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

李富會 路華麗

(1.天津市陸海測繪有限公司，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)測是橋梁安全的重要保障，其中橋梁結(jié)構(gòu)的動力分析技術(shù)引起研究者的重視[2]。GPS-RTK技術(shù)是橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)變形監(jiān)測領(lǐng)域的一種新型方法。近年來，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，使其在橋梁運營狀態(tài)下監(jiān)測并分析識別橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)方面顯示出獨特的優(yōu)勢。

2 研究現(xiàn)狀

在自然環(huán)境下應(yīng)用模態(tài)參數(shù)時域辨識技術(shù)的程序是：首先，對環(huán)境激勵下振動數(shù)據(jù)進行采樣；然后對所采樣的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，采用一定方法使之成為符合時域識別所需要的特定信號形式。如果隨機激勵符合零均值高斯分布的特點，隨機減量法(RDT)從振動響應(yīng)信號數(shù)據(jù)中可以提取自由振動信號的自由衰減信號[3]。用于識別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)時間序列法ARMA模型，具有三大優(yōu)點，分別是識別精度高、抗噪性強、無能量泄漏[4]。因此本文將采用ARMA法擴展RDT方法對運營狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)進行識別分析。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

3.1 監(jiān)測對象

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)?？绾拥闹鳂驑蛎娴臉?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的防撞護欄+3.75 m的非機動車道+(3.75 m+2×3.5 m)的機動車道+0.5 m的路緣帶+0.5 m的防撞護欄+5.0 m的主塔區(qū)，另一側(cè)沿著主塔區(qū)成對稱布置。其全貌圖如圖1所示。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法

在利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進行橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別前，首先對GPS-RTK監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了預(yù)處理和濾波降噪處理。本文采用擴展ARMA_RDT方法對運營狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)進行識別分析，即首先采用擴展隨機減量法(RDT)從振動響應(yīng)信號數(shù)據(jù)中提取自由振動信號的數(shù)據(jù)；然后將其作為ARMA模型時序法的輸入數(shù)據(jù)進行參數(shù)識別。模態(tài)參數(shù)時域識別具有一定的優(yōu)點，實測的響應(yīng)信號即可直接處理，信號不需要使用傅里葉變換進行處理，從而不會產(chǎn)生信號被截斷引起的泄露，不會出現(xiàn)分辨率低與旁瓣等其他因素影響到參數(shù)識別的精度。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果

采用擴展的隨機減量法得到橋梁結(jié)構(gòu)的自由衰減振動信號，如圖2所示。然后將自由衰減信號作為時域模態(tài)參數(shù)識別方法ARMA方法的輸入信號進行模態(tài)參數(shù)識別，其頻率的識別結(jié)果如表1所示。

表1 識別結(jié)果前5階頻率與有限元結(jié)果對比

方法及對比前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)測數(shù)據(jù)0.831.772.452.784.03相對誤差/%1.192.755.44.473.59

由表1可以看出，采用擴展的RDT模態(tài)識別方法應(yīng)用于GPS-RTK測量數(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)果進行了對比。其相對于有限元模擬方法的誤差最大為5.4%，說明了該模態(tài)識別方法適用于橋梁結(jié)構(gòu)RTK變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，且識別精度較高。

4 結(jié)語

通過以上實驗分析可知，GPS-RTK監(jiān)測數(shù)據(jù)通過ARMA方法擴展的RDT方法可以有效的識別運營狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，且識別結(jié)果與有限元模擬方法的識別結(jié)果進行對比后，得出的結(jié)論是該方法適用于GPS-RTK監(jiān)測數(shù)據(jù)的識別。因此通過GPS-RTK監(jiān)測數(shù)據(jù)識別橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)可行可靠。