自錨式懸索橋結構健康監測數據預處理方法

葉作權 路華麗

(1.天津市陸海測繪有限公司，天津 300304; 2.天津大學建筑工程學院，天津 300072)

1 概述

隨著交通事業的快速發展，大量復雜橋梁因此快速興建。由于橋梁生命線的重要地位，橋梁的安全耐久，抗震性能受到了特別關注［1］。橋梁健康監測是橋梁安全的重要保障，其中橋梁結構的動力分析技術引起研究者的重視［2］。GPS-RTK技術是橋梁結構動態變形監測領域的一種新型方法。近年來，由于其軟件、硬件的持續發展，尤其是采樣頻率的不斷提高，使其在橋梁結構振動和動態變形監測方面顯示出獨特的優勢，為橋梁健康監測提供了一種可以選擇的方案。

2 研究現狀

GPS-RTK技術在變形監測過程中由于周跳、振動沖擊、多路徑效應和儀器偶發故障以及電磁干擾等的影響，往往會出現非常大誤差的數據。要使監測數據具有足夠的可靠性需要提前進行粗差剔除處理。剔除粗差的方法主要為:基于統計、密度、距離與偏離的方法［3］。其中，具有完整數學理論基礎的基于統計學的方法應用最廣泛。依據數理統計理論可知，粗差剔除具有4種常用的方法:肖維勒準則、拉依達準則(3σ準則)、狄克遜準則、格魯布斯準則等，其中拉依達準則(3σ準則)較為適用于容量較大的監測數據樣本［4，5］。

3 健康監測及數據預處理

3.1 監測對象

坐落于天津市中心城區的富民橋工程四周是綜合開發與規劃的海河兩岸智慧城，其北起富民路，南接洞庭路。主橋是獨柱單塔的自錨式懸索橋，懸索為空間索面，主跨的主纜索錨固于主梁的兩側，邊跨的主纜索錨固于地錨。主跨主纜使用在立面和平面均為拋物線的三維空間線形，邊跨主纜使用不加豎向吊索形式的兩根并排一組的纜索。全橋總長340.3 m，主跨157.081 m，輔跨86.4 m。河東側引橋是三跨連續梁(19+20+19.6)m，由普通鋼筋混凝土構成，河西側引橋38.219 m，是單跨帶懸臂的鋼筋混凝土的框架結構?？绾拥闹鳂驑蛎娴臉藴蕦挾葹?8.6 m，一側橫向布置包括:0.8 m的吊索錨固區+0.5 m的防撞護欄+3.75 m的非機動車道+(3.75m+2×3.5m)的機動車道+0.5 m的路緣帶+0.5 m的防撞護欄+5.0 m的主塔區，另一側沿著主塔區成對稱布置。其全貌圖如圖1所示。

3.2 監測數據處理方法

測試的精度及有效數據是有效分析變形監測的先決條件。但是，在實際的數據采集過程中，由于會受到儀器設備干預、環境噪聲等原因，導致產生總體粗大誤差數據和含噪聲數據等不利情況。在處理分析數據中使用這些含有誤差的數據將不可避免的影響數值分析結果，并且不能獲得結構的實際狀態，因此應該事先對試驗中采集的數據進行處理，去除無用信息，留取有用信息。

圖1 天津市富民橋全貌圖

本文采用拉依達準則進行數據預處理。拉依達準則主要思想是基于3倍標準差，置信概率為99.7%，以誤差理論為依據，那么監測值偏差落于［－3σ，+3σ］上的概率見式(1):

由式(1)可知，超出3σ的概率為0.27%，那么超出3σ為小概率事件，它可以被確定為異常值，也就是粗大誤差。因此，拉依達準則也被稱為3σ準則。一組監測數據序列為xi(i，1，2，…，n)，其平均值是x，殘差是 εi(εi=xi－x)，殘差 εi的標準差是 σ。當監測數據序列里的某些數據xj(1≤i≤n)的殘差εi滿足式(2):

則xj是異常的粗大誤差，應予以剔除。然后再求出該數列的均方差以確定它是否符合3σ準則。如果不符合，繼續前面的步驟并重復，直到符合3σ準則。

3.3 監測數據預處理結果

圖2 RTK監測原始數據x1

在交通不封閉的情況下對富民橋的動態響應進行連續的實時監測，通過GPS傳感器采集結構振動動態位移信號，GPS接收機以20 Hz的采樣頻率記錄原始數據，RTK解算數據通過數據線直接傳輸和保存在筆記本電腦中。

對原始數據xi的預處理，首先按照3σ原則(99.7%置信區間)剔除異常值，其次使用三次樣條插值對缺失的數據進行修補，最后應用滑動平均法進行平滑處理，得到預處理后信號Xi。采集的監測數據原始豎向位移序列xi和預處理后信號Xi，見圖2，圖3。

圖3 預處理后的數據X1

從圖2和圖3分析可知，通過數據的預處理后，橋梁縱向振動的范圍收窄，處于±10 mm范圍內，±5 mm范圍內的數據相對更密。

4 結語

通過以上實驗分析可知，拉依達準則數據預處理方法處理GPS監測數據中的異常數據效果明顯，且簡便無需查表，易于使用。使用該準則的先決條件是所測數據樣本非常大，因此對于采樣頻率高、采樣時間長的健康監測數據采用拉依達準則進行數據預處理應用性和適用性非常廣泛。