大跨桥梁结构整体抗侧力性能异常的预警方法技术

大跨桥梁结构整体抗侧力性能异常的预警方法包含如下步骤：（1）对主梁跨中部位的三维风场和GPS位移效应进行数据采集；（2）对采集数据进行矢量分解和均值处理，得到横桥向静风速序列和静位移序列；（3）对静风速序列和静位移序列按月份划分，并利用小波包互相关系数确定两者在同月份的主相关序列；（4）依次对各月主相关序列进行傅里叶级数拟合，利用拟合参数值的月变化特征对大跨桥梁结构的整体抗侧力性能进行异常预警。本发明专利技术提出的一种基于实测风载效应的大跨桥梁结构整体抗侧力性能异常预警方法，弥补了大跨桥梁结构在整体抗侧力性能异常预警方面的研究空白，可为大跨桥梁结构整体抗侧力性能的监测和分析工作提供重要参考。

Early warning method of overall lateral resistance performance of long-span bridge structure

Early warning method for long-span bridge structures abnormal overall lateral behavior includes the following steps: (1) the three-dimensional wind field and GPS displacement effect of main girder in parts of the data acquisition; (2) vector decomposition and mean processing of collected data, get the cross bridge to the static wind series and static displacement sequence; (3) on the static wind series and static displacement sequence according to the month divided by wavelet packet and cross-correlation coefficient to determine the two main related sequences in the same month; (4) followed by Fourier series fitting for each month the main sequence, using the fitting parameters of the monthly variation characteristics of the overall structure of large span bridge anti lateral force the performance of abnormal warning. The invention relates to a wind load effect based on a long-span bridge structure method of early warning of abnormal lateral force resisting performance, make up the blank of the long-span bridge structure in the whole anti lateral force performance abnormal warning, can provide an important reference for the large span bridge structure lateral behavior monitoring and analysis.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于实测风载效应的大跨桥梁结构整体抗侧力性能异常预警方法。
技术介绍
风载作用下大跨桥梁结构的整体抗侧力性能直接关系到整个桥梁结构在运营期间的正常使用和安全性能。在100年设计服役期内，桥梁构件由于长期受到气候、环境、荷载等外界因素影响，其结构材料会被逐渐腐蚀、老化和形成损伤累积，使得桥梁结构的整体抗侧力性能逐渐发生退化。然而，目前针对桥梁结构整体抗侧力性能退化的实时监测和分析工作甚少，普遍将桥梁结构的整体抗侧力性能始终视为运营初期的完好状态，而且桥梁结构重要构件的侧向抗力设计也很少会考虑到“抗侧力性能退化”这一影响因素。可见，工程界对于大跨桥梁结构在服役期间的整体抗侧力性能退化行为缺乏足够认识，有必要深入研究大跨桥梁结构的整体抗侧力性能退化分析方法。由于大跨桥梁结构在横桥向主要承受风荷载作用，由风荷载引起的主梁侧向位移响应大小反映着整个桥梁结构的抗侧力性能，这一点为开展大跨桥梁结构的整体抗侧力性能分析工作提供了契机。鉴于此，本专利技术提出一种基于实测风载效应的大跨桥梁结构整体抗侧力性能异常预警方法。
技术实现思路
技术问题：本专利技术针对现有技术中关于大跨桥梁结构在整体抗侧力性能评价方面的研究空白，提出一种基于实测风载效应的大跨桥梁结构整体抗侧力性能异常预警方法。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术的一种基于实测风载效应的大跨桥梁结构整体抗侧力性能异常预警方法采用如下技术方案：本专利技术提出的一种基于实测风载效应的大跨桥梁结构整体抗侧力性能异常预警方法，该方法具体包括如下步骤：步骤（1）：对主梁跨中部位的三维风场和GPS位移效应进行数据采集：在大跨桥梁的主梁跨中处安装三维超声风速仪和GPS位移监测站，对此处风向量v(t)及位移向量u(t)进行实时监测并以时间序列存储，其中v(t)=[vr(t),α(t),β(t)]，u(t)=[ux(t),uy(t),uz(t)]，vr(t),α(t),β(t)分别为绝对风速、风攻角与风向角，ux(t),uy(t),uz(t)分别为GPS坐标系下的三轴方向位移，t表示时间，t=1,2,...,L，单位为秒，L表示时间长度；步骤（2）：对采集数据进行矢量分解和均值处理，得到横桥向静风速序列和静位移序列：利用以下两式将时间序列v(t)、u(t)进行矢量分解，得到横桥向风速时程vh(t)和位移时程ur(t)：vh(t)=vr(t)·cos(α(t))·sin(β(t))ur(t)=ux(t)·sin(γ)-uy(t)·cos(γ)式中γ表示GPS坐标系中的x轴与主梁纵向轴线的夹角；后将L划分为n个10min时间段，并利用下式计算每个时间段内对应vh(t)和ur(t)的平均值，得到静风速序列vm(k)和静位移序列um(k)：vm(k)=(Σt=600k-599t=600kvh(t))/600]]>um(k)=(Σt=600k-599t=600kμr(t))/600]]>式中k=1,2,…,n；步骤（3）：对静风速序列和静位移序列按月份划分，并利用小波包互相关系数确定两者在同月份的主相关序列：①对静风速序列和静位移序列按月份进行划分，以第q个月份的划分结果为分析例，将此月静风速值按递增排列并等间距划分为p段，其中静风速值排列前后的位置变化记为R(n1,n2)，R(n1,n2)具体表示第n1个静风速值在排列后位于第n2个位置；此外按照R(n1,n2)的排列规则将此月静位移值排列并同样均分为p段；②以第s段静风速值和静位移值为例，对此段静风速值和静位移值进行第4尺度小波包分解，两者均得到按结点位置排列的16个小波包系数，利用下式对相同结点位置小波包系数的重构序列进行逐一互相关分析：rvu(g)=Σng=1nt(g)(v~(g,ng)-v‾(g))(u~(g,ng)-u‾(g))[Σng=1nt(g)(v~(g,ng)-v‾(g))2Σng=1nt(g)(u~(g,ng)-u‾(g))2]0.5]]>式中，rvu(g)表示第g个小波包系数的重构静风速序列和静位移序列之间的互相关系数，分别为第g个小波包系数的第ng个重构静风速值和静位移值，nt(g)为第g个小波包系数的重构静风速值总个数，分别为第g个小波包系数的重构静风速序列和静位移序列的的均值，g=1,2,...,16；③从16个小波包系数中剔除掉互相关系数绝对值小于0.9对应的小波包系数，后对剩余小波包系数的重构序列叠加得到第s段静风速值和静位移值的重构序列，按此方法将得到的p段静风速值和静位移值的重构序列重新组合成第q个月份的静风速和静位移序列，以此作为静风速和静位移在此月的主相关序列，后对各月遍历得到所有月份静风速和静位移之间的主相关序列；步骤（4）：依次对各月主相关序列进行傅里叶级数拟合，利用拟合参数值的月变化特征对大跨桥梁结构的整体抗侧力性能进行异常预警：利用下式所示的二阶傅里叶级数，依次对各月主相关序列进行最小二乘拟合并确定各月参数估计值：um(vm)=Σe=02(ae(m)cos(e·w(m)·vm))+Σx=12(bx(m)sin(x·w(m)·vm))]]>式中，vm表示第m个月主相关序列中的静风速值，um表示第m个月主相关序列中的静位移值，ae(m)、bx(m)和w(m)分别为第m个月傅里叶级数的参数估计值。各参数估计值的月变化平稳特性直接关系到大跨桥梁结构的整体抗侧力性能，因此分别对其进行ADF单位根检验。(ADF单位根检验是判断时间序列平稳性的一种统计分析方法，又称为增广迪基-福勒检验，具体可通过调用MATLAB数学软件中的函数命令adftest得到检验结果，若检验结果不拒绝存在一个单位根的原假设，则表明时间序列具有非平稳性；若检验结果拒绝存在一个单位根的原假设，则表明时间序列具有平稳性。)对于各参数估计值的月变化序列的ADF检验结果可分为以下四种情况：①若每个参数估计值的检验结果均拒绝存在一个单位根的原假设，则大跨桥梁结构的整体抗侧力性能处于良好状态；②若存在1至2个参数估计值的检验结果不拒绝存在一个单位根的原假设，则对大跨桥梁结构的整体抗侧力性能进行黄色预警，并密切跟踪各参数估计值月变化特征的ADF单位根检验结果；③若存在3至4个参数估计值的检验结果不拒绝存在一个单位根的原假设，则对大跨桥梁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大跨桥梁结构整体抗侧力性能异常的预警方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤（1）：对主梁跨中部位的三维风场和GPS位移效应进行数据采集：在大跨桥梁的主梁跨中处安装三维超声风速仪和GPS位移监测站，对此处风向量v(t)及位移向量u(t)进行实时监测并以时间序列存储，其中v(t)=[vr(t),α(t),β(t)]，u(t)=[ux(t),uy(t),uz(t)]，vr(t),α(t),β(t)分别为绝对风速、风攻角与风向角，ux(t),uy(t),uz(t)分别为GPS坐标系下的三轴方向位移，t表示时间，t=1,2,...,L，单位为秒，L表示时间长度；步骤（2）：对采集数据进行矢量分解和均值处理，得到横桥向静风速序列和静位移序列：利用以下两式将时间序列v(t)、u(t)进行矢量分解，得到横桥向风速时程vh(t)和位移时程ur(t)：vh(t)=vr(t)·cos(α(t))·sin(β(t))ur(t)=ux(t)·sin(γ)-uy(t)·cos(γ)式中γ表示GPS坐标系中的x轴与主梁纵向轴线的夹角；后将L划分为n个10min时间段，并利用下式计算每个时间段内对应vh(t)和ur(t)的平均值，得到静风速序列vm(k)和静位移序列um(k)：vm(k)=(Σt=600k-599t=600kvh(t))/600]]>um(k)=(Σt=600k-599t=600kμr(t))/600]]>式中k=1,2,…,n；步骤（3）：对静风速序列和静位移序列按月份划分，并利用小波包互相关系数确定两者在同月份的主相关序列：①对静风速序列和静位移序列按月份进行划分，以第q个月份的划分结果为分析例，将此月静风速值按递增排列并等间距划分为p段，其中静风速值排列前后的位置变化记为R(n1,n2)，R(n1,n2)具体表示第n1个静风速值在排列后位于第n2个位置；此外按照R(n1,n2)的排列规则将此月静位移值排列并同样均分为p段；②以第s段静风速值和静位移值为例，对此段静风速值和静位移值进行第4尺度小波包分解，两者均得到按结点位置排列的16个小波包系数，利用下式对相同结点位置小波包系数的重构序列进行逐一互相关分析：rvu(g)=Σng=1nt(g)(v~(g,ng)-v‾(g))(u~(g,ng)-u‾(g))[Σng=1nt(g)(v~(g,ng)-v‾(g))2Σng=1nt(g)(u~(g,ng)-u‾(g))2]0.5]]>式中，rvu(g)表示第g个小波包系数的重构静风速序列和静位移序列之间的互相关系数，分别为第g个小波包系数的第ng个重构静风速值和静位移值，nt(g)为第g个小波包系数的重构静风速值总个数，分别为第g个小波包系数的重构静风速序列和静位移序列的的均值，g=1,2,...,16；③从16个小波包系数中剔除掉互相关系数绝对值小于0.9对应的小波包系数，后对剩余小波包系数的重构序列叠加得到第s段静风速值和静位移值的重构序列，按此方法将得到的p段静风速值和静位移值的重构序列重新组合成第q个月份的静风速和静位移序列，以此作为静风速和静位移在此月的主相关序列，后对各月遍历得到所有月份静风速和静位移之间的主相关序列；步骤（4）：依次对各月主相关序列进行傅里叶级数拟合，利用拟合参数值的月变化特征对大跨桥梁结构的整体抗侧力性能进行异常预警：利用下式所示的二阶傅里叶级数，依次对各月主相关序列进行最小二乘拟合并确定各月参数估计值：um(vm)=Σe=02(ae(m)cos(e·w(m)·vm))+Σx=12(bx(m)sin(x·w(m)·vm))]]>式中，vm表示第m个月主相关序列中的静风速值，um表示第m个月主相关序列中的静位移值，ae(m)、bx(m)和w(m)分别为第m个月傅里叶级数的参数估计值；分别对各参数估计值的月变化特性进行ADF单位根检验，若每个参数估计值的检验结果均拒绝存在一个单位根的原假设，则大跨桥梁结构的整体抗侧力性能处于良好状态；若存在1至2个参数估计值的检验结果不拒绝存在一个单位根的原假设，则对大跨桥梁结构的整体抗侧力性能进行黄色预警，并密切跟踪各参数估计值月变化特征的ADF单位根检验结果；若存在3至4个参数估计值的检验结果不拒绝存在一个单位根的原假设，则对大跨桥梁结构的整体抗侧力性能进行橙色预警，并派桥梁检修人员对桥梁结构关键构件和部位进行现场检测，根据检测结果采取应对措施；若存在4个以上参数估计值的检验结果不拒绝存在一个单位根的原假设，则对大跨桥梁结构的整体抗侧力性能...

【技术特征摘要】
1.一种大跨桥梁结构整体抗侧力性能异常的预警方法，其特征在于，该方法包
括如下步骤：
步骤（1）：对主梁跨中部位的三维风场和GPS位移效应进行数据采集：
在大跨桥梁的主梁跨中处安装三维超声风速仪和GPS位移监测站，对此处风向
量v(t)及位移向量u(t)进行实时监测并以时间序列存储，其中v(t)=[vr(t),α(t),β(t)]，
u(t)=[ux(t),uy(t),uz(t)]，vr(t),α(t),β(t)分别为绝对风速、风攻角与风向角，ux(t),uy(t),uz(t)
分别为GPS坐标系下的三轴方向位移，t表示时间，t=1,2,...,L，单位为秒，L表示
时间长度；
步骤（2）：对采集数据进行矢量分解和均值处理，得到横桥向静风速序列和静
位移序列：
利用以下两式将时间序列v(t)、u(t)进行矢量分解，得到横桥向风速时程vh(t)和
位移时程ur(t)：
vh(t)=vr(t)·cos(α(t))·sin(β(t))
ur(t)=ux(t)·sin(γ)-uy(t)·cos(γ)
式中γ表示GPS坐标系中的x轴与主梁纵向轴线的夹角；后将L划分为n个10min
时间段，并利用下式计算每个时间段内对应vh(t)和ur(t)的平均值，得到静风速序列
vm(k)和静位移序列um(k)：
vm(k)=(Σt=600k-599t=600kvh(t))/600]]>um(k)=(Σt=600k-599t=600kμr(t))/600]]>式中k=1,2,…,n；
步骤（3）：对静风速序列和静位移序列按月份划分，并利用小波包互相关系数
确定两者在同月份的主相关序列：
①对静风速序列和静位移序列按月份进行划分，以第q个月份的划分结果为分
析例，将此月静风速值按递增排列并等间距划分为p段，其中静风速值排列前后的
位置变化记为R(n1,n2)，R(n1,n2)具体表示第n1个静风速值在排列后位于第n2个位
置；此外按照R(n1,n2)的排列规则将此月静位移值排列并同样均分为p段；
②以第s段静风速值和静位移值为例，对此段静风速值和静位移值进行第4尺
度小波包分解，两者均得到按结点位置排列的16个小波包系数，利用下式对相同结
点位置小波包系数的重构序列进行逐一互相关分析：
rvu(g)=Σng=1nt(g)(v~(g,ng)-v‾(g))(u~(g,ng)-u‾(g))[Σng=1nt(g)(v~(g,ng)-v‾(g))2Σng=1nt(g)(u~(g,ng)-u‾(g))2]0.5]]>式中，rvu(g)表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：王高新，丁幼亮，宋永生，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32