大跨斜拉桥拉索风雨振监测预警方法与流程

1.本发明涉及桥梁结构性能监测，特别是一种大跨斜拉桥拉索风雨振监测预警方法。


背景技术：

2.斜拉桥的拉索是传递主梁与车辆荷载的构件，其服役状态对整桥力学行为有重要影响。在风雨共同作用下，斜拉桥的拉索将产生异常振动，会降低拉索疲劳寿命。作为一种大幅振动，拉索风雨振更还会对行车舒适度与视觉感官造成不利影响。
3.为了感知大跨斜拉桥的拉索振动特性，通常于拉索上安装加速度传感器，根据加速度时程数据演算出振动频率功率谱，功率谱峰值数据代表了拉索的频域特性。但是，现有技术无法解决斜拉索风雨激振动中的实时预警问题，导致运用拉索功率谱数据无法感知因风雨振引起的拉索异常振动。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是提供一种大跨斜拉桥拉索风雨振监测预警方法。
5.技术方案：本发明所述的一种大跨斜拉桥拉索风雨振监测预警方法，其原理为：基于大跨斜拉桥拉索的加速度数据与雨量数据，消除风速对拉索加速度的影响后，设置雨量预警阈值并构造风雨振的拉索频域预警参量，进而运用雨量与频域双参数进行联合风雨振预警，当雨量与频域预警参量共同超越阈值后，既判定风雨振并进行异常振动预警，为桥梁管养工程师实时知悉桥梁工作状态提供可靠情报，帮助工程师及时开展交通告警与灾害评估。
6.所述方法包括以下步骤：
7.(1)获取桥址处的降雨量时序数据，并制定降雨量预警阈值；
8.(2)建立拉索加速度响应与风速的线性回归模型，进而剔除风速对加速度的影响；
9.(3)获取剔除风速影响后的拉索加速度功率谱，提取功率谱多阶频率fi及对应谱幅值ai；
10.(4)计算能量集中系数aj/a1；
11.(5)对能量集中系数a2/a1和a3/a1计算分析，当两个系数中的任何一个小于能量集中系数阈值且达到预警雨量时判定拉索发生风雨振并报警。
12.所述步骤(1)～(5)中分析计算的时间间隔均为1min。1min为综合算力、实时性与精度的较优选，但时间步长不限于此，如时间步长区间还可以为2min或更长，也可取30s或更短。
13.所述步骤(1)中的降雨量预警阈值为0.2mm/min。0.2mm/min为统计观测中具备95％保证率的较优选。
14.所述步骤(3)中，i的取值范围为1～3。多阶频率提取数i最高取3，拉索风雨激振的多模态参与数量一般不会多于3个，因此本发明选取前3个主要模态进行分析，应当理解的
是，选取值不限于此。
15.所述步骤(3)中，将测得的拉索加速度时序数据按设定的1min时间区间进行分段，通过psd、lpsd、dpsd或其他频域算法对每一段加速度数据进行功率谱分析计算，得到拉索加速度的分钟尺度功率谱。将离散化的拉索加速度信息转换为功率谱数据，提取拉索振动的频域。
16.所述步骤(4)中，j的取值范围为2～3。
17.所述步骤(5)中，能量集中系数阈值取0.1。0.1为统计观测与理论分析得到的具备95％保证率的较优选。
18.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的一种大跨斜拉桥拉索风雨振监测预警方法。
19.一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可再处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种大跨斜拉桥拉索风雨振监测预警方法。
20.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明利用雨量与拉索振动加速度数据，构造用来识别拉索风雨振的雨量阈值和频域参量，当雨量超出阈值且频域参量间的相关性系数过低时，即可对拉索风雨振进行实时预警，以此为桥梁管养工程师实时知悉桥梁工作状态提供可靠情报，帮助工程师及时开展交通告警与灾害评估。
附图说明
21.图1是本发明的流程框图；
22.图2是降雨量的1min区间时程数据以及预警阈值线。
23.图3风速与加速度数据的相关性散点图以及风速-加速度回归分析结果。
24.图4是拉索加速度1min区间数据计算所得的功率谱，以及通过功率谱数据获取的多阶自振频率及其对应能量幅值。
25.图5是能量集中系数时序数据。
26.图6能量集中系数a2/a1的时程数据与预警阈值线。
27.图7能量集中系数a3/a1的时程数据与预警阈值线。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
29.如图1所示，一种拉索多模态涡激振动监测方法，包括如下步骤：
30.(1)获取桥址处的降雨量时序数据，并制定降雨量预警阈值；
31.(2)建立拉索加速度响应与风速的线性回归模型，进而剔除风速对加速度的影响；
32.(3)获取剔除风速影响后的拉索加速度功率谱，提取功率谱多阶频率fi及对应谱幅值ai，i取1～3；
33.(4)计算能量集中系数aj/a1，j取2～3；
34.(5)对能量集中系数a2/a1和a3/a1预警分析，当两个系数中的任何一个小于0.1且达到预警雨量时判定拉索发生风雨振并报警。
35.下面以港珠澳青州航道桥的拉索加速度与雨量数据为例，说明本发明的具体实施
过程。
36.(1)港珠澳大桥青州航道桥加装了桥梁健康监测系统，能够收集拉索的加速度数据与桥址处的雨量数据。以1min为时间区间，对雨量数据进行换算，获取每1min内的降雨量，从而得到降雨强度的时程数据，如图2所示。根据大跨斜拉桥的风雨振统计数据，设定雨量预警阈值为0.2mm/min。
37.(2)对拉索加速度与风速进行相关性分析，散点图以及线性相关关系所得回归线如图3所示。
38.(3)运用拉索-风速回归方程剔除风速影响，获取无风速影响的拉索加速度如图4所示，以1min为时间区间，对该加速度进行功率谱分析，如图5所示，提取功率谱多阶频率fi及对应谱幅值ai，i取1～3；
39.(4)以每1min为时间间隔，计算能量集中系数a2/a1和a3/a1。
40.(5)如图6和图7所示分别为a2/a1和a3/a1的时序数据和预警阈值线，将图4、图5和图2同时超过预警阈值线的时间点进行提取，即可实现斜拉桥风雨振的实时预警。


技术特征：
1.一种大跨斜拉桥拉索风雨振监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)获取桥址处的降雨量时序数据，并制定降雨量预警阈值；(2)建立拉索加速度响应与风速的线性回归模型，进而剔除风速对加速度的影响；(3)获取剔除风速影响后的拉索加速度功率谱，提取功率谱多阶频率f
i
及对应谱幅值a
i
；(4)计算能量集中系数a
j
/a1；(5)对能量集中系数a2/a1和a3/a1计算分析，当两个系数中的任何一个小于能量集中系数阈值且达到预警雨量时判定拉索发生风雨振并报警。2.根据权利要求1所述的一种大跨斜拉桥拉索风雨振监测预警方法，其特征在于，所述步骤(1)～(5)中分析计算的时间间隔均为1min。3.根据权利要求1所述的一种大跨斜拉桥拉索风雨振监测预警方法，其特征在于，所述步骤(1)中的降雨量预警阈值为0.2mm/min。4.根据权利要求1所述的一种大跨斜拉桥拉索风雨振监测预警方法，其特征在于，所述步骤(3)中，i的取值范围为1～3。5.根据权利要求1所述的一种大跨斜拉桥拉索风雨振监测预警方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将测得的拉索加速度时序数据按设定的1min时间区间进行分段，通过psd、lpsd、dpsd或其他频域算法对每一段加速度数据进行功率谱分析计算，得到拉索加速度的分钟尺度功率谱。6.根据权利要求1所述的一种大跨斜拉桥拉索风雨振监测预警方法，其特征在于，所述步骤(4)中，j的取值范围为2～3。7.根据权利要求1所述的一种大跨斜拉桥拉索风雨振监测预警方法，其特征在于，所述步骤(5)中，能量集中系数阈值取0.1。8.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～7中任一项所述的一种大跨斜拉桥拉索风雨振监测预警方法。9.一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可再处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1～7中任一项所述的一种大跨斜拉桥拉索风雨振监测预警方法。

技术总结
本发明公开了一种大跨斜拉桥拉索风雨振监测预警方法，步骤如下：制定降雨量预警阈值；建立拉索加速度响应与风速的线性回归模型，剔除风速的影响，建立风速归一化的拉索加速度响应时程曲线；获取拉索加速度功率谱，提取功率谱多阶频率及对应谱幅值；计算能量集中系数；对能量集中系数进行预警判定，当两个系数中的任一个小于能量集中系数阈值且雨量超出预警值时，判定拉索发生风雨振并报警。本发明通过监测拉索的振动加速度，在剔除风速的影响后通过前三阶主模态的能量集中系数分析可以快速判定拉索风雨振的发生并报警，克服了传统方法通过拉索大振幅监测所存在的预警滞后的问题，为桥梁健康监测的自动化告警与灾害评估提供技术基础。技术基础。技术基础。


技术研发人员：陈金桥 张雨佳 黄思杰 盛帆 郝建明 胡浩然 李征 杨伟杰
受保护的技术使用者：东衢智慧交通基础设施科技（江苏）有限公司
技术研发日：2022.04.26
技术公布日：2022/8/16