EMD與溫度剔除方法在橋梁應(yīng)變處理中的應(yīng)用研究

樓 文 祺

(浙江工業(yè)大學(xué)，浙江 杭州　310014)

目前針對橋梁非穩(wěn)態(tài)信號處理的方法主要有短時傅立葉變換、Wigner-Ville分布、小波分析等，這些方法卻不能與HHT方法一樣得出信號頻率的確定表達(dá)式，達(dá)到對非穩(wěn)態(tài)信號處理過程優(yōu)化的目的。從大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，用于提取信號發(fā)展趨勢或者是信號均值的最佳方法就是其中的EMD方法。EMD方法作為新興的分析工具，在吸引大量專家學(xué)者對其進(jìn)行研究的同時，也已被廣泛應(yīng)用于土木領(lǐng)域。但由于監(jiān)測對象的相異性，EMD方法在數(shù)據(jù)處理方面仍具有非常大的研究前景以及進(jìn)一步的應(yīng)用價值。本文將EMD方法結(jié)合溫度應(yīng)力剔除方法對嘉興某橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)采集到的橋梁動應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以探討其在橋梁信號中的應(yīng)用問題，見圖1。

1　EMD數(shù)據(jù)處理方法研究

1.1　EMD處理方法

原信號經(jīng)EMD分解后的表達(dá)式為：

(1)

其中，Re[·]意為只取實(shí)部；ci(t)為各階IMF分量。

用上述三種組合方法對相同的若干組應(yīng)變信號進(jìn)行處理，得出處理后的信噪比，如表1～表3所示。

表1　方法一信噪比　dB

表2　方法二信噪比　dB

表3　方法三信噪比　dB

由表1～表3可知，對于本次試驗(yàn)測得的橋梁動應(yīng)變信號，采用方法三處理數(shù)據(jù)所得到的信噪比要高于其余兩種方法，因此針對本次試驗(yàn)信號，將采用該方法對其進(jìn)行處理。

1.2　端點(diǎn)效應(yīng)方法

在用上述EMD方法處理數(shù)據(jù)時，采用極值點(diǎn)預(yù)測法解決提取IMF時易產(chǎn)生端點(diǎn)效應(yīng)(end effect)的問題，即統(tǒng)計實(shí)際工程中應(yīng)變信號的極值點(diǎn)分布規(guī)律擬合成集，作為添加新極值點(diǎn)的科學(xué)依據(jù)。

對比圖2，圖3中顯示的包絡(luò)線擬合結(jié)果，可以看出，采用極值點(diǎn)預(yù)測法對端點(diǎn)效應(yīng)進(jìn)行處理后的三次樣條曲線擬合效果還是非常理想的。

2　動應(yīng)變參數(shù)處理

2.1　溫度效應(yīng)剔除方法

本文將文獻(xiàn)研究成果與試驗(yàn)采集到的大量數(shù)據(jù)結(jié)合，利用溫度與應(yīng)力間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，通過線性擬合方法得到了適應(yīng)于該橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的溫度應(yīng)力擬合函數(shù)，結(jié)果表達(dá)式如式(2)所示：

(2)

表4　待定系數(shù)擬合結(jié)果

2.2　應(yīng)變處理結(jié)果

在橋梁上進(jìn)行單車行車試驗(yàn)，試驗(yàn)車重為10 t，行車速度為30 km/s，依次經(jīng)過測點(diǎn)7,6,3,2。整理傳感器采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)并將EMD處理方法和溫度效應(yīng)剔除方法結(jié)合應(yīng)用于對其的處理過程中，實(shí)測數(shù)據(jù)和處理后數(shù)據(jù)如圖4，圖5所示。

從圖4，圖5中可以看出，處理前的橋梁無載時動應(yīng)變波動區(qū)間為96.61～102.77，單車過橋時峰值為106.83，結(jié)合溫度效應(yīng)剔除方法和EMD方法處理后，動應(yīng)變波動區(qū)間為98.56～101.69，峰值為106.71。結(jié)果表明，用該組合方法處理應(yīng)變數(shù)據(jù)能保留數(shù)

據(jù)的主要特征，同時明顯增加數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性，有利于對橋梁構(gòu)件的損傷識別。

3　結(jié)語

本文通過對嘉興某橋的橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，討論了應(yīng)變數(shù)據(jù)EMD分解后的IMF的重組方式，結(jié)合MATLAB數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)信噪比的分析結(jié)果，得出適用的EMD方法。分析溫度應(yīng)變關(guān)系，利用線性回歸結(jié)果，得到溫度效應(yīng)剔除方法。將兩種方法組合應(yīng)用于應(yīng)變數(shù)據(jù)處理中，結(jié)果表明，這種處理方法能使數(shù)據(jù)更為平穩(wěn)，在保留數(shù)據(jù)特征的同時能進(jìn)一步分析判斷出構(gòu)件的損傷位置。