與規(guī)劃的海河兩岸智慧城，其北起富民路，南接洞庭路。主橋是獨柱單塔的自錨式懸索橋，懸索為空間索面，主跨的主纜索錨固于主梁的兩側，邊跨的主纜索錨固于地錨。主跨主纜使用在立面和平面均為拋物線的三維空間線形，邊跨主纜使用不加豎向吊索形式的兩根并排一組的纜索。全橋總長340.3 m，主跨157.081 m，輔跨86.4 m。河東側引橋是三跨連續(xù)梁(19+20+19.6)m，由普通鋼筋混凝土構成，河西側引橋38.219 m，是單跨帶懸臂的鋼筋混凝土的框架結構?？绾拥闹鳂驑蛎娴臉藴蕦挾葹?8.6 m，一側橫向布置包括:0.8 m的吊索錨固區(qū)+0.5 m的防撞護欄+3.75 m的非機動車道+(3.75m+2×3.5m)的機動車道+0.5 m的路緣帶+0.5 m的防撞護欄+5.0 m的主塔區(qū)，另一側沿著主塔區(qū)成對稱布置。其全貌圖如圖1所示。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法

測試的精度及有效數(shù)據(jù)是有效分析變形監(jiān)測的先決條件。但是，在實際的數(shù)據(jù)采集過程中，由于會受到儀器設備干預、環(huán)境噪聲等原因，導致產生總體粗大誤差數(shù)據(jù)和含噪聲數(shù)據(jù)等不利情況。在處理分析數(shù)據(jù)中使用這些含有誤差的數(shù)據(jù)將不可避免的影響數(shù)值分析結果，并且不能獲得結構的實際狀態(tài)，因此應該事先對試驗中采集的數(shù)據(jù)進行處理，去除無用信息，留取有用信息。

圖1 天津市富民橋全貌圖

本文采用拉依達準則進行數(shù)據(jù)預處理。拉依達準則主要思想是基于3倍標準差，置信概率為99.7%，以誤差理論為依據(jù)，那么監(jiān)測值偏差落于［－3σ，+3σ］上的概率見式(1):

由式(1)可知，超出3σ的概率為0.27%，那么超出3σ為小概率事件，它可以被確定為異常值，也就是粗大誤差。因此，拉依達準則也被稱為3σ準則。一組監(jiān)測數(shù)據(jù)序列為xi(i，1，2，…，n)，其平均值是x，殘差是 εi(εi=xi－x)，殘差 εi的標準差是 σ。當監(jiān)測數(shù)據(jù)序列里的某些數(shù)據(jù)xj(1≤i≤n)的殘差εi滿足式(2):

則xj是異常的粗大誤差，應予以剔除。然后再求出該數(shù)列的均方差以確定它是否符合3σ準則。如果不符合，繼續(xù)前面的步驟并重復，直到符合3σ準則。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)預處理結果

圖2 RTK監(jiān)測原始數(shù)據(jù)x1

在交通不封閉的情況下對富民橋的動態(tài)響應進行連續(xù)的實時監(jiān)測，通過GPS傳感器采集結構振動動態(tài)位移信號，GPS接收機以20 Hz的采樣頻率記錄原始數(shù)據(jù)，RTK解算數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線直接傳輸和保存在筆記本電腦中。

對原始數(shù)據(jù)xi的預處理，首先按照3σ原則(99.7%置信區(qū)間)剔除異常值，其次使用三次樣條插值對缺失的數(shù)據(jù)進行修補，最后應用滑動平均法進行平滑處理，得到預處理后信號Xi。采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)原始豎向位移序列xi和預處理后信號Xi，見圖2，圖3。

圖3 預處理后的數(shù)據(jù)X1

從圖2和圖3分析可知，通過數(shù)據(jù)的預處理后，橋梁縱向振動的范圍收窄，處于±10 mm范圍內，±5 mm范圍內的數(shù)據(jù)相對更密。

4 結語

通過以上實驗分析可知，拉依達準則數(shù)據(jù)預處理方法處理GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)效果明顯，且簡便無需查表，易于使用。使用該準則的先決條件是所測數(shù)據(jù)樣本非常大，因此對于采樣頻率高、采樣時間長的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采用拉依達準則進行數(shù)據(jù)預處理應用性和適用性非常廣泛。