撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)中活載效應(yīng)的快速提取

李 才，孫 玉，李鵬程

（山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031）

引言

撓度數(shù)據(jù)是反映橋梁整體工作性能的數(shù)據(jù)，其穩(wěn)定性和周期性較應(yīng)變等局部狀態(tài)信息更為穩(wěn)定。撓度在橋梁結(jié)構(gòu)安全評價中至關(guān)重要，也是橋梁健康監(jiān)測的重要參數(shù)之一[1]。引起撓度變化的因素不是單一的，主要包括溫度變化、混凝土收縮徐變、結(jié)構(gòu)長期撓度和活載效應(yīng)[5-6]。監(jiān)測數(shù)據(jù)是多種因素作用下的結(jié)果，將各種因素作用下的撓度分離出來是至關(guān)重要的，也是非常困難的[7-8,15]。

劉綱等[5]利用結(jié)構(gòu)長期監(jiān)測信號的多尺度特性，提出了較為精確地分離溫度效應(yīng)的自適應(yīng)帶寬濾波方法。陳德偉等[7]用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法通過對溫度與撓度實測值的樣本訓練來建立預測模型，根據(jù)溫度輸入值得到相應(yīng)的撓度，從而將溫度產(chǎn)生的撓度值從實時的總撓度中分離出來。BENDAT等[9]提出可根據(jù)ARMA時間序列模型，對平穩(wěn)時間序列進行預測，從而提取出周期趨勢項，進而分離出活載效應(yīng)。孫雅瓊和趙作周[10]通過現(xiàn)場試驗確定橋梁結(jié)構(gòu)動應(yīng)變與溫度的關(guān)系，提出采用時變多元線性擬合的方法得到溫度效應(yīng)時程曲線。陳夏春和陳德偉[11]建立多元線性回歸方程。劉夏平等[12]建立最小二乘支持向量機模型。陳國良等[13]利用中心移動平均法依次分離出不同周期特性的溫度效應(yīng)。目前，將撓度監(jiān)測信號中各種因素作用下的撓度分離出來的方法在實際工程中的應(yīng)用很少，其適用條件還有待進一步研究。

1 工程概況

橋梁上部結(jié)構(gòu)型式為20 m預應(yīng)力混凝土簡支空心板，橋面連續(xù)，4跨為一聯(lián)，撓度傳感器布置在邊跨。橫向布置12片板，橫向?qū)挾?2 m，橋面橫向布置為0.75 m（內(nèi)側(cè)護欄）+0.5 m+2×3.75 m（行車道）+2.75 m（應(yīng)急車道）+0.5 m（外側(cè)護欄）。下部結(jié)構(gòu)型式為雙柱式墩、埋置式橋臺，樁基礎(chǔ)。橋面鋪裝為瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，采用板式橡膠支座，毛勒式伸縮縫。撓度監(jiān)測斷面選擇在第8跨跨中，橫橋向布置6個撓度傳感器，監(jiān)測主梁跨中撓度。監(jiān)測斷面和測點布置見圖1、圖2。本橋梁位于高速公路上，橋面為單向雙車道。

圖1 監(jiān)測斷面布置/m

圖2 撓度傳感器布置/m

2 撓度信號分離

2.1 撓度信號成分分析

橋梁撓度成分主要包括活載效應(yīng)、短期效應(yīng)和長期效應(yīng)，活載效應(yīng)包含車輛效應(yīng)和人群效應(yīng)，短期效應(yīng)主要為日溫差效應(yīng)，長期效應(yīng)包含年溫差效應(yīng)、混凝土收縮徐變效應(yīng)和結(jié)構(gòu)長期撓度效應(yīng)[1]。

撓度成分：

式中：f（t）—總撓度，mm；f1（t）—活載作用撓度，mm；f2（t）—日溫差效應(yīng)撓度，mm；f3（t）—年溫差效應(yīng)撓度，mm；f4（t）—混凝土收縮徐變效應(yīng)撓度，mm；f5（t）—結(jié)構(gòu)長期撓度，mm；t—時間。

2.2 撓度信號分離理論

2.2.1 方法一：波形延拓法

譚冬梅等[1]依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的周期特性，通過波形延拓進行預降噪，波形延拓是利用監(jiān)測數(shù)據(jù)找到周期性變化的分量，并總結(jié)出變化規(guī)律。預降噪是在小時間尺度內(nèi)消除峰值得到殘余分量，將殘余分量和波形延拓構(gòu)成與降噪撓度，從而實現(xiàn)活載撓度識別。

2.2.2 方法二：小波多尺度分析法

梁宗保[2]針對橋梁結(jié)構(gòu)劣化效應(yīng)和活載效應(yīng)的不同時間尺度的特點，以小波多尺度分析為手段，將橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的歷史信息分離為瞬變信息(活載效應(yīng))和緩變信息。根據(jù)溫度效應(yīng)與溫度的相關(guān)性，建立相位差為半個日周期的溫度效應(yīng)的回歸方程，剔除緩變信息中的溫度效應(yīng)，在復雜的歷史數(shù)據(jù)中提取反映橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況的活載效應(yīng)和劣化效應(yīng)等評價量信息。

2.2.3 方法三：時變的平均值法

孫雅瓊和趙作周[3]提出采用時變的平均值法得到溫度效應(yīng)時程曲線，在較小的時間尺度內(nèi)，監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值可認為是溫度效應(yīng)的偏位值，從而把溫度效應(yīng)分離出來。

2.2.4 方法四：最小二乘支持向量機擬合模型法

楊紅等[4]根據(jù)橋梁撓度的各成分特性，建立溫度和溫度撓度效應(yīng)的非線性關(guān)系，提出最小二乘支持向量機（M-LS-SVM）擬合模型。通過減聚類方法將輸入空間劃分為一些小的局部空間，在每個局部空間中用LS-SVM建立子模型，各子模型的預測輸出通過主元遞歸（PCR）方法連接。該方法能分離撓度監(jiān)測信號中的溫度效應(yīng)。

3 實測數(shù)據(jù)分離

3.1 撓度監(jiān)測信號圖

為了便于觀察，將撓度傳感器的采集值繪制成圖，傳感器的采樣頻率為5 Hz。以時間為橫坐標，撓度采集值為縱坐標繪圖，將多天數(shù)據(jù)繪制在一張圖上，選取3號傳感器1月1日至4日的采集值見圖3，其余傳感器采集值具有相同的規(guī)律，不再列出。

圖3 3號傳感器采集值

觀察可知，撓度信號具有明顯的周期性，圖中周期為1 d，根據(jù)撓度成分分析可知，周期性主要是日溫差效應(yīng)引起的[14-19]。

3.2 方法五：撓度監(jiān)測信號分離新方法

在觀察實際工程中撓度監(jiān)測信號的基礎(chǔ)上，提出一種簡單易行的從撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取活載撓度的方法。在較小的時間尺度內(nèi)，撓度采集值的長期效應(yīng)可以忽略不計，總撓度可認為只包含日溫差效應(yīng)和活載效應(yīng)，即f（t）=f1（t）+f2（t）?；诖?，提出了一種快速提取活載撓度的方法，該方法運用間隔取值的方法將撓度采集值曲線圖進行平滑處理，平滑后的曲線可認為是由于日溫差效應(yīng)引起的撓度，剩余部分即為活載效應(yīng)引起的活載撓度。

選取一組監(jiān)測信號進行分離，將3號傳感器1 d的采集值進行平滑處理，每隔一定的間隔提取一個采集值進行繪圖，見圖4。再用采集值減去平滑后的值，得到活載效應(yīng)值。此方法將采集值分解為日溫度效應(yīng)和活載效應(yīng)，分解后圖形見圖5、圖6。

圖4 監(jiān)測信號

圖5 日溫差效應(yīng)

圖6 活載效應(yīng)

圖6顯示分離后的撓度信號基準點已歸零，從信號值中可直接讀出活載撓度，活載撓度正是監(jiān)測中最重要的數(shù)據(jù)。

3.3 活載撓度分離

為了將最能反映結(jié)構(gòu)承載能力的活載撓度分離出來，利用已有方法對撓度采集值3進行分離，并與真實值比較，分析各方法的準確性。選取2020年2月1日1519—1528的采集值進行分析。采集值有3個明顯的峰值，但其基準點不在0點，見圖7。

圖7 10 min采集值

活載撓度真實值就是活載（車輛）經(jīng)過時，主梁觀測點的下?lián)狭?。圖5顯示空載時撓度值不是0，所以采集值的峰值并不是活載撓度真實值，真實值為采集值的峰值減去空載撓度值。為了找到準確的空載撓度值，將1519分的采集值繪圖，見圖8。峰值為2.76 mm，平滑線即為空載撓度，其縱坐標為-0.28 mm，所以活載撓度真實值為3.04 mm，用此方法計算峰值處的活載撓度真實值。

圖8 10 min采集值

利用方法五對撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分離，提取出3個峰值處的活載撓度，并與已有方法進行對比。方法一和方法二需要大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，還要對數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計，工作量較大；時變的平均值法受車流量影響大，峰值多時偏差會增大；最小二乘支持向量機擬合模型法計算理論較為復雜，可操作性差。而方法五不需要大量的數(shù)理統(tǒng)計，也不需要復雜的計算理論，可操作性強，且精度較高?；钶d效應(yīng)撓度提取值對比結(jié)果見表1，相對誤差=（撓度提取值-真實值）/真實值×100%。

表1 活載效應(yīng)撓度提取值對比

方法五的絕對值最大相對誤差1.5%，相比其他方法相對誤差較小。因10 min內(nèi)僅有3個峰值，說明車流量較小。為了驗證車流量較大時方法五是否具有較高的精確度，選取2021年5月8日1450—1459的采集值進行分析處理，采集信號見圖9。

圖9 10 min采集信號

圖9顯示10 min內(nèi)有20多個峰值，選取3個較大的峰值運用方法五提取活載撓度值，并與真實值比較，結(jié)果見表2。

表2 提取活載撓度值

表2顯示撓度提取值最大值為2.49 mm，對應(yīng)真實撓度為2.62 mm，差值為-0.13 mm，絕對值相對最大誤差為5.0%，說明在交通量較大時方法五的精度仍然較高。

4 結(jié)語

（1）在小時間尺度內(nèi)，撓度監(jiān)測信號可忽略長期效應(yīng)，結(jié)合監(jiān)測信號具有周期性的特點，將撓度監(jiān)測信號利用曲線平滑法分離出溫度效應(yīng)和活載效應(yīng)撓度。（2）提取20 m跨徑簡支梁撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)中的活載撓度，并在交通量較小和較大時與已有方法進行對比，得出該方法不需要大量的數(shù)據(jù)積累和數(shù)理統(tǒng)計，不需要復雜的計算理論，受車流量影響較小，精度較高，所以曲線平滑法可操作性強，可方便運用于實際工程；缺點是不能用于實時活載撓度的分離。