一種橋梁風振監測傳感器布置和風振響應重構方法與流程
2024-02-23 23:51:15
本發明屬於土木工程和橋梁監測領域，具體涉及一種橋梁風振監測傳感器布置和風振響應重構方法。
背景技術：
隨著橋梁建造技術的提高和社會經濟的發展，同時為了滿足現代化交通運輸和快速出行的要求，一大批大跨橋梁在全國各地建成並投入使用，如潤揚長江大橋、杭州灣大橋、港珠澳大橋、矮寨大橋等。這些橋梁具有跨度大、結構柔、橋塔高和重量輕的特點，且所處的地理環境特別複雜，極易遭受各種強風的襲擊。而強風引起的振動響應成為影響橋梁行車舒適性和結構安全性的主要因素之一。對橋梁的風致振動響應進行實時監測就顯得非常必要，運用實時監測數據可準確把握橋梁風致振動響應的規律，為橋梁運營狀態評估提供數據支撐，確保橋梁在風荷載作用下的安全。
由於大跨橋梁結構的複雜性，橋梁風致振動監測的可選節點可能達到幾百個甚至上千個。但受到振動監測技術和振動監測成本的限制，無法對橋梁結構所有節點的風致振動響應都進行監測。那麼，如何從成百上千的可選節點中選擇最有價值的節點進行監測，就成為橋梁風致振動監測亟待解決的關鍵技術問題。已有的振動傳感器布置方法主要針對橋梁在環境激勵或者車輛荷載作用下的振動響應監測，僅考慮橋梁本身的動力特性。由於風荷載的非平穩性和橋梁響應的非線性特徵，橋梁結構在風荷載作用下的振動響應與環境激勵或者車輛荷載作用下的振動響應相比，存在很大的差異。利用已有的振動傳感器布置方法進行風致振動監測傳感器布置，難以準確捕捉橋梁風致振動響應的典型特徵。不僅如此，由於風致振動監測傳感器數量的有限性，無法全面掌握橋梁風致振動響應信息。通過測點的風致振動數據對全橋的風致振動響應進行重構，進而獲得其餘節點的風致振動響應，是全面了解橋梁風致振動響應特徵的有效手段。然而，目前尚未提出有效的橋梁風致振動響應重構方法。
因此，提出一種能夠對橋梁關鍵風振響應進行監測的傳感器布置方法，並建立基於測點風致振動響應信息的風振響應重構方法，對於全面把握橋梁的風致振動響應特徵具有重要的工程意義和實用價值。
技術實現要素：
發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種橋梁風振監測傳感器布置和風振響應重構方法，它能從橋梁所有可選節點中選擇最有價值的位置進行風致振動監測傳感器布置，並能根據測點的風致振動響應重構橋梁所有節點的風振響應，進而得到橋梁所有節點的風振響應。
技術方案：為解決上述技術問題，本發明的一種橋梁風振監測傳感器布置和風振響應重構方法，包括橋梁風致振動監測傳感器布置方法和橋梁風致振動形態重構方法。
其中，橋梁風致振動監測傳感器布置方法包括以下步驟：
步驟1，根據風致振動時域分析方法計算得到橋梁在設計風荷載作用下的振動響應，繪製關於加速度的風振響應曲線；
步驟2，利用相鄰節點之間風振加速度差的符號進行風振響應曲線拐點的判斷，找出風振響應曲線拐點最多的時刻；
步驟3，選取該時刻風振響應曲線的拐點和拐點之間的中間節點作為傳感器布置位置，得出橋梁風振監測傳感器布置方案；
橋梁風致振動響應重構方法是在完成上述橋梁風致振動監測傳感器布置方法後，實施步驟4，採用正弦函數加權和作為風振響應形態函數，利用測點的風振加速度進行風振響應形態函數的待定參數擬合，實現橋梁風振響應的重構，最終得到橋梁所有節點的風振響應。
有益效果：本發明選擇風振響應曲線的拐點和拐點之間的中間節點布置傳感器，能夠保證有限數量的振動傳感器捕捉到橋梁在任意時刻的最大風振響應和最小風振響應；同時利用有限測點的風振響應和正弦函數加權和組成的形態函數進行橋梁所有節點的風振響應重構，能夠獲得橋梁所有節點的風振響應。保證了監測傳感器在任意時刻均能捕捉到橋梁風振加速度的最大值和最小值，同時能夠利用測點加速度重構出橋梁所有節點在任意時刻的風振加速度，實現橋梁風振響應的全面把握。本發明採用流程化設計，操作簡單，便於工程人員進行橋梁風致振動監測的傳感器布設和風振響應重構，為橋梁風致振動監測提供了一種有效方法，因此具有廣闊的工程應用前景。
附圖說明
圖1是本發明實施例的流程圖；
圖2是本發明所述實施例涉及的懸索橋有限元模型；
圖3是本發明所述實施例涉及的懸索橋跨中節點豎向風致振動加速度時程；
圖4是本發明所述實施例涉及的懸索橋主梁第2350秒的風振響應曲線；
圖5是本發明所述實施例涉及的懸索橋主梁第2350秒風振響應曲線的拐點；
圖6是本發明所述實施例涉及的懸索橋主梁第3133秒風振響應曲線和拐點；
圖7是本發明所述實施例涉及的懸索橋主梁第3133秒風振響應曲線的拐點和中間節點；
圖8是本發明所述實施例涉及的懸索橋主梁風振監測傳感器布置方案；
圖9是本發明所述實施例涉及的懸索橋主梁第3133秒的實際振動響應和重構振動響應；
圖10是本發明所述實施例涉及的懸索橋主梁第1500秒的實際振動響應和重構振動響應；
圖11是本發明所述實施例涉及的懸索橋主梁第1780秒的實際振動響應和重構振動響應。
具體實施方式
實施例：
本實施例的實施流程如圖1所示，包括橋梁風致振動監測傳感器布置方法和橋梁風致振動響應重構方法。
其中，橋梁風致振動監測傳感器布置方法包括以下步驟：
(1)根據被測橋梁的設計方案，利用梁單元和杆單元，採用大型通用有限元軟體建立被測橋梁的有限元模型，假定有限元模型的節點數為n。設被測橋梁風致振動響應監測的可選測點為有限元模型的節點，即被測橋梁可選的用於風致振動響應監測的節點數量為n。
(2)基於被測橋梁的設計規範，根據被測橋梁的場地條件，選擇用於被測橋梁設計的風荷載模型，利用線性濾波法模擬得到用於被測橋梁風振響應計算的風荷載時程，風荷載時程的樣本數量為m，採樣間隔為δt。
(3)將模擬風荷載時程輸入有限元模型，採用風致振動時域分析方法計算被測橋梁所有可選測點的風致振動響應時程。
(4)構造被測橋梁風致振動響應向量，第t時刻的風致振動響應向量φt為
φt＝(at，1，at，2，…，at，n)(1)
其中，at，n(n＝1，2，…，n)表示第t時刻(t＝1，2，…，m)第n個節點的風致振動加速度。
(5)以風致振動加速度為縱坐標，以節點編號為橫坐標，繪製橋梁不同時刻的風振響應曲線。
(6)計算第t時刻被測橋梁相鄰節點之間的振動加速度差：
其中，表示在第t時刻節點r+1與節點r之間的風致振動加速度差。
(7)計算第t時刻被測橋梁振動響應曲線的拐點數目kt和拐點集合dt。如果小於或者等於0，表明節點s+1為拐點；反之，如果大於0，表明節點s+1不是拐點。拐點數目kt和拐點集合dt為
其中，sgn(·)表示符號函數，nt，v(v＝1，2，…，kt)表示第t時刻被測橋梁振動響應曲線的第v個拐點對應的節點編號。
(8)重複步驟(6)和(7)，直至所有時刻的拐點數目和拐點集合計算完成。
(9)計算被測橋梁振動響應曲線的拐點數目最大值kmax。
kmax＝max(kt)(5)
(10)確定拐點數目最大值kmax對應的時刻為tmax，根據tmax時刻的拐點集合計算拐點之間的中間節點編號
其中，rmax，j(j＝1，2，…，kmax-1)表示tmax時刻拐點和拐點之間的中間節點編號，表示向下取整；如果rmax，j等於表明拐點和拐點之間沒有中間節點；中間節點組成中間節點集合rmax
(11)合併拐點集合和中間節點集合rmax，組成風致振動監測節點集合。
(12)在風致振動監測節點集合上布置風致振動監測傳感器，得到風致振動監測傳感器布置方案。
橋梁風致振動響應重構方法，包括以下步驟：
(1)設風致振動監測傳感器集合為s＝(ｓ1，s2，…，sw)，其中w為風致振動監測傳感器的數量；監測節點對應的集合為其中表示第sp個傳感器布置的節點；節點的風振加速度響應為選取有限元模型中的任意一個節點作為參考點，節點距離參考點的距離為
(2)選取風致振動響應形態函數為
其中，a(x)表示距離參考點距離為x處的風振加速度響應，x表示距離，sin(·)表示正弦函數，αk、βk和γk為待定參數。
(3)根據測點距離參考點的距離和測點的加速度響應，利用非線性最小二乘法擬合式(9)中的待定參數，建立被測橋梁的風致振動響應形態函數，得到被測橋梁所有節點的風致振動響應。
下面以一大跨懸索橋主梁的豎向風致振動響應監測為例，說明如何實現橋梁風振監測傳感器布置和風振響應重構。
根據該橋的設計圖紙，採用ansys軟體，利用梁單元和杆單元建立該橋的有限元模型，如圖2所示。主梁採用梁單元模擬，離散為93個節點，由北向南依次編號為1，2，...，93，相鄰節點之間的距離為16.1m。基於被測橋梁的設計規範，根據被測橋梁的場地條件，選定用於該橋設計的風荷載模型為：
其中，su(n)表示順風向風功率譜密度函數，ω表示風的脈動頻率，f表示莫寧坐標(f＝(ω×69.3)/(6.931.2×27.1))。
利用線性濾波法模擬得到被測橋梁風致振動響應計算的風荷載時程，風荷載時程的樣本數量為3600，採樣間隔為1秒。將模擬風荷載時程輸入有限元模型，採用風致振動時域分析方法計算被測橋梁所有可選測點的風致振動響應時程。主梁跨中節點的豎向風致振動加速度時程如圖3所示。
以第2350秒為例說明如何得到風振響應曲線的拐點數目和拐點集合。構造主梁的風致振動響應向量φ2350，繪製風振響應曲線，如圖4所示。利用式(2)計算相鄰節點之間的振動加速度差利用相鄰節點加速度差的乘積判斷拐點，得到第2350秒主梁風致振動響應曲線的拐點，如圖5所示。通過式(3)計算得到拐點數目k2350為5，通過式(4)得到拐點位置集合d2350：
d2350＝(2237475772)(11)
利用式(5)計算主梁風致振動響應的拐點數目最大值kmax及其對應的時刻tmax：
kmax＝15(12)
tmax＝3133(13)
第3133秒主梁風致振動響應曲線如圖6所示，拐點集合d3133為
d3133＝(3411192531384756636975839091)(14)
利用式(6)計算中間節點的編號，第3133秒中間節點如圖7所示。利用式(7)計算中間節點集合r3133
r3133＝(71522283442515966727986)(15)
合併拐點集合d3133和中間節點集合r3133，得到該橋主梁風致振動監測的傳感器布置方案如圖8所示。
假定採用有限元模型和風致振動時域分析方法計算得到的風致振動響應為該懸索橋的實際風振響應。採用圖8所示的傳感器布置方案進行風致振動響應監測，則測點的位置和測點處的風致振動加速度已知。
以1號節點為參考點，計算主梁上其餘92個節點距離參考點的距離。
利用式(8)計算得到u為9，以測點的風致振動加速度和測點距離參考點的距離為已知量，利用式(9)的風致振動響應形態函數對主梁的風致振動響應進行重構。
利用非線性最小二乘法進行擬合，可得風致振動響應形態函數中待定參數的取值。
第3133秒主梁的實際振動響應和重構振動響應對比如圖9所示，擬合誤差為3.24×10-5，重構的風致振動響應形態函數為：
任選第1500秒，主梁的實際振動響應和重構振動響應對比如圖10所示，擬合誤差為7.74×10-6，重構的風致振動響應形態函數為：
任選第1780秒，主梁的實際振動響應和重構振動響應對比如圖11所示，擬合誤差為3.24×10-5，重構的風致振動響應形態函數為：
從圖9、圖10和圖11可以看出，使用本發明的橋梁風振監測傳感器布置方法進行傳感器布置，傳感器能有效捕捉被測橋梁在任意時刻的風致振動加速度響應的最大值和最小值；不僅如此，重構的振動響應與實際的振動響應非常接近，誤差很小。因此，可以利用本發明的方法進行橋梁風致振動監測傳感器布置和振動響應重構，得到橋梁所有節點的風致振動響應。