GPS-RTK数据识别分析桥梁结构模态参数

李富会 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，使其在桥梁运营状态下监测并分析识别桥梁结构模态参数方面显示出独特的优势。

2 研究现状

在自然环境下应用模态参数时域辨识技术的程序是：首先，对环境激励下振动数据进行采样；然后对所采样的数据进行预处理，采用一定方法使之成为符合时域识别所需要的特定信号形式。如果随机激励符合零均值高斯分布的特点，随机减量法(RDT)从振动响应信号数据中可以提取自由振动信号的自由衰减信号[3]。用于识别结构的模态参数时间序列法ARMA模型，具有三大优点，分别是识别精度高、抗噪性强、无能量泄漏[4]。因此本文将采用ARMA法扩展RDT方法对运营状态下桥梁结构模态参数进行识别分析。

3 监测数据处理

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+(3.75 m+2×3.5 m)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

在利用监测数据进行桥梁结构模态参数识别前，首先对GPS-RTK监测数据进行了预处理和滤波降噪处理。本文采用扩展ARMA_RDT方法对运营状态下桥梁结构模态参数进行识别分析，即首先采用扩展随机减量法(RDT)从振动响应信号数据中提取自由振动信号的数据；然后将其作为ARMA模型时序法的输入数据进行参数识别。模态参数时域识别具有一定的优点，实测的响应信号即可直接处理，信号不需要使用傅里叶变换进行处理，从而不会产生信号被截断引起的泄露，不会出现分辨率低与旁瓣等其他因素影响到参数识别的精度。

3.3 监测数据预处理结果

采用扩展的随机减量法得到桥梁结构的自由衰减振动信号，如图2所示。然后将自由衰减信号作为时域模态参数识别方法ARMA方法的输入信号进行模态参数识别，其频率的识别结果如表1所示。

表1 识别结果前5阶频率与有限元结果对比

方法及对比前5阶频率/Hz1阶2阶3阶4阶5阶有限元模拟0.841.822.592.914.18RTK监测数据0.831.772.452.784.03相对误差/%1.192.755.44.473.59

由表1可以看出，采用扩展的RDT模态识别方法应用于GPS-RTK测量数据中可有效的提取桥梁结构的前5阶频率，并且与有限元模拟方法的结果进行了对比。其相对于有限元模拟方法的误差最大为5.4%，说明了该模态识别方法适用于桥梁结构RTK变形监测数据分析，且识别精度较高。

4 结语

通过以上实验分析可知，GPS-RTK监测数据通过ARMA方法扩展的RDT方法可以有效的识别运营状态下桥梁结构的模态参数，且识别结果与有限元模拟方法的识别结果进行对比后，得出的结论是该方法适用于GPS-RTK监测数据的识别。因此通过GPS-RTK监测数据识别桥梁结构的模态参数可行可靠。