利用GNSS時序分析辨識大跨橋梁結(jié)構(gòu)荷載響應(yīng)研究

黨 宇，楊 強

（1.長安大學(xué)，陜西 西安 710086；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830）

本文在前人研究基礎(chǔ)上，根據(jù)橋梁振動信號的特點，運用小波分解和重構(gòu)，首先對武漢市陽邏大橋橋梁監(jiān)測系統(tǒng)采集的振動信號去除原始信號里的噪聲，進(jìn)一步進(jìn)行多尺度分解和濾波，并且對重構(gòu)后的信號進(jìn)行歸納總結(jié)，獲取橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性。

1 實測振動信號

武漢市陽邏長江公路大橋是京珠、滬蓉兩國道主干線在武漢市交匯形成環(huán)形公路的一部分，是分流過境交通的重要通道，是“十五”期間的重點建設(shè)項目之一。大橋跨越的距離很長，主跨為1280m的懸索橋，傳統(tǒng)的測量和監(jiān)測方法很難滿足實時測量的要求，為此陽邏長江公路大橋橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測引入了GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)。

陽邏長江公路大橋GPS監(jiān)測站設(shè)置為跨中上游（midup）、跨中下游（middow）、北塔塔頂（north）、南塔塔頂（south）。

本文采用了48h的GNSS動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用率為1s，該數(shù)據(jù)監(jiān)測到的主要是大橋在自重和車輛通行狀態(tài)下的水平和垂直位移變化，48h原始觀測數(shù)據(jù)見圖1。

從圖1中可以看出，位于南北兩端的GPS監(jiān)測點其變化較小，說明其受荷載變化影響較??；而大橋中游兩點變化較大，說明大橋中間地段受荷載變化影響較大，其振幅和撓度變化較大，是大橋應(yīng)該重點監(jiān)測地段。

信號反映了橋梁在移動車輛作用下的發(fā)生的振動信息，大橋?qū)τ谲囕v移動荷載的動態(tài)響應(yīng)，主要可以分為靜力響應(yīng)和動力響應(yīng)。同時系統(tǒng)在獲取的監(jiān)測信號的過程中，不可避免地存在高斯噪聲、有色噪聲等各種噪聲，因此，GNSS監(jiān)測信號應(yīng)該包括3個部分，即靜態(tài)效應(yīng)、動態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)和噪聲。

圖1 GNSS監(jiān)測點結(jié)果

由于GNSS監(jiān)測信號的噪聲干擾有時可能完全掩蓋結(jié)構(gòu)的真實信息，造成分析結(jié)果不可靠，因此必須對其進(jìn)行去噪。本文采用小波分析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪。

2 小波消噪結(jié)果

本文采用小波分析方法，對信號進(jìn)行分解和重構(gòu)，以獲取不同頻率信號結(jié)構(gòu)。根據(jù)陽邏大橋振動信號隨時間變化特性，本文選取消失矩和支集長度比較適中的symN系列小波中的sym3，對陽邏大橋4個監(jiān)測點的實測信號進(jìn)行5層分解，結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，大橋不同位置，其受到的噪聲干擾是不同的，位于大橋兩側(cè)的north點和south點噪聲較小，而位于大橋中央的middow點和midup點較大，其經(jīng)過小波去噪后的信號對于橋梁的動力特征表現(xiàn)更為明顯。

3 GNSS監(jiān)測信號分解

剔除噪聲后的信號即為大橋?qū)囕v移動荷載的的動力響應(yīng)信號。包括靜態(tài)荷載和動態(tài)荷載引起的變化，本文采用功率譜分析以分析其頻譜特征，以辨識大橋靜態(tài)和動態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

從圖3中可以看出，陽邏大橋middow點在高于25Hz時信號變化逐漸穩(wěn)定，此部分可以認(rèn)為是振動引起的結(jié)構(gòu)靜態(tài)響應(yīng)，而圖中前部突出部分則可以認(rèn)為是結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)。

信號同樣可以分為高頻信號和低頻信號。其中結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號表現(xiàn)為低頻信號，而車輛振動引起的動力響應(yīng)信號則表現(xiàn)為高頻信號。采用小波多尺度分析結(jié)果分別獲取結(jié)構(gòu)動態(tài)和靜態(tài)信號，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，無論動態(tài)信號還是靜態(tài)信號，對大橋兩側(cè)的影響都小于大橋中央，表明大橋中央構(gòu)件需要承受更大的荷載，并且可以認(rèn)為平移車輛荷載下結(jié)構(gòu)靜態(tài)響應(yīng)對大橋結(jié)構(gòu)安全起控制作用，而車輛振動荷載引起的動態(tài)響應(yīng)對結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)的影響可以忽略不計。雖然，從理論上說應(yīng)該采用完整車輛荷載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析，但是研究結(jié)果顯示，大橋靜態(tài)響應(yīng)在數(shù)值上處于控制地位，因此建議可以采用低頻靜態(tài)響應(yīng)作為大橋結(jié)構(gòu)健康主要指標(biāo)。

4 結(jié) 論

本文通過對GNSS監(jiān)測信號時序分析，利用車橋耦合振動理論，對武漢市陽邏大橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測信號進(jìn)行時序分析，得到以下結(jié)論：

1）GNSS大橋監(jiān)測信號主要反映大橋結(jié)構(gòu)對不同荷載的響應(yīng)，這些響應(yīng)主要包括：車輛移動荷載響應(yīng)，車輛振動荷載響應(yīng)、噪聲。

2）利用小波分解與重構(gòu)，辨識了GNSS監(jiān)測信號中的噪聲，并進(jìn)行去噪。

3）利用功率譜密度，分析GNSS監(jiān)測信號中不同頻率的特性。

4）將監(jiān)測信號分解為低頻和高頻響應(yīng)，其中低頻表示車輛移動荷載響應(yīng)（靜態(tài)信號），高頻表示車輛振動荷載響應(yīng)（動態(tài)信號），并計算數(shù)值計算，得到了大橋不同位置的不同荷載響應(yīng)數(shù)值。不同位置影響不同，大橋兩側(cè)數(shù)值較小，中央影響較大。

研究表明，對于陽邏大橋來說，移動車輛荷載引起的活載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)受力起控制作用。

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