本發(fā)明屬于土木結(jié)構(gòu)工程監(jiān)測領(lǐng)域，特別涉及一種柔性繩索振動頻率的全域搜峰法。

背景技術(shù)：

隨著我國橋梁數(shù)量的迅速增長和橋梁運營環(huán)境的日趨復(fù)雜嚴(yán)苛，橋梁工程的安全問題日益突出。據(jù)不完全統(tǒng)計，1999～2016年期間我國共發(fā)生橋梁垮塌事故50余起，造成了巨大的生命財產(chǎn)損失和惡劣的社會影響。橋梁結(jié)構(gòu)的安全正受到政府和社會日益廣泛的關(guān)注。

施工監(jiān)控是確保橋梁等大型結(jié)構(gòu)在施工或使用階段完美體現(xiàn)設(shè)計思路的一種手段，隨著橋梁等大型結(jié)構(gòu)的跨度、結(jié)構(gòu)型式的很大突破，常規(guī)的計算或測量手段已經(jīng)很難準(zhǔn)確地得出結(jié)構(gòu)在各種工況下的受力狀況，必須引入監(jiān)控作輔助控制手段，在橋梁等大型結(jié)構(gòu)的施工中起著指導(dǎo)和調(diào)整施工順序的作用。施工監(jiān)控主要有兩個方面：施工監(jiān)測和施工控制，施工監(jiān)測不但可以保證橋梁等大型結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全而且施工監(jiān)測的結(jié)果也為施工控制提供數(shù)據(jù)，而施工控制就是在施工全過程進(jìn)行有效的控制，保證成結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力滿足設(shè)計要求。施工監(jiān)測主要包括撓度觀測、溫度效應(yīng)觀測、應(yīng)力應(yīng)變觀測(通過應(yīng)變片測應(yīng)變)、預(yù)應(yīng)力觀測(對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu))、索力觀測(包括斜拉橋拉索、懸索橋、吊桿拱橋吊桿張拉力、鋼管拱吊裝扣索索力值)、結(jié)構(gòu)的振動觀測(包括振動幅值、振動頻率、振動模態(tài))等。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(structurehealthmonitoring，簡稱shm)是土木工程學(xué)科發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是通過對柔性繩索理力學(xué)性能，及其所處環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，實時或間斷地監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體或局部行為，對結(jié)構(gòu)的損傷位移和程度進(jìn)行診斷，對結(jié)構(gòu)的服役情況、可靠度、耐久性和承載能力進(jìn)行智能評估，為結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件下或結(jié)構(gòu)使用狀況嚴(yán)重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為結(jié)構(gòu)的維修、養(yǎng)護(hù)與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一個多領(lǐng)域跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，涉及到土木工程、動力學(xué)、材料學(xué)、傳感技術(shù)、測試技術(shù)、信號分析技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、模式識別技術(shù)等多個研究方向。

振動頻率是柔性繩索的自身特性，一般不會隨著外界環(huán)境和荷載變化的影響，振動頻率是柔性繩索的質(zhì)量分布和剛度分布的函數(shù)，能夠反映柔性繩索整體健康狀況的參數(shù)。當(dāng)柔性繩索的振動頻率發(fā)生了變化，則說明柔性繩索的質(zhì)量分布和剛度分布發(fā)生了變化，即柔性繩索出現(xiàn)了損傷，因此柔性繩索的振動頻率是大型橋梁必須監(jiān)測的重要指標(biāo)，也是評價橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況的重要參數(shù)。

針對當(dāng)前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展，海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)需要及時地進(jìn)行處理，從中挖掘出結(jié)構(gòu)的狀態(tài)信息，就需要充分利用計算機(jī)，通過算法設(shè)計與程序開發(fā)，使得計算機(jī)能夠?qū)Ａ勘O(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化地處理。本發(fā)明的方法就適用于計算機(jī)自動化處理柔性繩索的振動數(shù)據(jù)，獲得柔性繩索的多階振動頻率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種柔性繩索振動頻率的全域搜峰法。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供的一種柔性繩索振動頻率的全域搜峰法，包括以下步驟：

步驟1，利用振動傳感器測定柔性繩索的振動數(shù)據(jù)，即柔性繩索的時域振動數(shù)據(jù)；

步驟2，對柔性繩索的時域振動數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域變換，獲得柔性繩索的振動頻譜；

步驟3，取全頻域的最大值對應(yīng)的振動頻率將振動頻率的領(lǐng)域內(nèi)的所有振動頻域數(shù)據(jù)點設(shè)置為0；

步驟4，重復(fù)步驟3，直到找到所有需要的頻率；

步驟5，對所有頻率進(jìn)行由小到大排序，即可獲得柔性繩索的各階振動頻率fi。

其中，步驟2中，頻域變換方法為傅里葉變換。

其中，步驟3中，f1^*是初始基頻，可以是理論計算結(jié)果(例如，采用有限元模型方法計算獲得)，或者是歷史振動頻率數(shù)據(jù)。

有益效果：本發(fā)明的全域搜峰法可以搜索柔性繩索的多階振動頻率，可利用計算機(jī)等現(xiàn)代工具或人工搜索快速獲得柔性繩索的振動頻率，操作方便，計算方法簡單，結(jié)果準(zhǔn)確。

具體而言，本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下突出的優(yōu)勢：

(1)計算方法簡單，操作方便，便于理解，結(jié)果準(zhǔn)確；

(2)本方法便于計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，便于計算機(jī)快速批處理；

(3)本方法能夠搜索柔性繩索的多階振動頻率，能夠根據(jù)先驗知識獲得當(dāng)前實際的振動頻率；

附圖說明

圖1為某座大橋某根拉索15分鐘內(nèi)的加速度時程曲線；

圖2為柔性繩索的振動頻譜圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明全域搜峰法搜索振動頻率的方法做出進(jìn)一步說明。

實施例1

全域搜峰法搜索振動頻率，步驟如下：

步驟1，利用振動傳感器測定柔性繩索的振動數(shù)據(jù)，即柔性繩索的時域振動數(shù)據(jù)，如圖1所示，是某座大橋某根拉索15分鐘內(nèi)的加速度時程曲線；

步驟2，對柔性繩索的時域振動數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域變換，獲得柔性繩索的振動頻譜，如圖2所示；變換方法利用離散傅里葉變換，公式如下：

其中，x(n)是離散的加速度時程數(shù)據(jù)列，n是加速度數(shù)據(jù)點的序號，n是加速度時程數(shù)據(jù)列的數(shù)據(jù)量，即采樣點的個數(shù)，本例中，采樣頻率為20hz，采樣時長為15分鐘，則采樣點數(shù)為n＝15*60*20＝18000，j是虛數(shù)，x(k)是變換后的頻域數(shù)據(jù)列，k是頻域數(shù)據(jù)點的序號；

步驟3，取全頻域的最大值對應(yīng)的頻率將頻率的領(lǐng)域內(nèi)的所有頻域數(shù)據(jù)點設(shè)置為0；

其中f1^*＝0.3501hz是初始基頻，根據(jù)歷史值人工識別獲得；

步驟4，重復(fù)步驟3，直到找到所有需要的頻率；

步驟5，對所有頻率進(jìn)行由小到大排序，即可獲得柔性繩索的各階振動頻率fi；

本例中，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析得到的fi^*見表1所示，根據(jù)當(dāng)前實際數(shù)據(jù)分析得到的fi見表1所示。

表1

本發(fā)明方法的準(zhǔn)確性和可靠性通過了實橋試驗驗證：表1是某座大橋某根索的振動頻率，其中fi^*是人工識別的歷史頻率，fi是利用本發(fā)明方法搜索到的實測頻率，它們的絕對誤差不超過0.01hz，相對誤差不超過0.5％，完全符合工程精度要求，說明本方法的準(zhǔn)確性較高。