自锚式悬索桥结构健康监测数据预处理方法

叶作权 路华丽

(1.天津市陆海测绘有限公司，天津 300304; 2.天津大学建筑工程学院，天津 300072)

1 概述

随着交通事业的快速发展，大量复杂桥梁因此快速兴建。由于桥梁生命线的重要地位，桥梁的安全耐久，抗震性能受到了特别关注［1］。桥梁健康监测是桥梁安全的重要保障，其中桥梁结构的动力分析技术引起研究者的重视［2］。GPS-RTK技术是桥梁结构动态变形监测领域的一种新型方法。近年来，由于其软件、硬件的持续发展，尤其是采样频率的不断提高，使其在桥梁结构振动和动态变形监测方面显示出独特的优势，为桥梁健康监测提供了一种可以选择的方案。

2 研究现状

GPS-RTK技术在变形监测过程中由于周跳、振动冲击、多路径效应和仪器偶发故障以及电磁干扰等的影响，往往会出现非常大误差的数据。要使监测数据具有足够的可靠性需要提前进行粗差剔除处理。剔除粗差的方法主要为:基于统计、密度、距离与偏离的方法［3］。其中，具有完整数学理论基础的基于统计学的方法应用最广泛。依据数理统计理论可知，粗差剔除具有4种常用的方法:肖维勒准则、拉依达准则(3σ准则)、狄克逊准则、格鲁布斯准则等，其中拉依达准则(3σ准则)较为适用于容量较大的监测数据样本［4，5］。

3 健康监测及数据预处理

3.1 监测对象

坐落于天津市中心城区的富民桥工程四周是综合开发与规划的海河两岸智慧城，其北起富民路，南接洞庭路。主桥是独柱单塔的自锚式悬索桥，悬索为空间索面，主跨的主缆索锚固于主梁的两侧，边跨的主缆索锚固于地锚。主跨主缆使用在立面和平面均为抛物线的三维空间线形，边跨主缆使用不加竖向吊索形式的两根并排一组的缆索。全桥总长340.3 m，主跨157.081 m，辅跨86.4 m。河东侧引桥是三跨连续梁(19+20+19.6)m，由普通钢筋混凝土构成，河西侧引桥38.219 m，是单跨带悬臂的钢筋混凝土的框架结构。跨河的主桥桥面的标准宽度为38.6 m，一侧横向布置包括:0.8 m的吊索锚固区+0.5 m的防撞护栏+3.75 m的非机动车道+(3.75m+2×3.5m)的机动车道+0.5 m的路缘带+0.5 m的防撞护栏+5.0 m的主塔区，另一侧沿着主塔区成对称布置。其全貌图如图1所示。

3.2 监测数据处理方法

测试的精度及有效数据是有效分析变形监测的先决条件。但是，在实际的数据采集过程中，由于会受到仪器设备干预、环境噪声等原因，导致产生总体粗大误差数据和含噪声数据等不利情况。在处理分析数据中使用这些含有误差的数据将不可避免的影响数值分析结果，并且不能获得结构的实际状态，因此应该事先对试验中采集的数据进行处理，去除无用信息，留取有用信息。

图1 天津市富民桥全貌图

本文采用拉依达准则进行数据预处理。拉依达准则主要思想是基于3倍标准差，置信概率为99.7%，以误差理论为依据，那么监测值偏差落于［－3σ，+3σ］上的概率见式(1):

由式(1)可知，超出3σ的概率为0.27%，那么超出3σ为小概率事件，它可以被确定为异常值，也就是粗大误差。因此，拉依达准则也被称为3σ准则。一组监测数据序列为xi(i，1，2，…，n)，其平均值是x，残差是 εi(εi=xi－x)，残差 εi的标准差是 σ。当监测数据序列里的某些数据xj(1≤i≤n)的残差εi满足式(2):

则xj是异常的粗大误差，应予以剔除。然后再求出该数列的均方差以确定它是否符合3σ准则。如果不符合，继续前面的步骤并重复，直到符合3σ准则。

3.3 监测数据预处理结果

图2 RTK监测原始数据x1

在交通不封闭的情况下对富民桥的动态响应进行连续的实时监测，通过GPS传感器采集结构振动动态位移信号，GPS接收机以20 Hz的采样频率记录原始数据，RTK解算数据通过数据线直接传输和保存在笔记本电脑中。

对原始数据xi的预处理，首先按照3σ原则(99.7%置信区间)剔除异常值，其次使用三次样条插值对缺失的数据进行修补，最后应用滑动平均法进行平滑处理，得到预处理后信号Xi。采集的监测数据原始竖向位移序列xi和预处理后信号Xi，见图2，图3。

图3 预处理后的数据X1

从图2和图3分析可知，通过数据的预处理后，桥梁纵向振动的范围收窄，处于±10 mm范围内，±5 mm范围内的数据相对更密。

4 结语

通过以上实验分析可知，拉依达准则数据预处理方法处理GPS监测数据中的异常数据效果明显，且简便无需查表，易于使用。使用该准则的先决条件是所测数据样本非常大，因此对于采样频率高、采样时间长的健康监测数据采用拉依达准则进行数据预处理应用性和适用性非常广泛。