基于监测加速度的拉索时变索力历程识别的数据驱动方法技术

本发明专利技术提出了一种基于监测加速度的拉索时变索力历程识别的数据驱动方法，运用复杂度寻踪这种高效的无监督学习算法，利用拉索上布置的多通道加速度传感器的监测信息，实现了对索力时程进行实时辨识。复杂度寻踪算法可以自主地将拉索的加速度响应分解为拉索的单模态响应，进而通过极短时间的加速度信息辨识拉索的实时频率，通过张紧弦理论计算索力时程。通过结合实测索力和实测风速的斜拉桥的模拟分析以及拉索的模型试验，证明了所提出的复杂度寻踪算法能够对时变索力历程进行准确的实时识别。本发明专利技术是一种直接有效的时变索力历程辨识方法，简单易用，索力辨识精度高，时效性强且能够实现在线实时辨识，尤其适用于拉索的在线评估。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种土木工程结构响应辨识的方法，具体涉及一种。
技术介绍
斜拉桥由于其跨度大、造型美观、施工方便等特点，是目前世界上应用最广泛的桥型。斜拉桥一般会成为一个地区的标志性建筑，而且往往是一个地区的交通枢纽，对该地区的政治经济有着至关重要的影响。斜拉索作为斜拉桥主要的承重构件，由高强度钢丝束和PE护套组成。斜拉索在长达几十年使用期内，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用下，将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下将引发灾难性的突发事故。为保证桥梁结构的正常运营，最好的解决方法就是对斜拉索进行定期的检测维护，且需要依据检测结果对其进行安全评估。但是由于无损检测方法(漏磁检测、X射线检测、超声检测、基于振动法的索力检测等)的局限性，在斜拉桥实际运营过程中，只有极小部分斜拉索都得到检测。鉴于斜拉索病害的普遍性，以及斜拉索修复和更换的高昂费用，为应对斜拉索结构运营状况下进行腐蚀疲劳评估的需要，目前亟待认识斜拉索结构在服役全过程中的结构索力历程响应。 目前存在的索力测试装置有:压力环、磁通量传感器、光纤光栅智能拉索等，其中压力环和光纤光栅智能拉索能够直接测试索力历程，广泛的安装和应用于新建桥梁上。但是，这些索力监测传感器一般价格昂贵，安装复杂(只能用于新建桥梁)，更主要的是传感器的耐久性比较差，这些固有缺点限制了上述传感器的大规模应用。由于更换索力监测传感器耗时耗力，价格昂贵，因而亟需发展一种省时、省力、经济的实时索力历程监测方法。
技术实现思路
基于以上不足之处，本专利技术提供一种基于多通道监测加速度辨识时变拉索索力历程的数据驱动方法，解决拉索时变索力历程识别的问题。本专利技术采用如下技术方案实现:一种，步骤如下:步骤1:对待测试拉索同一平面内布设2-3个的加速度传感器，测试斜拉索在环境激励下的加速度响应，并通过一个通道的10秒内的加速度信号，辨识拉索基频及该时间段内能够激励起来的最高频率，拉索的基频用表示，/i ，监测加速度信号中能够辨识的拉索的最高频率用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阶模态的圆频率，μ为单位索长的密度，L为斜拉索长度为L ；步骤2:设计高通滤波器，截止频率(1-1.5) ，将拉索的多通道加速度信号中出现的最高两阶频率A和fg提取出来；步骤3:选择3秒的窗函数，对窗函数内的多通道加速度信号进行滤波预处理，预处理后加速度信号通过复杂度寻踪算法分离得到单模态响应信号，通过快速傅里叶变换或功率谱计算单模态响应信号的频率，利用张紧弦理论，通过辨识的频率计算拉索的时变索力；步骤4:滑动窗函数，对窗函数内的加速度信号重复步骤3，辨识拉索的时变索力历程。本专利技术还具有如下技术特征:1、应通过多通道加速度信号辨识拉索的时变频率，进而辨识拉索的时变索力历程。2、对多通道加速度信号进行高通滤波预处理，提取拉索能够被激励起的最高的2阶频率。3、利用复杂度寻踪处理算法，将滑动窗内多模态响应分解为单模态响应，频率分辨率AfS0.025HZ的频率分辨率准确辨识单模态响应的频率，利用张紧弦理论计算时变索力历程。本专利技术基于成熟的加速度传感器测试技术，相对于目前发展的其他类型的索力监测传感器，本专利技术采用的加速度传感器成熟可靠，测试精度高，价格便宜，传感器安装以及更换都很方便，从而使得本专利技术提出的拉索时变索力历程辨识系统具有极高的可靠性和耐久性。本专利技术监测加速度信息，通过辨识时变频率计算索力，方法简单易用，索力辨识精度高，时效性强且能够实现在线实时辨识，本专利技术方法的鲁棒性及可靠性强，尤其适用于拉索的在线评估。【附图说明】图1为Benchmark桥梁的智能拉索制作构造和C8拉索位置简图；图2为Benchmark桥梁实测风速和索力时程曲线图(测试时间为2008年I月17日1:00-2:00AM，红框内为选择的待辨识索力)；图3为Benchmark桥梁拉索加速度时程曲线图(开始时间为2008年I月17日1:40AM)；图4为C8拉索八分点通道10秒加速度功率谱图；图5为C8拉索倍频特性图；图6为CS拉索八分点通道和四分点通道3秒加速度滤波后的时程曲线及其功率谱图；图7为复杂度寻踪得到的单模态响应时程曲线及其功率谱图；图8为辨识的C8拉索时变频率图；图9为本专利技术算法辨识CS拉索索力与实测索力对比图；图10为拉索时变索力历程辨识试验装置简图；图11为S#1测试加速度10秒功率谱图；图12为试验拉索倍频关系图图13为试验拉索S#1和S#3传感器3秒加速度滤波后的时程曲线及其功率谱；图14为复杂度寻踪得到的单模态响应时程曲线及其功率谱图；图15为辨识的试验拉索时变频率图；图16为本专利技术算法辨识试验拉索索力与实测索力对比工况I图；图17为本专利技术算法辨识试验拉索索力与实测索力对比工况2图。【具体实施方式】本专利技术的具体实施方案，通过结合实测索力和实测风速的斜拉桥的模拟分析以及拉索的模型试验进行说明。对于小垂度的斜拉索(长度为L，截面面积为A，杨氏模量为E)，其平面外的第i阶模态的横向振动运动方程可以表示为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于监测加速度的拉索时变索力历程识别的数据驱动方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：对待测试拉索同一平面内布设2‑3个的加速度传感器，测试斜拉索在环境激励下的加速度响应，并通过一个通道的10秒内的加速度信号，辨识拉索基频及该时间段内能够激励起来的最高频率，拉索的基频用f1表示，监测加速度信号中能够辨识的拉索的最高频率用fi表示，fi≈i×f1，其中，表示拉索在索力T作用下，第i阶模态的圆频率，μ为单位索长的密度，L为斜拉索长度为L；步骤2：设计高通滤波器，截止频率(i‑1.5)f1，将拉索的多通道加速度信号中出现的最高两阶频率fi和fi‑1提取出来；步骤3：选择3秒的窗函数，对窗函数内的多通道加速度信号进行滤波预处理，预处理后加速度信号通过复杂度寻踪算法分离得到单模态响应信号，通过快速傅里叶变换或功率谱计算单模态响应信号的频率，利用张紧弦理论，通过辨识的频率计算拉索的时变索力；步骤4：滑动窗函数，对窗函数内的加速度信号重复步骤3，辨识拉索的时变索力历程。FSA0000099392720000011.tif,FSA0000099392720000012.tif,FSA0000099392720000013.tif...

【技术特征摘要】
1.一种基于监测加速度的拉索时变索力历程识别的数据驱动方法，其特征在于，步骤如下: 步骤1:对待测试拉索同一平面内布设2-3个的加速度传感器，测试斜拉索在环境激励下的加速度响应，并通过一个通道的10秒内的加速度信号，辨识拉索基频及该时间段内能够激励起来的最高频率，拉索的基频用表示， 2.根据权利要求1所述的基于监测加速度的拉索时变索力历程识别的数据驱动方法，其特征在于:应通过多通道加速度信号辨识拉索的时变频率，进而辨识拉索的时...

【专利技术属性】
技术研发人员：李惠，李顺龙，萨蒂什·纳格拉哲，杨永超，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23