探析小波分析在高層建筑動態監測中的應用

曹 強

中國建筑第八工程局有限公司工程研究院

1 前言

小波分析技術已經被廣泛地應用在變形分析中，與傳統分析技術相比，該方法能夠更有效地滿足變形監測要求，具有極高的靈敏度，因此，在高層建筑快速發展的情況下，需要進一步了解該方法的路徑與方法，為進一步保障建筑物安全奠定基礎。

2 小波分析技術研究

2.1 基本技術特征

小波分析技術在實際上是一種將全頻段內信號進行多分辨率分解的方法，與傳統技術相比具有更理想的時頻局部優化的方法，在高層建筑物施工中通過小波分析的方法能夠將相關信號直接分布在不同頻段上，所以該方法具有理想的濾波功能。在此基礎上，信號小波轉使用了小波基函數與小波變換信號之間的結合，在數據處理階段通過選擇合理的小波函數，可以確保在相同的時域與頻域的基礎上展現出良好的特性，確保分析結果具備更高的精準性。

在小波技術處理階段，可以將原始信號轉變為小波系數W，此時的W信號中包含小波系數集合{Wa，Wb}，其中一部分是近似系數Wa，其中包含了大量的低頻成分信息；而另一部分則是細節系數Wb，其中包含的是高頻成分信息，用于表示變化成分的不同[1]。在數據處理環節，通過小波基與小波系數的結合，就可以形成小波分解，這種處理方法能夠更好地實現高頻信號與低頻信號的分離；除此之外在采用合理的小波節點之后，能夠更好地實現帶通濾波功能。

2.2 小波數據處理過程

在高層建筑物的動態監測過程中，借助小波變換所具有的多分辨率特性，本文認為小波數據處理過程中的數據處理流程如下所示：

（1）觀測數據濾波。針對高層建筑物可能產生的變形情況，在監測期間應該根據數據序列排序以及噪聲、信號的視頻特性往往存在一定的差異，部分信號在頻域、時域中的分布往往是全局性的，這就保證了這些信號在觀測的時域內大量存在，并在頻域上表現出高頻特征的特征，所以在數據處理階段可以通過小波濾波來對信號、噪聲進行分離，最終達到消躁目的。

（2）提取變形特征。借助小波變換所表現的局部時頻特征，通過該方法來監測建筑物的變形情況時可以隨機將其分布在信號細節上，此時無論背景噪聲有多強，都可以通過這個數據處理方法來提取其中的變形信息，這種情況尤其適用于非平穩突變變形中，是一種科學有效的處理方法[2]。同時考慮到高層建筑物的動態監測要求，還可以通過變形特征提取的方法來提取其中的關鍵參數。

3 工程實例分析

為了更好地分析小波分析方法在高層建筑動態監測中的效果，本文將結合某高層建筑，采用小波分析方法對建筑物進行了詳細的動態監測。

3.1 案例簡介

某大廈的總高度超過450m，其中地面以上的層數為95 層，在本次研究中在塔樓樓頂位置設置一個監測站，分別在其他兩個不同位置設置兩個基準站，其中基準站1與基準站2距離監測站的基線長度為4016m、5269m，在數據采樣中設置頻率20Hz，所采用的基準站分別對流動站數據做動態解算；在此階段處理中考慮到解算的是同一流動站，所以在分析期間，理論上建筑物的諧振信號是完全相同的。

3.2 監測方案確定

本次研究中選擇了Trimble 系列的雙頻GPS接收器，在上文所介紹的三個監測點上分別設置一個GPS 接收器，其中兩個固定參考站之間的周邊環境理想，五明顯的干擾點。本文所采集各類數據的時間為2019年11月7日，當日晴朗，風力小，日照效果滿意，按照動態監測的方法連續監測30min。

3.3 監測結果

通過小波分析方法對觀測數據做處理，其中選擇建筑物頂部點為基準點，在WGS 坐標系下確定每個歷元的三維大地指標，形成點位的坐標序列。

之后在數據處理階段，采用三臺GPS 設備所接收的同步觀測信號進行對比。

在小波分析階段，通過提取超高建筑物的振動信號，在采用小波分析方法來提取建筑物的諧振信號之后，其中的關系式為：

在上述公式中，x1與x2分別代表兩組時間序列的諧振信號。

而根據調查結果可知，該建筑物的動態監測結果為：（1）監測點與參考點在數據序列上的變化沒有明顯的對應關系，造成監測點時程與參考點時程的變化相比，監測點的總體點位變化情況較大，這一結果與建筑物的具體情況相符。（2）參考點與監測點之間保持了良好的三維時程曲線關系，在水平變化量的基礎上，發現建筑物在水平方向上的位移為±15mm，這也證明GPS在建筑物的動態監測中的效果更理想。

3.4 小波分析結果

為了更好地識別小波分析結果的合理性，可以通過小波變換的方法來從整個觀測數據中分離建筑物結構的自振信息，所以在小波分析中通過GPS 接收機獲得數據采樣率，而此時的GPS的動態監測數據包含序列為0Hz～1Hz；而根據高層建筑物結構的固有頻率，可以在建筑物自身自振周期的基礎上，對數據系列做三層小波包分解，之后在對小波分析方法對原始數據做處理后，可以清洗的發現建筑物的主模態振動信號，發現該建筑在N方向上的振動主模態頻率為0.215Hz；通過對建筑物進行檢測數據分析，獲得建筑物在E方向上的振動頻率為0.163Hz。

4 結束語

綜上所述，小波分析方法能夠滿足高層建筑物動態監測的要求，本文所介紹的案例證明小波分析方法所監測的數據與建筑物實測結果基本相同，證明該技術具有先進性，在高層建筑物設計與建設中值得推廣。