一种移动荷载作用下桥梁拟静力位移提取方法技术

本发明专利技术公开了一种移动荷载作用下桥梁拟静力位移提取方法，其步骤包括：确定拟静力位移的转换函数；设计一个有限脉冲响应FIR滤波器；将所测位移信号输入FIR滤波器得到拟静力位移。本发明专利技术能利用传感器测得的位移信号获取桥梁的拟静力位移，解决了为获取桥梁拟静力位移时荷载移动速度较低产生的时耗长、费用高等问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
一种移动荷载作用下桥梁拟静力位移提取方法


[0001]本专利技术涉及于结构安全监测领域，具体地说是一种移动荷载作用下桥梁拟静力位移提取方法。

技术介绍

[0002]在实际中，在桥梁不同位置加载静力荷载获取桥梁位移影响线的方法操作十分耗时且容易受到操作环境的影响，因此通过荷载移动速度很低时产生的与位移影响线很接近的拟静力位移代替静力位移进行结构安全状态评估越来越受到关注。
[0003]拟静力位移表示桥梁在没有动力效应的情况下，由于移动荷载引起的时变位移。拟静力位移通常具有非常低的振动频率，甚至接近于零的频率，因此与桥梁静力位移十分接近。拟静力位移既可以通过速度很低的移动荷载作用于桥梁直接产生，然而，由于荷载移动速度较低，会产生时耗长、费用高等问题，计算量大且不符合现实情况。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为克服现有获取移动荷载作用下桥梁拟静力位移的方法中存在的不足之处，提供一种移动荷载作用下桥梁拟静力位移提取方法，以期能从测量的实际桥梁位移响应中提取拟静力位移，解决传统方法中为获取桥梁拟静力位移时荷载移动速度较低产生的时耗长、费用高等问题，从而能提高评估结构安全状态的效率。
[0005]为达到上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案予以实现：
[0006]一种移动荷载作用下桥梁拟静力位移提取方法，包含以下步骤：
[0007]步骤1：为了计算拟静力位移，定义拟静力位移的精度函数(PTF)：
[0008][0009]其中表示归一化到结构一阶固有频率的频率，简称标准频率，即f和f1分别为频率和结构一阶固有频率，f1可通过对实测位移响应做快速傅里叶变换识别出；λ为控制精度函数的算子，可表示为，
[0010][0011]其中η表示由加速度重构的位移在一阶固有频率处的精度，称为目标精度；
[0012]步骤2：选取目标精度η，为了更准确地计算拟静力位移，精度函数应尽快地收敛于零，即目标精度η应尽量取大，因此目标精度η取0.99；
[0013]步骤3：设计一个FIR滤波器，将某一时刻的拟静力位移表示为以该时刻为中心的某一时间窗内的所有总位移的线性组合：
[0014][0015]其中表示t时刻的拟静力位移，对应的时间窗包含2k+1个时间点，相邻时间点间隔为Δt，c为FIR滤波器的系数，u为总位移，这些总位移由位移传感器测得；假设位移传感器的采样频率为f
s
，则Δt＝1/f
s
；
[0016]步骤4：对式(3)做傅里叶变换，可得:
[0017][0018]其中F表示傅里叶变换，为一阶固有频率与位移采样频率的比值为FIR滤波器的转换函数FTF；
[0019]步骤5：为了从测量的总位移中提取出拟静力位移，FIR滤波器转换函数应近似等于拟静力位移的精度函数即：
[0020][0021]由此解得FIR滤波器的系数：
[0022][0023]步骤6：由式(6)可知，该FIR滤波器的系数均为实数，且关于p＝0对称，每个系数与时间窗的长度无关；由式(3)可知，拟静力位移会随着时间窗的长度变化而变化，因此，为了精确计算拟静力位移，时间窗的长度应选择适当，时间窗的长度可表示为：
[0024][0025]其中d
w
表示时间窗长度，1/f1为一阶固有振动周期，为计算时间窗的系数，
[0026]步骤7：式(6)中，令当p＝k时，则有：
[0027][0028]步骤8：根据截断傅里叶级数的性质，式(4)中的转换函数H
d
(f)随着k的增大存在波动特性，即吉布斯现象，为了减小吉布斯现象，时间窗的长度应选择适当，使得滤波器系数平滑地接近零，因此，令最后一项系数等于零，即c
2k+1
＝0，等价于
[0029]步骤9：将测量的总位移u
m
输入设计好的FIR滤波器中，提取到拟静力位移u
f
。
[0030]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
分别为频率和结构一阶固有频率，f1可通过对实测位移响应做快速傅里叶变换识别出。λ为控制精度函数的算子，可表示为，
[0048][0049]其中η表示由加速度重构的位移在一阶固有频率处的精度，称为目标精度。
[0050]步骤5：选取目标精度η，为了更准确地计算拟静力位移，精度函数应尽快地收敛于零，即目标精度η应尽量取大，因此目标精度η取0.99。
[0051]步骤6：设计一个FIR滤波器，如图1所示，它将某一时刻的拟静力位移表示为以该时刻为中心的某一时间窗内的所有总位移的线性组合：
[0052][0053]其中表示t时刻的拟静力位移，对应的时间窗包含2k+1个时间点，相邻时间点间隔为Δt，c为FIR滤波器的系数，u为总位移。这些总位移由位移传感器测得。假设位移传感器的采样频率为f
s
，则Δt＝1/f
s
。
[0054]步骤7：对式(3)做傅里叶变换，可得:
[0055][0056]其中F表示傅里叶变换，为一阶固有频率与位移采样频率的比值(TSF),为FIR滤波器的转换函数(FTF)。
[0057]步骤8：为了从测量的总位移中提取出拟静力位移，FIR滤波器转换函数应近似等于拟静力位移的精度函数即：
[0058][0059]由此解得FIR滤波器的系数：
[0060][0061]步骤9：由式(6)可知，该FIR滤波器的系数均为实数，且关于p＝0对称，每个系数与时间窗的长度无关。由式(3)可知，拟静力位移会随着时间窗的长度变化而变化，因此，为了精确计算拟静力位移，时间窗的长度应选择适当。时间窗的长度可表示为：
[0062][0063]其中d
w
表示时间窗长度，1/f1为一阶固有振动周期，为计算时间窗的系数，
[0064]步骤7：式(6)中，令当p＝k时，则有：
[0065][0066]步骤10：根据截断傅里叶级数的性质，式(4)中的转换函数H
d
(f)随着k的增大存在波动特性，即吉布斯现象。为了减小吉布斯现象，时间窗的长度应选择适当，使得滤波器系数平滑地接近零。因此，令最后一项系数等于零，即c
2k+1
＝0，等价于
[0067]步骤11：将测量的总位移u1输入设计好的FIR滤波器中，提取到拟静力位移u
PSD
，如图5所示。将提取到拟静力位移u
PSD
与极低速度下获取的真实拟静力位移u2进行比较，结果如图6所示。
[0068]综上所述，本专利技术方法设计了一种新的FIR滤波器，并通过将桥梁实际位移响应输入FIR滤波器中，提取桥梁在移动荷载下的拟静力位移。本专利技术通过从实际位移响应中提取拟静力位移，解决传统方法中为获取桥梁拟静力位移时荷载移动速度较低产生的时耗长、费用高等问题，降低了其计算成本。
[0069]应说明的是，以上实施例仅用以说明本专利技术的技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种移动荷载作用下桥梁拟静力位移提取方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1：为了计算拟静力位移，定义拟静力位移的精度函数定义拟静力位移的精度函数其中表示归一化到结构一阶固有频率的频率，简称标准频率，即f和f1分别为频率和结构一阶固有频率，f1可通过对实测位移响应做快速傅里叶变换识别出；λ为控制精度函数的算子，可表示为，其中η表示由加速度重构的位移在一阶固有频率处的精度，称为目标精度；步骤2：设计一个FIR滤波器，将某一时刻的拟静力位移表示为以该时刻为中心的某一时间窗内的所有总位移的线性组合：其中表示t时刻的拟静力位移，对应的时间窗包含2k+1个时间点，相邻时间点间隔为Δt，c为FIR滤波器的系数，u为总位移，这些总位移由位移传感器测得；假设位移传感器的采样频率为f
s
，则Δt＝1/f
s
；步骤3：对式(3)做傅里叶变换，可得:其中F表示傅里叶变换，为一阶固有频率与位移采样频率的比值TSF,为FIR滤波器的转换函数FTF；步骤4：为了从测量的总位移中提取出拟静力位移，FIR滤波器转换函数应近似等于拟静力位移的精度函数即：由此解得FIR滤波器的系数：步骤5...

【专利技术属性】
技术研发人员：户东阳，贺文宇，陈克坚，李聪林，李怡帆，卢三平，周昆，李冲杰，刘鹏，盛琦根，陈玉峰，
申请(专利权)人：中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：