蘇 州 林 杰 甘維兵

(1.湖北交投智能檢測(cè)股份有限公司 武漢 430070； 2.武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

隨著各種跨徑龐大、結(jié)構(gòu)新穎、體系復(fù)雜的大型橋梁不斷涌現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)受到越來(lái)越廣泛關(guān)注。在諸多影響橋梁結(jié)構(gòu)健康因素中，線形是評(píng)價(jià)橋梁安全狀態(tài)的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]。隨著橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了許多線形測(cè)量方法[2]，常用的方法主要有百分表、全站儀、精密水準(zhǔn)儀、連通管、差分GPS、測(cè)量機(jī)器人、激光圖像測(cè)量法等[3-7]，其中最具有代表性的測(cè)量方法包括水準(zhǔn)儀、連通管、測(cè)量機(jī)器人和三維激光掃描。水準(zhǔn)儀測(cè)量精度高、點(diǎn)位密，但耗時(shí)長(zhǎng)、工作量大；連通管測(cè)量精度高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、點(diǎn)位密，但安裝和維護(hù)成本較高；測(cè)量機(jī)器人操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高，但測(cè)點(diǎn)稀疏；三維激光掃描是一種非接觸式測(cè)量方法，具有自動(dòng)化、高精度、高效等特點(diǎn)，但受地形條件限制，其掃描范圍有限，易受橋塔遮擋的影響[8]。

綜上所述，現(xiàn)有測(cè)量方法存在檢測(cè)周期長(zhǎng)、實(shí)施成本高、易受環(huán)境影響、測(cè)量點(diǎn)不連續(xù)等不足，容易遺漏結(jié)構(gòu)存在的潛在病害處。為此，王立新等[9-10]于2002年就提出將光纖陀螺用于工程結(jié)構(gòu)形變測(cè)量，該方法具有快速、連續(xù)、測(cè)量精度較高等特點(diǎn)。然而，受外界環(huán)境影響，其檢測(cè)精度很難滿足工程測(cè)量需求。鑒于檢測(cè)小車在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中可能因橋面的不平整、伸縮縫、減速帶等產(chǎn)生振動(dòng)沖擊，給檢測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)外界噪聲干擾，導(dǎo)致檢測(cè)精度降低。本文提出采用小波分析、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)和獨(dú)立成分分析(ICA)混合信號(hào)處理方法對(duì)外界振動(dòng)引起的噪聲進(jìn)行提取、濾波和重構(gòu)，達(dá)到提高系統(tǒng)檢測(cè)精度的目的。該方法應(yīng)用于大跨度新建橋梁荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中，其檢測(cè)精度改善明顯，效果良好，滿足工程測(cè)量需求。

1 光纖連續(xù)線形檢測(cè)基本原理

通過(guò)光纖陀螺精確測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度沿運(yùn)載體坐標(biāo)系分量，結(jié)合運(yùn)載體高精度里程儀輸出信息，采用捷聯(lián)矩陣及積分運(yùn)算方法即可推導(dǎo)出載體運(yùn)動(dòng)的軌跡[11-12]，光纖陀螺隨載體運(yùn)動(dòng)的軌跡即代替待測(cè)結(jié)構(gòu)連續(xù)線形，其檢測(cè)原理見(jiàn)圖1。

圖1 光纖陀螺用于連續(xù)線形檢測(cè)原理

假設(shè)運(yùn)載體從i點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到i+1點(diǎn)，根據(jù)積分極限相似理論，當(dāng)其運(yùn)行時(shí)間間隔t極限小時(shí)，第i+1點(diǎn)的坐標(biāo)(Xi+1,Yi+1)可以近似表示為

(1)

(2)

式中：運(yùn)載體的線速度為vi+1；角速度為ωi+1；運(yùn)載體與結(jié)構(gòu)表面的初始夾角為θi；Xi+1代表橋梁里程；Yi+1為橋梁高程。假設(shè)運(yùn)載體前后輪間距L相對(duì)于待測(cè)橋梁的長(zhǎng)度是可以忽略不計(jì)的，可將運(yùn)載體視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，根據(jù)式(1)和(2)建立的遞推函數(shù)關(guān)系，即可開(kāi)展運(yùn)載體沿待測(cè)結(jié)構(gòu)表面運(yùn)行時(shí)連續(xù)軌跡的計(jì)算，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)行的軌跡即為待測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)表面連續(xù)線形。

2 基于EMD和ICA信號(hào)處理方法

2.1 路面沖擊噪聲特性分析

頻域分析方法是研究控制系統(tǒng)的一種經(jīng)典方法，將傳遞函數(shù)從復(fù)域引到頻域，利用頻率特性作為數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行研究。本文采用快速傅里葉變換(FFT)對(duì)外界振動(dòng)影響情況下的角速度值進(jìn)行處理，通過(guò)相關(guān)、包絡(luò)和頻譜分析，更加直觀地了解各種噪聲對(duì)光纖陀螺輸出產(chǎn)生的影響。

對(duì)于一個(gè)非周期振動(dòng)函數(shù)y(t)，可以用FFT表示為

(3)

用頻率表示為

(4)

其中：Y(ω)為角速度函數(shù)；Y(f)為頻域函數(shù)；ω、f分別為外界振動(dòng)源的角速度和頻率，ω=2πf；t為振動(dòng)時(shí)間。

使用FFT分別對(duì)路面平整和不平整時(shí)的光纖陀螺輸出信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，其結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 光纖陀螺角速度頻譜特性

由圖2可見(jiàn)，頻譜特性能夠更好地觀察到測(cè)量過(guò)程中光纖陀螺受到的影響因素，路面不平整帶來(lái)的沖擊對(duì)數(shù)據(jù)的多個(gè)頻率段都造成了影響。在對(duì)線形檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，需要對(duì)光纖陀螺的頻譜特性進(jìn)行深入討論，從而挖掘數(shù)據(jù)中包含的諸多信息，為數(shù)據(jù)處理提供合理依據(jù)。

2.2 路面沖擊噪聲識(shí)別與定位

先利用小波變換方法進(jìn)行甄別，再有針對(duì)性地進(jìn)行單獨(dú)分析和處理，確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，同時(shí)有效地提取出噪聲信號(hào)。利用小波變換方法將光纖陀螺在不平整路面時(shí)的角速度值進(jìn)行7層分解，其結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 光纖陀螺角速度值小波變換分解結(jié)果

由圖3可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)小波變換后，在分解的d1到d5層上均出現(xiàn)了小波變換極大值現(xiàn)象，故可以認(rèn)為該時(shí)刻(虛線框部分)的數(shù)據(jù)為沖擊噪聲引起，與實(shí)驗(yàn)情況吻合。因此認(rèn)為小波變換能夠準(zhǔn)確地識(shí)別和定位路面不平整處。

2.3 基于EMD和ICA路面沖擊噪聲處理

首先，采用EMD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使得原始信號(hào)被分解成若干個(gè)包含從高頻分量到低頻分量的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)；然后，利用ICA盲源分離方法對(duì)多個(gè)IMF進(jìn)行二次處理。小波變換方法可將光纖陀螺角速度數(shù)據(jù)中的奇異值篩選出來(lái)，再利用EMD和ICA復(fù)合噪聲處理方法對(duì)篩選出來(lái)的奇異值進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)回填到濾波后的空白數(shù)據(jù)中，確保線形準(zhǔn)確性和完整性。

采用EMD和ICA相結(jié)合的方法對(duì)某一段線形數(shù)據(jù)進(jìn)行深度處理，實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)的位置甄別、局部?jī)?yōu)化和數(shù)據(jù)重構(gòu)，從而得到準(zhǔn)確、完整的線形曲線，見(jiàn)圖4。

圖4 信號(hào)頻域解析及線形重構(gòu)曲線

由圖4b)虛線框可見(jiàn)，處理前光纖陀螺經(jīng)過(guò)路面時(shí)存在著明顯的抖動(dòng)，處理后曲線變得更加光滑，且整體線形并未受到影響。

3 新建大跨橋梁荷載試驗(yàn)

3.1 橋梁線形測(cè)量方法

將裝載光纖陀螺連續(xù)線形檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)載小車駛?cè)氪郎y(cè)橋梁，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加載情況，選擇大橋上、下游最外側(cè)車道作為檢測(cè)小車行駛車道。選定橋梁兩端的伸縮縫作為檢測(cè)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，系統(tǒng)啟動(dòng)后，令檢測(cè)小車對(duì)準(zhǔn)前進(jìn)的方向，靜置3 min，以便光纖慣性系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)；檢測(cè)完畢后，計(jì)算機(jī)輸出待測(cè)橋梁初始線形；隨后將已知標(biāo)定點(diǎn)帶入系統(tǒng)，采用EMD和ICA混合噪聲處理方法對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，即可得到準(zhǔn)確線形曲線。其主要過(guò)程見(jiàn)圖5。

圖5 光纖慣性橋梁連續(xù)線形檢測(cè)流程圖

所有傳感檢測(cè)設(shè)備均集成在檢測(cè)小車內(nèi)部，不受外界惡劣天氣影響；檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)小車以30 km/h左右行駛，避免振動(dòng)幅度過(guò)大給系統(tǒng)檢測(cè)帶來(lái)誤差；在條件允許的情況下，可以通過(guò)多次取平均方法消除系統(tǒng)誤差。

3.2 主體橋梁荷載試驗(yàn)

湖北省內(nèi)某長(zhǎng)江公路大橋是“953”高速公路網(wǎng)縱五線的控制性工程，主橋采用主跨820 m的雙塔不對(duì)稱混合梁斜拉橋方案，橋跨布置為75 m+75 m+75 m+820 m+300 m+100 m。

本次靜載試驗(yàn)主要針對(duì)起控制作用的主梁、斜拉索和主塔截面進(jìn)行加載測(cè)試，選取中跨最大撓度(B截面)、跨中(N截面)作為控制截面觀測(cè)點(diǎn)，其中B截面偏離跨中31.6 m，在各種工況荷載作用下，采取多級(jí)加載的方式對(duì)主梁進(jìn)行整體撓曲線觀測(cè)。采用光纖慣性檢測(cè)小車對(duì)橋梁整體線形曲線進(jìn)行測(cè)試，與此同時(shí)，采用氣-液耦合壓差式撓度儀對(duì)主梁關(guān)鍵截面撓度進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，具體各工況略。

以主試驗(yàn)跨B截面最大正撓度加載工況中跨偏載3為例，加載車輛主要分布在跨中區(qū)域，分5級(jí)加載，其中二級(jí)加載為27輛車，五級(jí)加載為54輛車，車重350 kN。受現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間限制，光纖慣性檢測(cè)小車只針對(duì)二級(jí)、五級(jí)加載進(jìn)行測(cè)試，采用基于EMD和ICA混合噪聲處理方法對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理后得到的主跨整體線形曲線見(jiàn)圖6。

圖6 分級(jí)加載線形曲線

由圖6可見(jiàn)，二級(jí)加載和五級(jí)加載最大下?lián)宵c(diǎn)均在B截面，與理論計(jì)算是一致的；隨著分級(jí)加載荷載的增加，B截面下?lián)献冃沃饾u增大，且左、右兩側(cè)主塔另一端附近出現(xiàn)反拱(翹起來(lái))現(xiàn)象，卸載后大橋整體線形基本恢復(fù)至加載前空載狀態(tài)，與結(jié)構(gòu)受力分析相吻合。

以主試驗(yàn)跨B截面最大正撓度加載工況4為例，工況4為中跨中載，加載車輛主要分布在跨中區(qū)域，其中左、右幅各3列加載車隊(duì)，每列9輛，分5級(jí)加載。采用基于EMD和ICA混合噪聲處理方法對(duì)滿載時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，得到的主跨整體線形見(jiàn)圖7。

圖7 主跨中載最大撓度曲線

該工況下，采用2種方法測(cè)量N截面、B截面得到的撓度值與理論計(jì)算值見(jiàn)表1。

表1 最大荷載下控制截面撓度對(duì)比值 m

由圖7可見(jiàn)，加載后的上、下游主梁整體撓曲線基本一致，說(shuō)明主梁整體對(duì)稱性良好；光纖慣性系統(tǒng)測(cè)量的連續(xù)線形曲線與高精度撓度儀散點(diǎn)測(cè)量值擬合得到的線形曲線基本重合，說(shuō)明光纖慣性系統(tǒng)測(cè)量的線形是可靠的，其測(cè)量精度較高；兩者測(cè)量值均與理論計(jì)算值存在一定的偏差，說(shuō)明實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值存在一定的區(qū)別。滿載時(shí)最大下?lián)宵c(diǎn)在B(見(jiàn)表1)截面，與理論計(jì)算是一致的；在B截面，光纖慣性系統(tǒng)測(cè)量的撓度值與高精度撓度儀測(cè)量值相差1.5 cm左右，其測(cè)量值更接近于理論計(jì)算值；對(duì)于新建大跨度橋梁，當(dāng)主跨荷載形變達(dá)到米級(jí)時(shí)，光纖慣性系統(tǒng)檢測(cè)精度滿足工程測(cè)量需求。

3.3 試驗(yàn)總結(jié)

從以上數(shù)據(jù)分析可知，對(duì)于新建大跨度橋梁荷載試驗(yàn)，無(wú)論是偏載還是中載，光纖慣性檢測(cè)系統(tǒng)均能較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁整體線形進(jìn)行連續(xù)式測(cè)量。通過(guò)采用基于EMD和ICA混合噪聲處理方法對(duì)線形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到的撓度值與傳統(tǒng)差分撓度儀測(cè)量結(jié)果十分接近，且誤差在1 cm左右，滿足工程測(cè)量需求。

4 結(jié)語(yǔ)

基于光纖慣性傳感技術(shù)的線形檢測(cè)系統(tǒng)借助運(yùn)載平臺(tái)對(duì)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行移動(dòng)式檢測(cè)時(shí)，待測(cè)結(jié)構(gòu)表面無(wú)需安裝任何傳感器，在檢測(cè)過(guò)程中無(wú)需封路，不影響交通， 具有方便、快捷、測(cè)量點(diǎn)連續(xù)、精度高等特點(diǎn)。該系統(tǒng)使用便捷、移植靈活、效率高，特別適合大跨度新建橋梁多工況荷載試驗(yàn)，能夠準(zhǔn)確定位橋跨最大下?lián)咸?，不遺漏任何病害部位。采用小波分析、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)和獨(dú)立成分分析(ICA)混合信號(hào)處理方法對(duì)外界振動(dòng)引起的噪聲信號(hào)進(jìn)行提取、濾波和線形數(shù)據(jù)重構(gòu)，可以確保線形測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和完整性。該技術(shù)已經(jīng)30多座大、中型橋梁結(jié)構(gòu)健康巡檢中得到推廣使用，受到用戶好評(píng)。