GPS-RTK數(shù)據(jù)識(shí)別分析橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)

李富會(huì) 路華麗

(1.天津市陸海測(cè)繪有限公司，天津 300304； 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072)

1 概述

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，大量復(fù)雜橋梁因此快速興建。由于橋梁生命線的重要地位，橋梁的安全耐久，抗震性能受到了特別關(guān)注[1]。橋梁健康監(jiān)測(cè)是橋梁安全的重要保障，其中橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析技術(shù)引起研究者的重視[2]。GPS-RTK技術(shù)是橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一種新型方法。近年來(lái)，由于其軟件、硬件的持續(xù)發(fā)展，尤其是采樣頻率的不斷提高，使其在橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下監(jiān)測(cè)并分析識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)方面顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2 研究現(xiàn)狀

在自然環(huán)境下應(yīng)用模態(tài)參數(shù)時(shí)域辨識(shí)技術(shù)的程序是：首先，對(duì)環(huán)境激勵(lì)下振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣；然后對(duì)所采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，采用一定方法使之成為符合時(shí)域識(shí)別所需要的特定信號(hào)形式。如果隨機(jī)激勵(lì)符合零均值高斯分布的特點(diǎn)，隨機(jī)減量法(RDT)從振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)中可以提取自由振動(dòng)信號(hào)的自由衰減信號(hào)[3]。用于識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)時(shí)間序列法ARMA模型，具有三大優(yōu)點(diǎn)，分別是識(shí)別精度高、抗噪性強(qiáng)、無(wú)能量泄漏[4]。因此本文將采用ARMA法擴(kuò)展RDT方法對(duì)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別分析。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

3.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象

坐落于天津市中心城區(qū)的富民橋工程四周是綜合開發(fā)與規(guī)劃的海河兩岸智慧城，其北起富民路，南接洞庭路。主橋是獨(dú)柱單塔的自錨式懸索橋，懸索為空間索面，主跨的主纜索錨固于主梁的兩側(cè)，邊跨的主纜索錨固于地錨。主跨主纜使用在立面和平面均為拋物線的三維空間線形，邊跨主纜使用不加豎向吊索形式的兩根并排一組的纜索。全橋總長(zhǎng)340.3 m，主跨157.081 m，輔跨86.4 m。河?xùn)|側(cè)引橋是三跨連續(xù)梁(19+20+19.6)m，由普通鋼筋混凝土構(gòu)成，河西側(cè)引橋38.219 m，是單跨帶懸臂的鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)。跨河的主橋橋面的標(biāo)準(zhǔn)寬度為38.6 m，一側(cè)橫向布置包括：0.8 m的吊索錨固區(qū)+0.5 m的防撞護(hù)欄+3.75 m的非機(jī)動(dòng)車道+(3.75 m+2×3.5 m)的機(jī)動(dòng)車道+0.5 m的路緣帶+0.5 m的防撞護(hù)欄+5.0 m的主塔區(qū)，另一側(cè)沿著主塔區(qū)成對(duì)稱布置。其全貌圖如圖1所示。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法

在利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別前，首先對(duì)GPS-RTK監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理和濾波降噪處理。本文采用擴(kuò)展ARMA_RDT方法對(duì)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別分析，即首先采用擴(kuò)展隨機(jī)減量法(RDT)從振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)中提取自由振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)；然后將其作為ARMA模型時(shí)序法的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。模態(tài)參數(shù)時(shí)域識(shí)別具有一定的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)測(cè)的響應(yīng)信號(hào)即可直接處理，信號(hào)不需要使用傅里葉變換進(jìn)行處理，從而不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)被截?cái)嘁鸬男孤叮粫?huì)出現(xiàn)分辨率低與旁瓣等其他因素影響到參數(shù)識(shí)別的精度。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果

采用擴(kuò)展的隨機(jī)減量法得到橋梁結(jié)構(gòu)的自由衰減振動(dòng)信號(hào)，如圖2所示。然后將自由衰減信號(hào)作為時(shí)域模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法ARMA方法的輸入信號(hào)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，其頻率的識(shí)別結(jié)果如表1所示。

表1 識(shí)別結(jié)果前5階頻率與有限元結(jié)果對(duì)比

方法及對(duì)比前5階頻率/Hz1階2階3階4階5階有限元模擬0.841.822.592.914.18RTK監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)0.831.772.452.784.03相對(duì)誤差/%1.192.755.44.473.59

由表1可以看出，采用擴(kuò)展的RDT模態(tài)識(shí)別方法應(yīng)用于GPS-RTK測(cè)量數(shù)據(jù)中可有效的提取橋梁結(jié)構(gòu)的前5階頻率，并且與有限元模擬方法的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。其相對(duì)于有限元模擬方法的誤差最大為5.4%，說(shuō)明了該模態(tài)識(shí)別方法適用于橋梁結(jié)構(gòu)RTK變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，且識(shí)別精度較高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)分析可知，GPS-RTK監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)ARMA方法擴(kuò)展的RDT方法可以有效的識(shí)別運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，且識(shí)別結(jié)果與有限元模擬方法的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后，得出的結(jié)論是該方法適用于GPS-RTK監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的識(shí)別。因此通過(guò)GPS-RTK監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)可行可靠。