一种适用于振动台试验的多锚点锚索抗滑桩损伤变形识别方法

1.本发明属于抗震技术领域，具体涉及一种适用于振动台试验的多锚点锚索抗滑桩损伤变形识别方法。


背景技术：

2.支挡结构是加固边坡施工中应用最广泛、最有效的措施之一，而桩锚支挡结构则是目前最经济快捷和安全可靠的坡体支护方案，其设计水平直接影响边坡的稳定性。边坡位置一般是线路的抗震薄弱区，一旦发生滑坡等问题，其后果往往不可估量。
3.支挡结构一般通过理论计算进行抗震设计，当结构非常复杂、现有计算理论又无法圆满解决问题时，研究人员常借助振动台模型试验，直接对结构的地震反应及破坏形态进行观察，以评估结构的整体抗震能力。地震模拟振动台作为地震工程研究中的用于结构抗震试验的关键设备，利用该设备可以模拟地震环境，确定各类挡土结构的动力特性和抗震性能、检验结构的抗震性能及其在地震力作用下的破坏机理，从而完善抗震设计理论及方法。
4.多锚点锚索抗滑桩（以下简称多锚点桩）是应用于岩土工程加固领域的有效措施之一。2008年汶川地震后进行的一项调查显示，这种挡土结构在地震中表现出良好的抗震性能。然而，目前国内外关于多锚点桩的工程经验较少，最早提出并使用多锚点桩是在北京戒台寺大型复杂滑坡治理工程中。有学者将多锚点桩与单锚点桩做了对比分析，得出多锚点桩在受力、控制变形和经济上均具有较大的优势。但目前针对多锚点桩的损伤变形研究多基于模型试验或数值分析中桩体顶部的位移和变形监测，未能从多锚点桩自身特征参数和桩体内部监测的物理量入手进行研究。
5.目前，虽然有一些方法来识别结构损伤，如小波分析和固有模态分析，但这些方法存在不同的缺陷，其主要原因是它们的分析结果依赖于所选择的基函数。当在时频域内描述非平稳信号时，hht具有极好的时频分辨率，可以克服传统信号处理方法的局限性。此外，由于具有突出的时频定位能力，hht已广泛应用于结构损伤检测、海洋工程、地震滑坡损伤识别等领域。总的来看，hht方法在处理地震信号方面具有良好的自适应性和高效性。然而，利用能量传递特性方法对多锚点桩地震损伤变形识别的研究有限，特别是地震希尔伯特能谱和边际谱对多锚点桩整体或局部损伤变形的适用性研究有待进一步讨论。
6.试验中实测的加速度时程受试验条件及数据采集的影响，将包含一些噪声成分，导致实测数据失真。失真的加速度数据常常表现为：
①
加速度时程基线偏离零线(即无信号时的基线)；
②
实测加速度时程经过一次积分后得到的速度时程在激振结束后不归零。因此，在对试验中实测的加速度数据进行分析之前，需要对实测加速度数据进行预处理，处理方法主要包括滤波和基线校正。目前的基线校正方法有fir 滤波、最小二乘法拟合、小波变换、多项式拟合、分段多项式拟合等。这些方法都能在一定程度上实现加速度数据的基线校正，然而也同样存在各自的问题。fir滤波易导致幅频失真明显；最小二乘法拟合对信号的
拟合需要事先预测趋势项的类型（直流分量、线性分量、指数函数、幂函数等），随着趋势项复杂程度的增加，拟合的难度也增大，不适用于复杂的实际信号；小波变换中小波基函数的选取和小波阶次的确定都需要事先预测；多项式拟合和分段多项式拟合都存在拟合阶数难以确定的问题，从而导致欠拟合或者过拟合现象的发生。运用ｂ样条拟合算法进行加速度数据基线校正不但能够克服拟合阶数难以确定的问题，达到较好的拟合效果，而且计算量和计算复杂度较低。


技术实现要素：

7.本发明基于振动台试验多锚点桩测试加速度数据分析，结合ｂ样条拟合算法和hht手段，提出了一种适用于振动台试验的多锚点桩损伤变形识别方法，目的在于充分判识地震作用下多锚点桩的震害损伤变形，推断多锚点桩的灾变演化过程。本发明的具体技术方案如下：一种适用于振动台试验的多锚点锚索抗滑桩损伤变形识别方法，包括以下步骤：1）设计多锚点桩加速度传感器的布设方案，并按照布设方案在多锚点锚索抗滑桩上布置加速度传感器；2）填筑振动台试验模型，按照试验流程加载多级地震波进行测试，获取多锚点桩加速度响应数据；3）滤波处理：在matlab软件中编写切比雪夫ⅱ型带通滤波程序对步骤2）获取的加速度数据进行滤波处理；4）基线校正：在matlab软件中编写b样条拟合算法，对步骤3）处理后的加速度数据进行基线校正；5）将滤波处理和基线校正后的加速度数据x(t)进行经验模态分解（emd），得到x(t)的一系列本征模态函数（imf）分量；6）对各个imf进行希尔伯特变换，得到各个imf的瞬时频率谱曲线以及希尔伯特谱曲线；7）综合步骤6）各个imf的希尔伯特谱曲线，即得到x(t)的希尔伯特谱h(t，ω)；8）对希尔伯特谱h(t，ω)在时间轴上进行积分，得到x(t)的边际谱h(t，ω)；提取x(t)的边际谱峰值，记为pmsa；9）基于pmsa沿桩身分布态势进行多锚点桩地震损伤变形识别：如果pmsa随着桩体高程的升高而增加，表明多锚点桩没有出现动态损伤；相反，如果桩体某一位置的pmsa呈下降趋势，则表明在该桩体位置出现了损伤变形；10）绘制桩身pmsa随地震激励变化分布云图，通过云图判别在多级地震波激励下多锚点桩的损伤变形发展过程。
8.进一步地，所述步骤2）中地震波加载波形为el centro波，多级地震波的加载制度为：0.1g
→
0.15g
→
0.2g
→
0.3g。
9.b样条拟合算法原理如下：假设有二维空间上的光谱数据点列，并将x方向上的节点以符号t表示。考虑到xj通常为递增序列，记：（1）
以to和t
n+1
为边界节点，对区域r=[a, b]作内分划并进行外扩，得到含有内节点、边界节点和外节点的非递减节点序{ti}；（2）其中n为内节点数、k为b样条函数的阶数。
[0010]
节点序列确定后，关于x的k阶或k-1次b样条基函数可通过deboor-cox定义递推计算 (3)随后，关于x的k阶或k-1次b样条曲线可唯一地表示为，其中{cj}为控制系数列向量。这里，k一般取为４。
[0011]
代入样本数据点并设，得到矩阵形式线性方程组 (4)其中，其中，为拟合误差。
[0012]
通常选取b样条基函数个数小于样本数据点组数，即n+k＜n，则式(4)为超定方程组，因而在控制系数的求解上采用最小二乘方法，可得到控制系数cn的最小二乘估计值。
[0013] (5)将b样条拟合算法用于地震波加速度数据的基线校正，其流程如图2所示。该原理利用 b样条拟合算法，通过循环迭代的方法，不断逼近加速度数据的基线。其基本步骤如下：(1)输入原始经滤波处理后的加速度数据s0（m维向量），并令其作为被拟合信号u0的初始值，即u0＝s0；(2)对u
0 进行b样条拟合，获得拟合曲线un；(3)比较u
0 和u
n 每一项的大小，求其最小值并赋予u0；(4)计算un对u0的相对误差，若大于门限，则返回步骤2，继续循环；否则结束循环，获得基线u
n ；(5)将基线un从原始加速度数据s
0 中减去，获得校正后的加速度数据x(t)。
[0014]
本发明的有益效果在于：以往针对多锚点桩的损伤变形识别多基于模型试验或数值分析中桩体顶部的位移和变形监测，未能从多锚点桩自身特征参数和桩体内部监测的物理量入手进行研究；本发明基于振动台模型试验加速度响应数据，从桩体自身能量传递特性角度对多锚点桩的震害损伤变形进行有效判识。此外，通过将b样条拟合算法应用于加速度数据基线校正处理，弥补了fir 滤波、最小二乘法拟合、小波变换等传统基线校正方法的不足。
附图说明
[0015]
图1是本发明的识别方法的流程示意图；图2是本发明步骤4）中b样条拟合进行加速度基线校正流程示意图；图3是本发明步骤2）振动台试验模型填筑示意图；图4是图3的主视图；图5是本发明多锚点桩加速度传感器布置断面图；图6是本发明el centro波加速度时程曲线图；图7是本发明el centro波加速度傅氏谱图；图8是本发明多锚点桩0.1g地震波作用下s01’测点的imf1
–
残差；图9是本发明各个imf对应的瞬时频率；图10是0.1g地震波作用下桩身各测点边际谱；图11是桩身测点边际谱随相对高程变化曲线；图12是0.15g地震作用下桩身pmsa随地震激励变化分布云图；图13是0.2g地震作用下桩身pmsa随地震激励变化分布云图；图14是0.3g地震作用下桩身pmsa随地震激励变化分布云图。
具体实施方式
[0016]
本案例采用振动台试验的方法研究地震作用下隧道横穿滑坡区多锚点桩的地震损伤变形识别，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明，1）首先设计多锚点桩加速度传感器布设方案，并按照设计方案在桩身上布置加速度传感器，加速度传感器采用302胶水粘贴固定于多锚点桩的前侧面上，加速度传感器布设如图5所示。
[0017]
2）根据加速度传感器布设方案，填筑振动台试验模型，填筑完成的试验模型如图3和4所示。加载地震波测试，获取多锚点桩加速度数据。地震波加载波形为el centro波，加载制度为：0.1g
→
0.15g
→
0.2g
→
0.3g。
[0018]
3）滤波处理：通过在matlab软件中编写切比雪夫ii型带通滤波器对步骤2）获取的加速度数据进行滤波处理。
[0019]
4）基线校正：通过在matlab软件中编写b样条拟合算法对步骤3)处理后的加速度数据进行基线校正。输入台面的加速度数据经滤波和基线校正处理后的时程曲线如图6所示，傅氏谱如图7所示。
[0020]
5）对桩身加速度测点时程曲线经滤波和基线校正后的数据进行经验模态分解(emd)，将原始信号x(t)分解为若干个imf分量。
[0021]
6）再对各个imf进行希尔伯特变换，得到各个imf对应的瞬时频率谱和希尔伯特谱。
[0022]
7）综合所有imf的希尔伯特谱，即可得到x(t)的希尔伯特谱h(t，ω)。以s01’测点在0.1g el centro wave作用下的加速度时程曲线进行emd分解，得到其相应的瞬时频谱如图8和9所示。
[0023]
8）在时间域上对希尔伯特谱h(t，ω)进行积分，即可得到x(t)的边际谱h(t，ω)，其中0.1g地震波作用下桩身各测点的边际谱h(t，ω)如下图10所示9）提取各测点的峰值边
际谱振幅（pmsa），绘制各测点pmsa在不同地震强度激励下沿桩身相对高程变化规律曲线如下图11所示。
[0024]
9）根据桩身测点pmsa变化规律曲线（图11）对多锚点的损伤变形进行识别：可知当地震激励为0.1g时，pmsa随着相对高程增加近乎呈平稳趋势变化，未出现明显的下降现象，表明在0.1g地震动作用下，多锚点桩未出现明显的变形损伤。随后当地震激励为0.15g和0.2g时，在相对高度为0.42（s03’）以下，多锚点桩pmsa保持近线性增长趋势，相对高度超过0.42（s03’）时，pmsa呈近线性递减趋势，这说明在相对高度为0.42（s03’）处桩体发生损伤变形。此外，当输入地震强度为0.3g时，s02’测点pmsa发生断崖式下降。因此，在地震动强度作用下，多锚点桩的损伤变形首先出现在相对高度为0.42（s03’）处，随着地震动强度增加至0.3g时，桩体损伤进一步发展至相对高度为0.22（s02’）处。
[0025]
10）多锚点桩震害损伤灾变演化过程判别：采用surfer10软件绘制桩身pmsa随地震激励变化分布云图，如下图12所示。由步骤9可知，0.1g地震动强度作用下桩体未出现明显的变形损伤，因此对0.1g工况不做分析。由图12可知，在0.15g地震强度作用下多锚点桩的pmsa在桩体中部表现出局部放大效应。即桩顶区域的pmsa小于桩体中部，说明桩顶区域发生了损伤变形，导致桩顶附近的能量传递异常。但由于地震动强度较小，桩体并未破坏，仍保持着一定的桩身完整性。如图13所示，当输入地震动强度为0.2g时，多锚点桩损伤位置由桩身中部向桩顶方向转化。如图14所示，随后在0.3g地震波作用下，桩身损伤部位向下扩展至桩底区域，即多锚点桩的震害损伤灾变演化过程为桩体中部
→
桩顶
→
桩底方向的渐进累积破坏。在不同级别地震动强度作用下，多锚点桩表现出区域性损伤破坏的空间耦合变形连续效应。