基于監(jiān)測(cè)加速度的拉索時(shí)變索力歷程識(shí)別的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出了一種基于監(jiān)測(cè)加速度的拉索時(shí)變索力歷程識(shí)別的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，運(yùn)用復(fù)雜度尋蹤這種高效的無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，利用拉索上布置的多通道加速度傳感器的監(jiān)測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)索力時(shí)程進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí)。復(fù)雜度尋蹤算法可以自主地將拉索的加速度響應(yīng)分解為拉索的單模態(tài)響應(yīng)，進(jìn)而通過(guò)極短時(shí)間的加速度信息辨識(shí)拉索的實(shí)時(shí)頻率，通過(guò)張緊弦理論計(jì)算索力時(shí)程。通過(guò)結(jié)合實(shí)測(cè)索力和實(shí)測(cè)風(fēng)速的斜拉橋的模擬分析以及拉索的模型試驗(yàn)，證明了所提出的復(fù)雜度尋蹤算法能夠?qū)r(shí)變索力歷程進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)識(shí)別。本發(fā)明是一種直接有效的時(shí)變索力歷程辨識(shí)方法，簡(jiǎn)單易用，索力辨識(shí)精度高，時(shí)效性強(qiáng)且能夠?qū)崿F(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)辨識(shí)，尤其適用于拉索的在線(xiàn)評(píng)估。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于監(jiān)測(cè)加速度的拉索時(shí)變索力歷程識(shí)別的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種土木工程結(jié)構(gòu)響應(yīng)辨識(shí)的方法，具體涉及一種基于監(jiān)測(cè)加速度的拉索時(shí)變索力歷程識(shí)別的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]斜拉橋由于其跨度大、造型美觀、施工方便等特點(diǎn)，是目前世界上應(yīng)用最廣泛的橋型。斜拉橋一般會(huì)成為一個(gè)地區(qū)的標(biāo)志性建筑，而且往往是一個(gè)地區(qū)的交通樞紐，對(duì)該地區(qū)的政治經(jīng)濟(jì)有著至關(guān)重要的影響。
[0003]斜拉索作為斜拉橋主要的承重構(gòu)件，由高強(qiáng)度鋼絲束和PE護(hù)套組成。斜拉索在長(zhǎng)達(dá)幾十年使用期內(nèi)，環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等災(zāi)害因素的耦合作用下，將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，從而抵抗自然災(zāi)害、甚至正常環(huán)境作用的能力下降，極端情況下將引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。為保證橋梁結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)營(yíng)，最好的解決方法就是對(duì)斜拉索進(jìn)行定期的檢測(cè)維護(hù)，且需要依據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)估。但是由于無(wú)損檢測(cè)方法(漏磁檢測(cè)、X射線(xiàn)檢測(cè)、超聲檢測(cè)、基于振動(dòng)法的索力檢測(cè)等)的局限性，在斜拉橋?qū)嶋H運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，只有極小部分斜拉索都得到檢測(cè)。鑒于斜拉索病害的普遍性，以及斜拉索修復(fù)和更換的高昂費(fèi)用，為應(yīng)對(duì)斜拉索結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀況下進(jìn)行腐蝕疲勞評(píng)估的需要，目前亟待認(rèn)識(shí)斜拉索結(jié)構(gòu)在服役全過(guò)程中的結(jié)構(gòu)索力歷程響應(yīng)。
[0004]目前存在的索力測(cè)試裝置有:壓力環(huán)、磁通量傳感器、光纖光柵智能拉索等，其中壓力環(huán)和光纖光柵智能拉索能夠直接測(cè)試索力歷程，廣泛的安裝和應(yīng)用于新建橋梁上。但是，這些索力監(jiān)測(cè)傳感器一般價(jià)格昂貴，安裝復(fù)雜(只能用于新建橋梁)，更主要的是傳感器的耐久性比較差，這些固有缺點(diǎn)限制了上述傳感器的大規(guī)模應(yīng)用。由于更換索力監(jiān)測(cè)傳感器耗時(shí)耗力，價(jià)格昂貴，因而亟需發(fā)展一種省時(shí)、省力、經(jīng)濟(jì)的實(shí)時(shí)索力歷程監(jiān)測(cè)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于以上不足之處，本發(fā)明提供一種基于多通道監(jiān)測(cè)加速度辨識(shí)時(shí)變拉索索力歷程的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，解決拉索時(shí)變索力歷程識(shí)別的問(wèn)題。
[0006]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種基于監(jiān)測(cè)加速度的拉索時(shí)變索力歷程識(shí)別的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，步驟如下:
[0007]步驟1:對(duì)待測(cè)試?yán)魍黄矫鎯?nèi)布設(shè)2-3個(gè)的加速度傳感器，測(cè)試斜拉索在環(huán)境激勵(lì)下的加速度響應(yīng)，并通過(guò)一個(gè)通道的10秒內(nèi)的加速度信號(hào)，辨識(shí)拉索基頻及該時(shí)間段
內(nèi)能夠激勵(lì)起來(lái)的最高頻率，拉索的基頻用表示，/i ，監(jiān)測(cè)加速度信號(hào)中能夠辨識(shí)
的拉索的最高頻率用A表示，{=1,4 ^ i Xf1，其中肩=+表示拉索在索力T作用

1 2π
下，第i階模態(tài)的圓頻率，μ為單位索長(zhǎng)的密度，L為斜拉索長(zhǎng)度為L(zhǎng) ；[0008]步驟2:設(shè)計(jì)高通濾波器，截止頻率(1-1.5) ，將拉索的多通道加速度信號(hào)中出現(xiàn)的最高兩階頻率A和fg提取出來(lái)；
[0009]步驟3:選擇3秒的窗函數(shù)，對(duì)窗函數(shù)內(nèi)的多通道加速度信號(hào)進(jìn)行濾波預(yù)處理，預(yù)處理后加速度信號(hào)通過(guò)復(fù)雜度尋蹤算法分離得到單模態(tài)響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)快速傅里葉變換或功率譜計(jì)算單模態(tài)響應(yīng)信號(hào)的頻率，利用張緊弦理論，通過(guò)辨識(shí)的頻率計(jì)算拉索的時(shí)變索力；
[0010]步驟4:滑動(dòng)窗函數(shù)，對(duì)窗函數(shù)內(nèi)的加速度信號(hào)重復(fù)步驟3，辨識(shí)拉索的時(shí)變索力歷程。
[0011]本發(fā)明還具有如下技術(shù)特征:
[0012]1、應(yīng)通過(guò)多通道加速度信號(hào)辨識(shí)拉索的時(shí)變頻率，進(jìn)而辨識(shí)拉索的時(shí)變索力歷程。
[0013]2、對(duì)多通道加速度信號(hào)進(jìn)行高通濾波預(yù)處理，提取拉索能夠被激勵(lì)起的最高的2階頻率。
[0014]3、利用復(fù)雜度尋蹤處理算法，將滑動(dòng)窗內(nèi)多模態(tài)響應(yīng)分解為單模態(tài)響應(yīng)，頻率分辨率AfS0.025HZ的頻率分辨率準(zhǔn)確辨識(shí)單模態(tài)響應(yīng)的頻率，利用張緊弦理論計(jì)算時(shí)變索力歷程。
[0015]本發(fā)明基于成熟的加速度傳感器測(cè)試技術(shù)，相對(duì)于目前發(fā)展的其他類(lèi)型的索力監(jiān)測(cè)傳感器，本發(fā)明采用的加速度傳感器成熟可靠，測(cè)試精度高，價(jià)格便宜，傳感器安裝以及更換都很方便，從而使得本發(fā)明提出的拉索時(shí)變索力歷程辨識(shí)系統(tǒng)具有極高的可靠性和耐久性。本發(fā)明監(jiān)測(cè)加速度信息，通過(guò)辨識(shí)時(shí)變頻率計(jì)算索力，方法簡(jiǎn)單易用，索力辨識(shí)精度高，時(shí)效性強(qiáng)且能夠?qū)崿F(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)辨識(shí)，本發(fā)明方法的魯棒性及可靠性強(qiáng)，尤其適用于拉索的在線(xiàn)評(píng)估。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為Benchmark橋梁的智能拉索制作構(gòu)造和C8拉索位置簡(jiǎn)圖；
[0017]圖2為Benchmark橋梁實(shí)測(cè)風(fēng)速和索力時(shí)程曲線(xiàn)圖(測(cè)試時(shí)間為2008年I月17日1:00-2:00AM，紅框內(nèi)為選擇的待辨識(shí)索力)；
[0018]圖3為Benchmark橋梁拉索加速度時(shí)程曲線(xiàn)圖(開(kāi)始時(shí)間為2008年I月17日1:40AM)；
[0019]圖4為C8拉索八分點(diǎn)通道10秒加速度功率譜圖；
[0020]圖5為C8拉索倍頻特性圖；
[0021]圖6為CS拉索八分點(diǎn)通道和四分點(diǎn)通道3秒加速度濾波后的時(shí)程曲線(xiàn)及其功率譜圖；
[0022]圖7為復(fù)雜度尋蹤得到的單模態(tài)響應(yīng)時(shí)程曲線(xiàn)及其功率譜圖；
[0023]圖8為辨識(shí)的C8拉索時(shí)變頻率圖；
[0024]圖9為本發(fā)明算法辨識(shí)CS拉索索力與實(shí)測(cè)索力對(duì)比圖；
[0025]圖10為拉索時(shí)變索力歷程辨識(shí)試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖；
[0026]圖11為S#1測(cè)試加速度10秒功率譜圖；
[0027]圖12為試驗(yàn)拉索倍頻關(guān)系圖[0028]圖13為試驗(yàn)拉索S#1和S#3傳感器3秒加速度濾波后的時(shí)程曲線(xiàn)及其功率譜；
[0029]圖14為復(fù)雜度尋蹤得到的單模態(tài)響應(yīng)時(shí)程曲線(xiàn)及其功率譜圖；
[0030]圖15為辨識(shí)的試驗(yàn)拉索時(shí)變頻率圖；
[0031]圖16為本發(fā)明算法辨識(shí)試驗(yàn)拉索索力與實(shí)測(cè)索力對(duì)比工況I圖；
[0032]圖17為本發(fā)明算法辨識(shí)試驗(yàn)拉索索力與實(shí)測(cè)索力對(duì)比工況2圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]本發(fā)明的具體實(shí)施方案，通過(guò)結(jié)合實(shí)測(cè)索力和實(shí)測(cè)風(fēng)速的斜拉橋的模擬分析以及拉索的模型試驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明。
[0034]對(duì)于小垂度的斜拉索(長(zhǎng)度為L(zhǎng)，截面面積為A，楊氏模量為E)，其平面外的第i階模態(tài)的橫向振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程可以表示為
[0035]
【權(quán)利要求】
1.一種基于監(jiān)測(cè)加速度的拉索時(shí)變索力歷程識(shí)別的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，步驟如下: 步驟1:對(duì)待測(cè)試?yán)魍黄矫鎯?nèi)布設(shè)2-3個(gè)的加速度傳感器，測(cè)試斜拉索在環(huán)境激勵(lì)下的加速度響應(yīng)，并通過(guò)一個(gè)通道的10秒內(nèi)的加速度信號(hào)，辨識(shí)拉索基頻及該時(shí)間段內(nèi)能夠激勵(lì)起來(lái)的最高頻率，拉索的基頻用表示，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于監(jiān)測(cè)加速度的拉索時(shí)變索力歷程識(shí)別的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于:應(yīng)通過(guò)多通道加速度信號(hào)辨識(shí)拉索的時(shí)變頻率，進(jìn)而辨識(shí)拉索的時(shí)變索力歷程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于監(jiān)測(cè)加速度的拉索時(shí)變索力歷程識(shí)別的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于:對(duì)多通道加速度信號(hào)進(jìn)行高通濾波預(yù)處理，提取拉索能夠被激勵(lì)起的最高的2階頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于監(jiān)測(cè)加速度的拉索時(shí)變索力歷程識(shí)別的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于:利用復(fù)雜度尋蹤處理算法，將滑動(dòng)窗內(nèi)多模態(tài)響應(yīng)分解為單模態(tài)響應(yīng)，頻率分辨率Af< 0.025HZ的頻率分辨率準(zhǔn)確辨識(shí)單模態(tài)響應(yīng)的頻率，利用張緊弦理論計(jì)算時(shí)變索力歷程。
【文檔編號(hào)】G01L5/00GK103698071SQ201310714346
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】李惠, 李順龍, 薩蒂什·納格拉哲, 楊永超 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)