一种索承桥梁伸缩缝使用寿命评估方法与流程

本发明涉及桥梁伸缩缝技术领域，具体涉及一种索承桥梁伸缩缝使用寿命评估方法。

背景技术：

伸缩缝是桥梁的重要部件，它将不同桥段衔接成桥梁整体，并有助于避免温度和风等外部荷载对桥梁整体结构产生过大的作用效应，从而有效地保护桥梁结构的安全。桥梁伸缩缝可以满足桥面因诸如混凝土徐变和收缩、环境温度波动和交通荷载等因素产生的变形需求。

然而，伸缩缝又是桥梁结构中承担最大动力荷载的附件，它须承受量值不等的各种复杂动力荷载和冲击；并且由于其长期暴露于自然环境之中，经受疲劳、磨损和各种物理的、化学的侵蚀，所以伸缩缝是桥梁结构中最易损坏又较难维修的部分。一旦伸缩缝损坏，就会引起如跳车、噪声和漏水等现象，不仅影响行车舒适度而且对桥梁结构安全不利。

据美国统计数据显示，桥梁中伸缩缝的平均寿命为10到15年，远低于桥梁本身的设计寿命。根据对多地的统计，虽然伸缩缝的造价不到桥梁建造费用的1％，但是运营过程中16％的缺陷发生在伸缩缝，伸缩缝的相关维护费用超过总维护费用的20％，且还不包括由于交通中断、车辆剧烈振动等造成的间接损失。

目前，在对桥梁伸缩缝多年的分析和研究中获得了大量的伸缩缝梁端累计位移数据，上述数据对于判断伸缩缝的运行状态极其重要，但是，目前的桥梁健康监测系统监测数据会受到各种各样的外界噪声的影响，并且考虑因素较为单一，从而使得伸缩缝剩余使用寿命的计算出现较大误差。

鉴于上述问题，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种索承桥梁伸缩缝使用寿命评估方法，使其更具有实用性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种索承桥梁伸缩缝使用寿命评估方法，有效解决了信号噪声对累积位移计算的影响，并综合考虑位移和温度的相关度从而使得伸缩缝剩余使用寿命的计算更加精确。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种索承桥梁伸缩缝使用寿命评估方法，包括以下步骤：

s1：通过傅里叶变换法获得伸缩缝累计位移计算的平均时长，并计算伸缩缝剩余使用寿命推算值a，模型如下：

a＝[l－(a*x+b)]/a

式中，l为伸缩缝累计行程允许值，a、b为常数，x为桥梁伸缩缝使用天数；

s2：建立在所述平均时长内的伸缩缝平均纵向位移d与主梁有效温度t之间的相关性模型，判断由主梁有效温度t变化引起的伸缩缝平均纵向位移d的值是否超过设计值，并记录超过的次数为n1；

s3：以所述平均时长为测试段，在同一坐标系内分别建立所述伸缩缝平均纵向位移d和主梁有效温度t的变化曲线图，并记录两曲线的交点数为n2；s4：对所述伸缩缝剩余使用寿命推算值a进行修订，如下：

a’＝a－cn1－dn2

式中，a’为最终确定的使用寿命推算值，c、d为常数。

进一步地，桥梁伸缩缝平均纵向位移与主梁有效温度之间的相关性模型如下：d＝α*t+β

其中d为纵向平均位移；t为有效温度；回归参数α、β可通过最小二乘法得:

式中：

式中：和分别为第i个实测的纵向平均位移与有效温度；n为实测样本数。

进一步地，所述伸缩缝平均纵向位移d与主梁有效温度t之间的相关性模型，设定0.95的置信区间。

进一步地，所述傅里叶变换法包括以下步骤：

s11：对所获取的位移信号进行傅里叶变换；

s12：初步设定滤波频率，将高于初步设定值的噪音信号进行滤除；

s13：通过傅里叶逆变换判断所滤除的噪音信号幅值是否符合正态分布；若符合则执行步骤s14，若不符合，则重新设定滤波频率，执行步骤s12；

s14：选取不同时间间隔对所述伸缩缝累计位移进行计算，并对各计算值与噪音信号滤除前的伸缩缝累计位移进行比较，选择差值最小的作为所述平均时长。

进一步地，所述伸缩缝累计位移计算值与噪音信号滤除前的伸缩缝累计位移的差值小于3m/天。

进一步地，所滤除的噪音信号幅值不超过2mm。

通过本发明的技术方案，可实现以下技术效果：

本发明专利综合考虑了桥梁受到各种外界因素的影响以及位移传感器本身可能出现异常情况，以傅里叶变换为基础，提出了利用傅里叶变换及其反变换的方法来去除伸缩缝位移的高频噪声信号，有效地去除随机噪声的影响，准确判断滑块的磨损程度，同时给出了平均值法的时间量选取原则，及时准确了解伸缩缝的运营状况，以便及时更换滑块，降低伸缩缝损坏可能性，减少伸缩缝的维修成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中索承桥梁伸缩缝使用寿命评估方法的流程图；

图2为傅里叶变换法的流程图；

图3为平均纵向位移d和主梁有效温度t的日波动走势图；

图4为滤除高于设定频率的噪声频谱图；

图5为噪音信号幅值分布图；

图6为高频噪音幅值分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

对混凝土梁桥伸缩量可按jtfjtgd62—2004第8.6.2条规定计算，也可以按下列简化公式计算复核：

梁体设计伸缩位移量计算：

式中：δl⁰——基本伸缩位移量；

——富余量(考虑不确定因素产生的伸缩位移量)

基本伸缩位移量计算：

δl0＝δlt+δls+δlc+r

式中：δlt——温度变化引起的梁体伸缩量；

δls——混凝土收缩引起的梁体收缩量；

δlc——混凝土徐变引起的梁体收缩量

r——车辆活载引起的梁体变位量。

其中，混凝土收缩徐变引起得梁体伸缩量：δls和δlc，基于通车2年以上得桥梁混凝土收缩徐变已基本完成，更变换设计时可不予考虑。

参照规范中对伸缩缝伸缩量的计算公式，普遍观点为其伸缩量主要包括温度伸缩、梁体混凝土干缩、梁体徐变伸缩、梁体竖向变形引起的伸缩和车辆冲击伸缩几部分，其中温度伸缩是上述伸缩量主要影响因素中的最主要部分，故可作为反映伸缩缝工作状态的一个重要评判指标。正常状态下，温度对伸缩缝位移的影响应遵从某一固定的模式，而当发生异常事故时，位移和温度相关模型则可能会发生变化，因此如能利用目前各大桥中普遍建立的健康监测系统，建立位移和温度相关模型，则可依据此模型来检测对伸缩缝工作性能影响较大的异常现象，如伸缩缝自身故障、突发事故等，从而实现对伸缩缝状态的分析和评定。

基于上述对位移与温度的综合考虑，索承桥梁伸缩缝使用寿命评估方法，包括以下步骤：

s1：通过傅里叶变换法获得伸缩缝累计位移计算的平均时长，并计算伸缩缝剩余使用寿命推算值a，模型如下：

a＝[l－(a*x+b)]/a

式中，l为伸缩缝累计行程允许值，a、b为常数，x为桥梁伸缩缝使用天数；

伸缩装置的累积位移对于判断其运行状态及其重要，但是桥梁健康监测系统监测数据会受到各种各样的外界噪声和异常值的影响，从而使得累积位移的计算出现较大误差。在累积位移计算中，如果选取的平均值计算时间间隔过小则会在计算结果中混入较多的信号噪声和异常值，使得结果偏大；而选取的平均值计算时间间隔过大则不仅会在结果中淹没大量信号噪声和异常值，也会平均掉一些正常情况的极值，使得结果偏小；本步骤中，利用傅里叶变换及其逆变换研究信号噪声对累积位移的影响，桥梁梁端位移监测数据是一种周期变化的函数，也可以看作是不同振幅、不同相位正弦波的叠加，傅里叶分析可以使这样的周期函数在时域与频域中变换。j.w.库利和t.w.图基于1965年提出的快速傅里叶变换(fastfouriertransform，fft)方便了傅里叶变换在信号处理中的应用，信号f(t)∈l²(r)有计算式：

式(1)称为函数f(t)的傅里叶变换，式(2)称为函数f(jω)的傅里叶逆变换，利用matlab软件的相关函数对监测数据进行频谱分析。

傅里叶变换对信号去噪的基本思想是对含噪信号进行傅里叶变换，再使用低通或带通滤波器滤除噪声频率，最后用傅里叶逆变换恢复信号，虽然傅里叶变换很难将信号的高频部分与噪声引起的高频干扰有效地区分开，但是伸缩缝位移信号主要是由于结构振动、车致振动、风致振动引起的低频信号，因此可以利用傅里叶变换进行去噪。

s2：采用基于最小二乘法的一元线性回归方法建立在平均时长内的伸缩缝平均纵向位移d与主梁有效温度t之间的相关性模型，判断由主梁有效温度t变化引起的伸缩缝平均纵向位移d的值是否超过设计值，并将其设定为预警阈值，并记录超出的次数为n1；

s3：以平均时长为测试段，在同一坐标系内分别建立伸缩缝平均纵向位移d和主梁有效温度t的变化曲线图，并记录两曲线的交点数为n2；

由于温度和伸缩缝的变化趋势高度一致，因此通过利用伸缩缝位移的日波动走势图与主梁截面有效温度的日波动趋势图之间的相关性来判别伸缩缝是否处于异常状态，若两者的波动曲线相对平滑且一致性较好，则伸缩缝处于正常工作状态；若两者的波动曲线一致性较差，多次出现非同步性，则伸缩缝处于异常状态，可能出现某些病害，导致其卡死或挤裂，本步骤旨在对伸缩缝剩余使用寿命的估算过程中考虑上述异常情况的影响。

对8月南侧边塔处支座下游处伸缩缝的位移与温度的日波动走势图进行分析，如图3所示，平均纵向位移d和主梁有效温度t的变化曲线图的交点数为2；

s4：对伸缩缝剩余使用寿命推算值a进行修订，如下：

a’＝a－cn1－dn2

式中，a’为最终确定的使用寿命推算值，c、d为常数。

其中，常数的选择需根据具体的桥梁结构等选定，在本发明中，一方面通过噪音的滤除降低噪音对测量结果的影响，并确定不同滤波频率下的优势明显性，另一方面，通过综合考虑温度和位移之间的关系，可将突发事件对伸缩缝的影响进行综合考虑，从而有效的提高剩余使用寿命的推算精确度。

作为上述实施例的优选，伸缩缝平均纵向位移d与主梁有效温度t之间的相关性模型如下：d＝α*t+β

回归参数α、β可通过最小二乘法得:

式中：

式中：和分别为第i个实测的纵向平均位移与有效温度；n为实测样本数。其中，桥梁伸缩缝平均纵向位移d与主梁有效温度t之间的相关性模型，设定0.95的置信区间。

作为上述实施例的优选，傅里叶变换法包括以下步骤：

s11：对所获取的位移信号进行傅里叶变换；

s12：初步设定滤波频率，将高于初步设定值的噪音信号进行滤除；

根据马鞍山长江大桥的设计文件，可知通行车速为100km/h＝27.8m/s，左汊主桥采用2×1080米三塔两跨悬索桥，所以车辆荷载通过马鞍山主桥的时间为1080/27.8＝38.8s，即0.0257hz。由此可知，车辆荷载对伸缩缝位移的作用频率为0.0257hz，这一频率与大桥的设计车速和桥梁跨径有关，且随着车速的增加，频率越高，车辆荷载对伸缩缝累计位移的影响越大，在正常天气情况下，马鞍山大桥的风速较小，平均风速对纵向位移的影响很小，因此不考虑风速的影响，将此频率作为高频截断频率；

滤除高于此频率的噪声信号如图4所示，噪声信号没有明显的频谱规律；

s13：再做快速傅里叶逆变换得到噪声信号如下图5所示，噪音信号幅值不超过2mm，继续对此噪声信号做幅值分析，对噪声的幅值分布进行统计，得到其幅值分布图如下图6所示，可以看出，此噪声信号的幅值分布符合正态分布，因此可以判断此噪声信号为白噪声，可以滤除此噪音信号；

s14：选取不同时间间隔对所述伸缩缝累计位移进行计算，并对各计算值与噪音信号滤除前的伸缩缝累计位移进行比较，选择差值做小的作为平均时长。

伸缩缝的累积位移在其服役期内大致呈线性比例而其服役期和更换间隔很大程度上取决于累积位移。本发明专利综合考虑了桥梁受到各种外界因素的影响以及位移传感器本身可能出现异常情况，以傅里叶变换为基础，提出了利用傅里叶变换及其反变换的方法来去除伸缩缝位移的高频噪声信号，有效地去除随机噪声的影响，准确判断滑块的磨损程度，同时给出了平均值法的时间量选取原则，及时准确了解伸缩缝的运营状况，以便及时更换滑块，降低伸缩缝损坏可能性，减少伸缩缝的维修成本。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。