本發(fā)明屬于土木工程和橋梁監(jiān)測領域，具體涉及一種用于橋梁風致振動監(jiān)測的無線傳感器布設方法。

背景技術：

橋梁是現代化交通系統(tǒng)的關鍵節(jié)點，是一個國家基礎設施不可分割的重要組成，也是一個國家經濟發(fā)展不可或缺的重要支撐。為了滿足地區(qū)的經濟發(fā)展和交通出行需求，大量的千米級纜索支撐橋梁在全國各地建成并投入使用，如北盤江大橋、蘇通大橋、潤揚大橋、杭州灣大橋、西堠門大橋等。這些橋梁具有跨度大、結構柔、橋塔高和重量輕的特點，風荷載作用下的振動響應成為影響行車舒適性和結構安全性的主要因素之一。不僅如此，我國鄰近太平洋，臺風頻繁登陸并引起橋梁結構的劇烈振動，甚至造成橋梁結構的應力和變形超過材料極限，威脅結構安全。因此，有必要對橋梁結構在風荷載作用下的振動響應進行長期實時監(jiān)測，進而把握橋梁結構在風荷載作用下的振動響應規(guī)律，保障橋梁結構在風荷載作用下的安全。

無線傳感網絡采用無線電波進行數據傳輸，不需要數據傳輸導線，具有成本低、體積小、效率高等優(yōu)點，多跳數據傳輸模式能夠實現監(jiān)測數據的遠距離傳輸，已成為橋梁振動響應監(jiān)測的重要手段之一。然而，由于橋梁監(jiān)測成本和數據傳輸容量的限制，用于橋梁結構風致振動監(jiān)測的無線傳感器數量非常有限，無法對橋梁結構所有自由度的振動響應進行監(jiān)測。不僅如此，橋梁在風荷載作用下的振動響應隨時間不斷變化，具有很強的隨機性，不同時刻不同位置的振動響應存在很大差異。因此，如何選擇無線傳感器的布設位置，既能保證無線傳感器能夠捕捉橋梁的典型風致振動響應，又能保證無線傳感器的測量數據能夠可靠傳輸至數據處理中心，成為橋梁風致振動監(jiān)測需要解決的首要問題。但是，目前的振動傳感器布設方法并不能用于橋梁風致振動監(jiān)測的無線傳感器布設。首先，已有的振動傳感器布設方法僅考慮了橋梁在環(huán)境激勵下的振動響應。然而，橋梁風致振動響應與環(huán)境激勵下的振動響應相比，存在很大的不同，基于既有振動傳感器布設方法選取的測點并不能準確反映橋梁風致振動響應的特征。其次，已有的振動傳感器布設方法均針對有線傳感器，不考慮測點之間的距離。對于無線傳感器，由于采用電池供電，單個傳感器的數據傳輸距離較短，既有振動傳感器布設方法無法保證無線傳感網絡的連通性。因此，從以上兩方面考慮，亟待提出一種用于橋梁風致振動監(jiān)測的無線傳感器布設方法，為橋梁風致振動監(jiān)測提供技術支撐。

技術實現要素：

發(fā)明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種用于橋梁風致振動監(jiān)測的無線傳感器布設方法，它能從橋梁成千上萬的可選測點中優(yōu)選風致振動響應最劇烈的位置進行無線傳感器布設，同時保證布設于優(yōu)選測點的無線傳感器組成連通的無線傳感網絡，使振動監(jiān)測數據能夠可靠傳輸至數據處理中心。

技術方案：為解決上述技術問題，本發(fā)明的一種用于橋梁風致振動監(jiān)測的無線傳感器布設方法的具體技術方案為：

(1)基于被測橋梁的設計圖紙，采用梁單元和桿單元建立被測橋梁的有限元模型，被測橋梁可選測點位置與有限元模型的節(jié)點位置一致，假定有限元模型的節(jié)點總數為m，則被測橋梁可選的用于風致振動監(jiān)測的測點數量也為m；

(2)根據被測橋梁所處的地理位置和橋梁設計規(guī)范，選定用于該橋設計的風譜模型，利用諧波疊加法模擬被測橋梁橋址區(qū)的風場，風場樣本長度為n；

(3)結合有限元模型和模擬風場，利用風致振動時域計算方法，計算得到被測橋梁在風荷載作用下的振動響應；

(4)構造橋梁風致振動響應矩陣φ，φ為

φ＝(φ1，φ2，…，φn)(1)

其中，φi(i＝1，2，…，n)表示第i個時刻被測橋梁的風致振動響應向量；

(5)計算各可選測點對被測橋梁風致振動響應的貢獻度，所有可選測點的貢獻度組成貢獻度向量e，貢獻度向量e的計算公式為：

e＝diag(φφ^t)(2)

其中，diag(·)表示選取矩陣的對角元，上標t表示矩陣轉置；

(6)繪制貢獻度向量e與可選測點坐標向量x的變化曲線，本發(fā)明稱為貢獻度曲線；

(7)根據被測橋梁的現場情況和養(yǎng)護管理要求，選定數據處理中心服務器的位置，在數據處理中心服務器位置設置無線傳感網絡的數據匯聚節(jié)點ss，數據匯聚節(jié)點ss與數據處理中心服務器通過導線連接；

(8)選取貢獻度曲線的峰值點和谷值點作為關鍵測點，在所有關鍵測點上布置無線傳感器；

根據關鍵測點與數據匯聚節(jié)點ss的距離，由遠及近將關鍵測點上的無線傳感器依次編號為s1，s2，…，sw，w為關鍵測點的數量；

(9)選用與關鍵測點上無線傳感器完全相同的無線傳感器作為中繼測點，根據關鍵測點的空間坐標計算各關鍵測點之間的距離，確定中繼測點的數量，保證無線傳感網絡的連通性，中繼測點數量的計算公式為：

其中，pk表示關鍵測點k(k＝1，2，…，w-1)和關鍵測點k+1之間的中繼測點的數量，dk，k+1表示關鍵測點k和關鍵測點k+1之間的距離，dmax表示單個無線傳感器的最大傳輸距離，表示向下取整；

(10)將中繼測點均勻布置于關鍵測點之間的可選測點上；

(11)計算關鍵測點sw與數據匯聚節(jié)點ss之間的中繼測點的數量pw，pw的計算公式為：

其中，dw，s表示關鍵測點sw與數據匯聚節(jié)點ss之間的距離；

(12)將pw個中繼測點均勻布置于關鍵測點sw與數據匯聚節(jié)點ss之間的可選測點上；

(13)累計關鍵測點和中繼測點的數量，得到橋梁風致振動監(jiān)測所需的無線傳感器數量；整理關鍵測點、中繼測點和數據匯聚節(jié)點的位置，得到橋梁風致振動監(jiān)測的無線傳感器布設方案。

有益效果：針對橋梁風致振動監(jiān)測無線傳感器布設的工程難題，本發(fā)明提出一種用于橋梁風致振動監(jiān)測的無線傳感器布設方法。利用有限元模型和規(guī)范譜模擬風場計算得到橋梁的風致振動時域響應，進一步計算橋梁所有可選測點對風致振動響應的貢獻，選擇貢獻最大的測點作為關鍵測點進行無線傳感器布設，保證無線傳感器能有效捕捉橋梁的最大風致振動響應。利用中繼測點實現關鍵測點之間的數據轉發(fā)，實現無線傳感網絡的連通性，保證無線傳感器的監(jiān)測數據能可靠傳輸至數據處理中心。

本發(fā)明不僅能夠保證無線傳感器捕捉到橋梁的最大風致振動響應，還能保證無線傳感網絡的監(jiān)測數據能夠可靠傳輸至數據處理中心，同時，為橋梁風致振動的無線傳感監(jiān)測提供了有效手段。

本發(fā)明采用流程化設計，操作簡單，便于工程人員進行橋梁風致振動監(jiān)測的無線傳感器布設，使無線風致振動監(jiān)測技術能很好的服務于橋梁結構運營，因此具有廣闊的工程應用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的流程圖；

圖2是本發(fā)明所述實施例涉及的懸索橋有限元模型；

圖3是本發(fā)明所述實施例涉及的懸索橋跨中節(jié)點模擬豎向脈動風時程；

圖4是本發(fā)明所述實施例涉及的懸索橋跨中節(jié)點豎向風致振動響應時程；

圖5是本發(fā)明所述實施例涉及的懸索橋主梁可選測點的風致振動貢獻度曲線；

圖6是本發(fā)明所述實施例涉及的懸索橋關鍵測點和數據匯聚節(jié)點；

圖7是本發(fā)明所述實施例涉及的懸索橋關鍵測點、數據匯聚節(jié)點和中繼測點；

圖8是本發(fā)明所述實施例涉及的懸索橋風致振動監(jiān)測的無線傳感器布設方案。

具體實施方式

實施例：

如圖1所示，本實施例的一種用于橋梁風致振動監(jiān)測的無線傳感器布設方法，包括以下步驟：

(1)基于被測橋梁的設計圖紙，采用梁單元和桿單元建立被測橋梁的有限元模型，被測橋梁可選測點位置與有限元模型的節(jié)點位置一致，假定有限元模型的節(jié)點總數為m，則被測橋梁可選的用于風致振動監(jiān)測的測點數量也為m；

(2)根據被測橋梁所處的地理位置和橋梁設計規(guī)范，選定用于該橋設計的風譜模型，利用諧波疊加法模擬被測橋梁橋址區(qū)的風場，風場樣本長度為n；

(3)結合有限元模型和模擬風場，利用風致振動時域計算方法，計算得到被測橋梁在風荷載作用下的振動響應；

(4)構造橋梁風致振動響應矩陣φ，φ為

φ＝(φ1，φ2，…，φn)(1)

其中，φi(i＝1，2，…，n)表示第i個時刻被測橋梁的風致振動響應向量；

(5)計算各可選測點對被測橋梁風致振動響應的貢獻度，所有可選測點的貢獻度組成貢獻度向量e，貢獻度向量e的計算公式為：

e＝diag(φφ^t)(2)

其中，diag(·)表示選取矩陣的對角元，上標t表示矩陣轉置；

(6)繪制貢獻度向量e與可選測點坐標向量x的變化曲線，本發(fā)明稱為貢獻度曲線；

(7)根據被測橋梁的現場情況和養(yǎng)護管理要求，選定數據處理中心服務器的位置，在數據處理中心服務器位置設置無線傳感網絡的數據匯聚節(jié)點ss，數據匯聚節(jié)點ss與數據處理中心服務器通過導線連接；

(8)選取貢獻度曲線的峰值點和谷值點作為關鍵測點，在所有關鍵測點上布置無線傳感器；

根據關鍵測點與數據匯聚節(jié)點ss的距離，由遠及近將關鍵測點上的無線傳感器依次編號為s1，s2，…，sw，w為關鍵測點的數量；

(9)選用與關鍵測點上無線傳感器完全相同的無線傳感器作為中繼測點，根據關鍵測點的空間坐標計算各關鍵測點之間的距離，確定中繼測點的數量，保證無線傳感網絡的連通性，中繼測點數量的計算公式為：

其中，pk表示關鍵測點k(k＝1，2，…，w-1)和關鍵測點k+1之間的中繼測點的數量，dk，k+1表示關鍵測點k和關鍵測點k+1之間的距離，dmax表示單個無線傳感器的最大傳輸距離，表示向下取整；

(10)將中繼測點均勻布置于關鍵測點之間的可選測點上；

(11)計算關鍵測點sw與數據匯聚節(jié)點ss之間的中繼測點的數量pw，pw的計算公式為：

其中，dw，s表示關鍵測點sw與數據匯聚節(jié)點ss之間的距離；

(12)將pw個中繼測點均勻布置于關鍵測點sw與數據匯聚節(jié)點ss之間的可選測點上；

(13)累計關鍵測點和中繼測點的數量，得到橋梁風致振動監(jiān)測所需的無線傳感器數量；整理關鍵測點、中繼測點和數據匯聚節(jié)點的位置，得到橋梁風致振動監(jiān)測的無線傳感器布設方案。

下面以一大跨懸索橋主梁的豎向風致振動監(jiān)測為例，說明如何實現橋梁風致振動監(jiān)測的無線傳感器布設。

基于該橋的設計圖紙，建立該橋的有限元模型，如圖2所示。主梁采用梁單元模擬，劃分為93個節(jié)點，由北向南依次編號為1，2，...，93，相鄰節(jié)點之間的距離為16.1m。根據該橋所處的地理位置，選定用于該橋設計的風譜模型，利用諧波疊加法模擬被測橋梁橋址區(qū)的風場，風場樣本長度為3600，跨中節(jié)點的豎向脈動風時程如圖3所示。進行該橋的風致振動響應時域分析，計算得到該橋主梁的豎向風致振動響應，跨中節(jié)點的豎向風致振動響應時程如圖4所示。

構造橋梁豎向風致振動響應矩陣φ，計算該橋主梁豎向風致振動響應的貢獻度向量e，繪制豎向風致振動響應的貢獻度曲線，如圖5所示。

根據該橋的特點，選擇在主梁南端與橋塔交接位置設置數據處理中心服務器，數據匯聚節(jié)點ss位于主梁南端，對應的有限元模型節(jié)點編號為93，如圖6所示。選擇貢獻度曲線的峰值點和谷值點作為關鍵測點，并布置無線傳感器，編號依次為s1、s2、s3、s4、s5，對應的有限元模型節(jié)點的編號為21、39、47、55、73、93，如圖6所示。

各關鍵測點之間的距離d1、d2、d3、d4分別為289.8m、128.8m、128.8m、289.8m。假定選用的無線傳感器的最大傳輸距離為80m，計算各關鍵測點之間的中繼測點的數量，p1、p2、p3、p4分別為3、1、1、3。將中繼測點均勻布置于關鍵測點之間，如圖7所示。關鍵測點s5與數據匯聚節(jié)點ss之間的距離為322m，計算關鍵測點s5與數據匯聚節(jié)點ss之間的中繼測點的數量，p5等于4，均勻布置4個中繼測點在關鍵測點s5與數據匯聚節(jié)點ss之間，如圖7所示。

累計關鍵測點和中繼測點的數量，該橋豎向風致振動監(jiān)測所需的無線傳感器數量為17個；整理關鍵測點、中繼測點和數據匯聚節(jié)點的位置，得到該橋豎向風致振動監(jiān)測的無線傳感器布設方案，如圖8所示。