一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法和系统与流程

本发明涉及一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法和系统，属于桥梁结构监测。

背景技术：

1、主梁涡激振动是大跨桥梁结构常见的一种风致振动形式。当主梁涡激振动发生较大波动振幅时，对过往行车安全及舒适性会造成较大影响。此外，长时段主梁涡激振动还可能对桥梁的伸缩缝、构造连接装置等薄弱环节造成一定的损坏。

2、因此，实时、准确、科学的主梁涡激振动预警方法和系统对于辅助交通管控，保障行车安全，评估结构工作状态具有重要意义。然而现阶段基于桥梁结构健康监测系统的主梁涡激振动预警方法仍然存在如下问题：

3、1.较多主梁涡激振动预警方法仍停留在对系统数据的后处理阶段，即主梁涡激振动事件发生后，基于监测数据评估结构的安全性，对辅助行车安全及评价行车舒适度难以发挥作用。

4、2.基于单指标的主梁涡激振动方法，存在大量的误报警，给桥梁运维单位带来较大困扰。

5、3.基于多指标同时评判的主梁涡激振动方法，对于桥梁结构健康监测系统的运算能力提出了较高要求，增加了系统造价。此外，影响系统的响应速度和系统其他分析功能。

6、所以，如何对现有主梁涡激振动预警方法进行改进，实现主梁涡激振动实时、准确、科学的预警，用以辅助交通管控，保障行车安全是本领域技术人员急需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法和系统，通过对主梁竖向位移波动趋势初判主梁涡激振动，采用主梁波动趋势、能量比、桥址平均风速多指标超限触发形式实现对主梁涡激振动研判，旨在对桥梁结构主梁涡激振动进行实时、科学预警，保障行车安全，辅助交通管控。

2、技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法，具体包括：

4、步骤1：获取主梁竖向位移数据，根据主梁竖向位移数据计算主梁竖向位移监测数据波动离散趋势的线性回归方程，当线性回归方程的斜率大于0，则进入下一步，否则，结束涡激振动预警流程。

5、步骤2：获取主梁振动数据，根据主梁振动数据计算主梁振动模态功率谱值的峰值，根据峰值计算能量比，当能量比大于等于能量比阈值，则进入下一步，否则，判断非主梁涡激振动。

6、步骤3：获取桥址环境中风速数据，根据桥址环境中风速数据计算平均风速，当平均风速小于风速阈值时，则判定为主梁涡激振动，否则，判定为主梁其他异常振动。

7、作为优选方案，还包括：

8、步骤4：根据主梁竖向位移数据，计算变化幅值；获取极限承载力下主梁竖向位移变化幅值，最大弯矩得到主梁竖向位移变化幅值，根据变化幅值与极限承载力下主梁竖向位移变化幅值，最大弯矩得到主梁竖向位移变化幅值的关系，进行涡激振动预警处置。

9、作为优选方案，所述步骤1，具体包括：

10、获取主梁竖向位移数据，其中，为数据位置，为主梁竖向位移数据采样频率，为主梁竖向位移数据记录周期。

11、将主梁竖向位移数据以t3周期为区间划分为个节段。

12、主梁竖向位移节段数据记为，为节段位置，为各个节段数据位置。

13、计算主梁竖向位移各个节段数据标准差。

14、

15、其中，为主梁竖向位移节段数据的均值。

16、以节段位置为自变量，以各个节段标准差为因变量，进行线性回归，获得线性回归方程。其中，为斜率，为截距，为线形拟合标准差。

17、若，则进入下一步；若，结束涡激振动预警流程。

18、作为优选方案，所述步骤2，具体包括：

19、获取主梁振动数据，其中，为数据位置，为振动数据的采样频率，为主梁振动数据记录周期。

20、根据主梁振动数据，获得主梁振动模态功率谱值，为功率谱数据位置，为功率谱数据量。为主梁振动模态功率谱值对应频率。

21、查找主梁振动模态功率谱值中第一个最大值，记为一次峰值，对应频率值为；将主梁振动模态功率谱频率区间<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mo>[</mo><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>max,</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>−</mi><msub><mi>l</mi><mi>min</mi></msub><mi>/</mi><mn>2</mn><mi>,</mi><msub><mi>f</mi><mrow><mi>max,</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>l</mi><mi>min</mi></msub><mi>/</mi><mn>2</mn></mrow><mo>]</mo></mstyle>对应主梁振动模态功率谱值<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mi>p</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>max,</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>−</mi><msub><mi>l</mi><mi>min</mi></msub><mi>/</mi><mn>2</mn><mi>,</mi><msub><mi>f</mi><mrow><mi>max,</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>l</mi><mi>min</mi></msub><mi>/</mi><mn>2</mn></mrow><mo>]</mo></mrow></msub></mstyle>赋值为空，获得主梁振动模态消峰功率谱值，其中，为主梁理论竖弯模态频率数组最小一阶差分值。

22、查找主梁振动模态消峰功率谱值中最大值，记为二次峰值，对应频率值为。

23、计算一次峰值与二次峰值的比值，记为能量比。若能量比小于能量比阈值，则进入下一步；若能量比大于等于能量比阈值，则判断非主梁涡激振动。

24、作为优选方案，所述步骤3，具体包括：

25、获取桥址环境中风速数据，其中，，为桥址风速数据的采样频率，为桥址环境中风速数据记录周期。

26、根据桥址环境中风速数据，计算平均风速，。

27、当平均风速小于风速阈值时，则判定为主梁涡激振动，当平均风速大于等于风速阈值时，判定为主梁其他异常振动。

28、作为优选方案，所述能量比阈值等于5。

29、作为优选方案，所述风速阈值等于，其中，为主梁涡激振动理论风速。

30、作为优选方案，所述步骤4，具体包括：

31、计算主梁竖向位移数据的变化幅值，。

32、基于桥梁结构涡激振动有限元分析结果得到极限承载力下主梁竖向位移变化幅值。

33、基于主梁在车辆荷载作用下产生的最大弯矩得到主梁竖向位移变化幅值。

34、当时，正常行车。

35、当时，限速行车。

36、当时，封锁交通，禁止车辆上桥。

37、作为优选方案，所述主梁理论竖弯模态频率数组最小一阶差分值获取方法，具体包括：

38、基于桥梁结构成桥状态下有限元模型分析，获得桥梁主梁理论竖弯模态频率数组。其中，为第阶理论竖弯模态频率，为主梁理论竖弯模态阶次，为主梁理论竖向模态数量。

39、计算主梁理论竖弯模态频率数组的一阶差分值，获得最小一阶差分值为，。

40、第二方面，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如第一方面中任一所述的一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法。

41、第三方面，一种计算机设备，包括：

42、存储器，用于存储指令。

43、处理器，用于执行所述指令，使得所述计算机设备执行如第一方面中任一所述的一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法的操作。

44、有益效果：本发明提供的一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法和系统，本发明有效提高了主梁涡激振动预警的准确性及预警的时效性。同时，便于程序化实现，具有广泛的工程应用价值。与现有技术相比，具有以下优点：

45、1.本发明相对于基于单指标桥梁涡激振动预警方法，极大提升了主梁涡激振动预警的准确率，减少桥梁涡激振动预警信息的误报。

46、2.本发明可以对主梁涡激振动进行实时预警，提高应对主梁涡激振动突发事件的应急响应速度，增加保障行车安全的能力，辅助交通管控。

47、3.本发明相对于多指标并行计算的桥梁涡激振动预警方法，通过对主梁竖向位移波动趋势初判，基于主梁波动趋势、能量比、桥址平均风速多指标超限触发研判，可大幅提升涡激振动预警的响应效率，对系统计算资源要求低，可配性高。

48、4.本发明已经程序化实现，操作简单快捷，具有广泛的工程应用价值。

技术特征：

1.一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法，其特征在于：具体包括：

2.根据权利要求1所述的一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法，其特征在于：还包括：

3.根据权利要求1或2所述的一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法，其特征在于：所述步骤1，具体包括：

4.根据权利要求1或2所述的一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法，其特征在于：所述步骤2，具体包括：

5.根据权利要求1或2所述的一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法，其特征在于：所述步骤3，具体包括：

6.根据权利要求1或2所述的一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法，其特征在于：所述能量比阈值等于5；所述风速阈值等于，其中，为主梁涡激振动理论风速。

7.根据权利要求2所述的一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法，其特征在于：所述步骤4，具体包括：

8.根据权利要求4所述的一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法，其特征在于：所述主梁理论竖弯模态频率数组最小一阶差分值获取方法，具体包括：

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于：其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至8中任一所述的一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法。

10.一种计算机设备，其特征在于：包括：

技术总结
本发明公开一种多指标触发研判的桥梁涡激振动预警方法和系统，包括步骤：（1）获取实时主梁竖向位移、主梁振动、桥址风速监测数据；（2）计算主梁竖向位移监测数据波动离散趋势；（3）计算加速度功率谱能量比；（4）桥址平均风速校验；（5）建立主梁涡激振动预警处置决策模型。本发明通过对主梁竖向位移波动趋势初判主梁涡激振动，采用主梁波动趋势、能量比、桥址平均风速多指标超限触发形式实现对主梁涡激振动的研判，并给出决策意见。实现对桥梁结构主梁涡激振动进行实时、科学预警，保障行车安全，辅助交通管控。该方法便于集成系统软件，计算准确、高效，具有广泛的工程应用价值。

技术研发人员：刘兴旺,赵大成,佘春强,王兵,陈斌,高翔,李祥,郭志利,王磊磊,路小茜,瞿涛,蒋松平,邓凡,孙伟明,马赛,程东亚,于洋
受保护的技术使用者：中铁桥隧技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5