大跨悬索桥涡振事件的实时识别和监测预警方法技术

本发明专利技术公开一种大跨悬索桥涡振事件的实时识别和监测预警方法，先对桥梁监测加速度信号计算频谱；根据频谱一阶能量峰值对应桥梁一阶频率来确定高通滤波截止频率，通过滤波去除信号中的低频噪声干扰，并采用递归加速度积分方法计算桥梁实时振动位移；再通过对积分位移数据进行实时递归希尔伯特变换获得信号数据的实部和虚部，对信号进行复平面表达并评估，实现了涡振的识别预警。本发明专利技术的优点是具有实时性高、高精度，准确和直观；在线实时涡振识别和测量桥梁涡振时的振动特性，进行桥梁的涡振预警和在线监测。

【技术实现步骤摘要】
大跨悬索桥涡振事件的实时识别和监测预警方法
本专利技术涉及大跨桥梁结构监测领域，特别涉及一种大跨悬索桥涡振事件的实时识别和监测预警方法。
技术介绍
桥梁涡激共振是桥梁运营中的一个重要振动问题，是由周期性交替脱落的漩涡引起的主梁限幅振动现象。虽然桥梁涡振不像颤振、驰振等发散性振动会导致桥梁动力失稳和破坏，但是涡振很容易在低风速下发生，并且较大的振幅会造成桥梁缆索等结构的疲劳，也会影响行车舒适性和行车安全，因此，桥梁涡振的实时在线识别和预警十分重要，并且是桥梁运维管理以及进行后续振动控制的基础。目前，桥梁的涡振响应及特性研究相对成熟，但主要是基于振动后数据的批处理，具有一定的后效性，以及大量的桥梁涡振半主动控制研究的前提是要实时在线识别出桥梁涡振的产生。因此，迫切需要一种针对在线监测环境下的桥梁涡振事件发生的实时识别方法。桥梁正常运营状态下的环境激励随机振动和涡激共振时的振动特性有明显区别，涡振发生时，桥梁振动近似一种单模态的振动形式，其频谱呈现单一能量峰值，其余峰值能量很小，桥梁响应类似标准正弦函数。基于桥梁的涡振特性，目前的桥梁涡振识别主要是对通过人工肉眼识别桥梁监测数据中的稳定正弦振动段，或者通过对一段数据进行频谱分析并人工判断是否只有单一频谱峰值，这两种方法的缺点在于人工肉眼判断误差大，不准确，容易误判或漏判断；批处理频谱分析方法不能在线实时判断。并且上述两种方法均无法准确感知涡振的发生和结束时刻。这是本申请需要着重改善的地方。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是要提供一种基于希尔伯特变换的大跨悬索桥涡振事件的实时识别和监测预警方法。为了解决以上的技术问题，本专利技术提供了一种大跨悬索桥涡振事件的实时识别和监测预警方法，包括以下的步骤：步骤S1：基于桥梁加速度监测信号时程，通过快速傅里叶变换FFT计算频谱，读取频谱一阶能量峰值对应的横坐标，获得结构的一阶频率，并确定滤波截止频率：；式中，为滤波比例系数；对于大跨桥梁，取为；步骤S2：通过递归高通滤波方法去除加速度信号中的低频噪声干扰，递归滤波器的形式为：；式中，和分别为输入和输出信号，为近似于1的常数；步骤S3：采用递归加速度积分方法计算桥梁的振动位移：先采用递归最小二乘法对桥梁加速度监测信号进行基线校正，再采用递归高通滤波消除加速度信号中的低频噪声，最后通过时域二次积分方法将加速度信号积分得到桥梁振动位移数据；步骤S4：对积分位移数据进行短时递归希尔伯特变换，构造复数域的解析信号，并获得信号数据的实部和虚部，对信号进行复平面表达：；式中，为对时域信号进行希尔伯特变换：；对于离散监测信号数据，其希尔伯特变换计算式为：；式中，为采样信号；为信号采样长度，为脉冲响应乘子，表达形式为：；通过计算得到复数域解析信号的实部和虚部，以实部为x轴，虚部为y轴绘制数据复平面向量图像；或通过直接对实时加速度监测信号进行短时希尔伯特变换，并且以实部为x轴，虚部为y轴绘制数据复平面向量图像；步骤S5：涡振判断：1）复数域解析信号的实部和虚部生成的向量图像：若涡振产生，图像呈现圆形特征；非涡振区的图像杂乱无章无规律，对涡振的产生进行实时识别和预警；2）对实时加速度监测信号进行短时希尔伯特变换，其实部和虚部生成的向量图像：若涡振产生，图像呈现近似圆形特征；非涡振区的图像杂乱无章无规律,对涡振的产生进行实时识别和预警。基于所述步骤S3中的加速度信号积分得到桥梁振动位移数据，得到桥梁涡振过程中的瞬时频率、相位以及振幅；1）计算桥梁涡振的瞬时相位：基于加速度积分所得位移信号的短时递归希尔伯特变换，得到复数域解析信号的实部和虚部，则桥梁涡振的瞬时相位：；2）计算桥梁涡振的瞬时频率：对瞬时相位关于时间求一次导数，得到桥梁涡振的瞬时频率：；3）计算桥梁涡振的实时振幅：涡振期间的桥梁实时振幅由复数域解析信号的实部和虚部计算求得：；对桥梁涡振实时跟踪测量。本专利技术基于桥梁涡振时的类正弦振动特性，采用了希尔伯特变换将时域一维监测信号进行处理转换为二维复平面向量，当涡振发生时，该二维复平面向量图形呈现标准的圆形，清晰、直观地识别桥梁涡振的发生。本专利技术的优越功效在于：1）本专利技术基于监测加速度数据的递归处理和短时递归希尔伯特变换，可实时显示出桥梁的振动状态，并且桥梁环境随机振动和涡振下的显示结果有明显差异，能直观、准确地感知桥梁涡振的发生，服务于桥梁的振动控制和运营维护工作，并且满足在线监测环境下的实时性、连续性的要求，易于实现，具有很高的工程应用价值和广阔的应用前景；2）本专利技术方法过程简单，通过实时监测数据处理分析结果表明，极易识别和感知桥梁涡振的产生，通过计算涡振的瞬时指标可实现涡振实时预警和在线测量，并且计算效率高，可持续稳定运行；3）本专利技术方法具有实时性高（秒级）、高精度，准确和直观等特点；4）本专利技术方法可用于在线实时感知桥梁涡振的开始和结束时刻以及识别和测量桥梁涡振时的振动特性，如瞬时频率、相位、幅值等，并据此进行桥梁的涡振预警和在线监测；5）本专利技术方法的应用场景广泛。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术方法的流程图；图2a为涡振发生时原始加速度信号希尔伯特变换复平面向量图；图2b为涡振发生时信号积分处理后希尔伯特变换复平面向量图；图3a为环境随机振动时原始加速度信号希尔伯特变换复平面向量图；图3b为环境随机振动时信号积分处理后希尔伯特变换复平面向量图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明。图1示出了本专利技术实施例的方法流程图。如图1所示，本专利技术提供了一种大跨悬索桥涡振事件的实时识别和监测预警方法，采用实桥健康监测系统的加速度传感器获取的实时加速度数据进行计算分析，采样频率为50Hz，包括以下步骤：S1：基于桥梁加速度监测信号时程，通过快速傅里叶变换FFT计算频谱，读取频谱一阶能量峰值对应的横坐标，获得结构的一阶频率，并确定滤波截止频率：；式中，为滤波比例系数；对于大跨桥梁，取为；S2：通过递归高通滤波方法去除加速度信号中的低频噪声干扰，递归滤波器的形式为：；式中，和分别为输入和输出信号，为近似于1的常数；S3：采用递归加速度积分方法计算桥梁的振动位移：先采用递归最小二乘法对桥梁加速度监测信号进行基线校正，再采用递归高通滤波消除加速度信号中的低频噪声，最后通过时域二次积分方法将加速度信号积分得到桥梁振动位移数据；S4：对积分位移数据进行短时递归希尔伯特变换，构造复数域的解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大跨悬索桥涡振事件的实时识别和监测预警方法，包括以下的步骤：/n步骤S1：基于桥梁加速度监测信号时程，通过快速傅里叶变换FFT计算频谱，读取频谱一阶能量峰值对应的横坐标，获得结构的一阶频率

【技术特征摘要】
1.一种大跨悬索桥涡振事件的实时识别和监测预警方法，包括以下的步骤：
步骤S1：基于桥梁加速度监测信号时程，通过快速傅里叶变换FFT计算频谱，读取频谱一阶能量峰值对应的横坐标，获得结构的一阶频率，并确定滤波截止频率：

；
式中，为滤波比例系数；
步骤S2：通过递归高通滤波方法去除加速度信号中的低频噪声干扰，递归滤波器的形式为：

；
式中，和分别为输入和输出信号，为近似于1的常数；
步骤S3：采用递归加速度积分方法计算桥梁的振动位移：
先采用递归最小二乘法对桥梁加速度监测信号进行基线校正，再采用递归高通滤波消除加速度信号中的低频噪声，最后通过时域二次积分方法将加速度信号积分得到桥梁振动位移数据；
步骤S4：对积分位移数据进行短时递归希尔伯特变换，构造复数域的解析信号，并获得信号数据的实部和虚部，对信号进行复平面表达：

；
式中，为对时域信号进行希尔伯特变换：；
对于离散监测信号数据，其希尔伯特变换计算式为：

；
式中，为采样信号；

为信号采样长度，为脉冲响应乘子，表达形式为：

；
通过计算得到复数域解析信号的实部和虚部，以实部为x轴，虚部为y轴绘制数据复平面...

【专利技术属性】
技术研发人员：淡丹辉，李厚金，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31