曹 強

中國建筑第八工程局有限公司工程研究院

1 前言

小波分析技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在變形分析中，與傳統(tǒng)分析技術(shù)相比，該方法能夠更有效地滿足變形監(jiān)測要求，具有極高的靈敏度，因此，在高層建筑快速發(fā)展的情況下，需要進(jìn)一步了解該方法的路徑與方法，為進(jìn)一步保障建筑物安全奠定基礎(chǔ)。

2 小波分析技術(shù)研究

2.1 基本技術(shù)特征

小波分析技術(shù)在實際上是一種將全頻段內(nèi)信號進(jìn)行多分辨率分解的方法，與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有更理想的時頻局部優(yōu)化的方法，在高層建筑物施工中通過小波分析的方法能夠?qū)⑾嚓P(guān)信號直接分布在不同頻段上，所以該方法具有理想的濾波功能。在此基礎(chǔ)上，信號小波轉(zhuǎn)使用了小波基函數(shù)與小波變換信號之間的結(jié)合，在數(shù)據(jù)處理階段通過選擇合理的小波函數(shù)，可以確保在相同的時域與頻域的基礎(chǔ)上展現(xiàn)出良好的特性，確保分析結(jié)果具備更高的精準(zhǔn)性。

在小波技術(shù)處理階段，可以將原始信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾〔ㄏ禂?shù)W，此時的W信號中包含小波系數(shù)集合{Wa，Wb}，其中一部分是近似系數(shù)Wa，其中包含了大量的低頻成分信息；而另一部分則是細(xì)節(jié)系數(shù)Wb，其中包含的是高頻成分信息，用于表示變化成分的不同[1]。在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，通過小波基與小波系數(shù)的結(jié)合，就可以形成小波分解，這種處理方法能夠更好地實現(xiàn)高頻信號與低頻信號的分離；除此之外在采用合理的小波節(jié)點之后，能夠更好地實現(xiàn)帶通濾波功能。

2.2 小波數(shù)據(jù)處理過程

在高層建筑物的動態(tài)監(jiān)測過程中，借助小波變換所具有的多分辨率特性，本文認(rèn)為小波數(shù)據(jù)處理過程中的數(shù)據(jù)處理流程如下所示：

（1）觀測數(shù)據(jù)濾波。針對高層建筑物可能產(chǎn)生的變形情況，在監(jiān)測期間應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)序列排序以及噪聲、信號的視頻特性往往存在一定的差異，部分信號在頻域、時域中的分布往往是全局性的，這就保證了這些信號在觀測的時域內(nèi)大量存在，并在頻域上表現(xiàn)出高頻特征的特征，所以在數(shù)據(jù)處理階段可以通過小波濾波來對信號、噪聲進(jìn)行分離，最終達(dá)到消躁目的。

（2）提取變形特征。借助小波變換所表現(xiàn)的局部時頻特征，通過該方法來監(jiān)測建筑物的變形情況時可以隨機將其分布在信號細(xì)節(jié)上，此時無論背景噪聲有多強，都可以通過這個數(shù)據(jù)處理方法來提取其中的變形信息，這種情況尤其適用于非平穩(wěn)突變變形中，是一種科學(xué)有效的處理方法[2]。同時考慮到高層建筑物的動態(tài)監(jiān)測要求，還可以通過變形特征提取的方法來提取其中的關(guān)鍵參數(shù)。

3 工程實例分析

為了更好地分析小波分析方法在高層建筑動態(tài)監(jiān)測中的效果，本文將結(jié)合某高層建筑，采用小波分析方法對建筑物進(jìn)行了詳細(xì)的動態(tài)監(jiān)測。

3.1 案例簡介

某大廈的總高度超過450m，其中地面以上的層數(shù)為95 層，在本次研究中在塔樓樓頂位置設(shè)置一個監(jiān)測站，分別在其他兩個不同位置設(shè)置兩個基準(zhǔn)站，其中基準(zhǔn)站1與基準(zhǔn)站2距離監(jiān)測站的基線長度為4016m、5269m，在數(shù)據(jù)采樣中設(shè)置頻率20Hz，所采用的基準(zhǔn)站分別對流動站數(shù)據(jù)做動態(tài)解算；在此階段處理中考慮到解算的是同一流動站，所以在分析期間，理論上建筑物的諧振信號是完全相同的。

3.2 監(jiān)測方案確定

本次研究中選擇了Trimble 系列的雙頻GPS接收器，在上文所介紹的三個監(jiān)測點上分別設(shè)置一個GPS 接收器，其中兩個固定參考站之間的周邊環(huán)境理想，五明顯的干擾點。本文所采集各類數(shù)據(jù)的時間為2019年11月7日，當(dāng)日晴朗，風(fēng)力小，日照效果滿意，按照動態(tài)監(jiān)測的方法連續(xù)監(jiān)測30min。

3.3 監(jiān)測結(jié)果

通過小波分析方法對觀測數(shù)據(jù)做處理，其中選擇建筑物頂部點為基準(zhǔn)點，在WGS 坐標(biāo)系下確定每個歷元的三維大地指標(biāo)，形成點位的坐標(biāo)序列。

之后在數(shù)據(jù)處理階段，采用三臺GPS 設(shè)備所接收的同步觀測信號進(jìn)行對比。

在小波分析階段，通過提取超高建筑物的振動信號，在采用小波分析方法來提取建筑物的諧振信號之后，其中的關(guān)系式為：

在上述公式中，x1與x2分別代表兩組時間序列的諧振信號。

而根據(jù)調(diào)查結(jié)果可知，該建筑物的動態(tài)監(jiān)測結(jié)果為：（1）監(jiān)測點與參考點在數(shù)據(jù)序列上的變化沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系，造成監(jiān)測點時程與參考點時程的變化相比，監(jiān)測點的總體點位變化情況較大，這一結(jié)果與建筑物的具體情況相符。（2）參考點與監(jiān)測點之間保持了良好的三維時程曲線關(guān)系，在水平變化量的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)建筑物在水平方向上的位移為±15mm，這也證明GPS在建筑物的動態(tài)監(jiān)測中的效果更理想。

3.4 小波分析結(jié)果

為了更好地識別小波分析結(jié)果的合理性，可以通過小波變換的方法來從整個觀測數(shù)據(jù)中分離建筑物結(jié)構(gòu)的自振信息，所以在小波分析中通過GPS 接收機獲得數(shù)據(jù)采樣率，而此時的GPS的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)包含序列為0Hz～1Hz；而根據(jù)高層建筑物結(jié)構(gòu)的固有頻率，可以在建筑物自身自振周期的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)系列做三層小波包分解，之后在對小波分析方法對原始數(shù)據(jù)做處理后，可以清洗的發(fā)現(xiàn)建筑物的主模態(tài)振動信號，發(fā)現(xiàn)該建筑在N方向上的振動主模態(tài)頻率為0.215Hz；通過對建筑物進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)分析，獲得建筑物在E方向上的振動頻率為0.163Hz。

4 結(jié)束語

綜上所述，小波分析方法能夠滿足高層建筑物動態(tài)監(jiān)測的要求，本文所介紹的案例證明小波分析方法所監(jiān)測的數(shù)據(jù)與建筑物實測結(jié)果基本相同，證明該技術(shù)具有先進(jìn)性，在高層建筑物設(shè)計與建設(shè)中值得推廣。