一種應(yīng)變動力系數(shù)的測定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種應(yīng)變動力系數(shù)的測定方法，具體來說，涉及一種基于測量的動應(yīng)變 樣本確定結(jié)構(gòu)局部動力系數(shù)的測定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計、維護、安全評估與加固過程中，通常采用所謂"動力系數(shù)"來表 征列車作用下橋梁結(jié)構(gòu)振動的劇烈程度。其定義為:列車運行對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動態(tài)反應(yīng)(動態(tài) 撓度或應(yīng)力）對靜態(tài)反應(yīng)(靜態(tài)撓度或應(yīng)力)之比。如果動力系數(shù)使用不當(dāng)將極大地影響橋 梁建造與維護的經(jīng)濟指標(biāo)。動力系數(shù)一般由橋梁主結(jié)構(gòu)在列車載荷作用下的總體動力響應(yīng) 導(dǎo)出，而橋梁之上一些構(gòu)件所受到的局部振動沖擊作用不容忽視，由振動引起橋梁結(jié)構(gòu)局 部應(yīng)力需要精確標(biāo)定。在橋梁應(yīng)力測量過程中，所獲得的通常只有局部的動應(yīng)變時程樣本。 因此，通過信號處理手段從動應(yīng)變樣本中提取靜應(yīng)變時程，并最終標(biāo)定動力系數(shù)值的測定 方法研究，具有十分重要的意義。
[0003] 目前，各土木、建筑領(lǐng)域?qū)趧討?yīng)變采集樣本測定應(yīng)變動力系數(shù)的手段，共有以 下幾種方法：（1)經(jīng)驗識別法:基于采集的動應(yīng)變樣本，通過經(jīng)驗確定結(jié)構(gòu)局部位置靜應(yīng)變 時程，以采集樣本的動應(yīng)變峰值除以經(jīng)驗所得的靜應(yīng)變峰值來確定動力系數(shù)，此方法需要 從業(yè)者有較豐富的經(jīng)驗與知識，準(zhǔn)確性較差；（2)理論計算和假設(shè)法:此法需要事先建立橋 梁結(jié)構(gòu)力學(xué)計算模型或有限元計算模型，并通過計算得到與采集樣本相同荷載作用下結(jié)構(gòu) 局部靜應(yīng)變時程，最后以采集樣本的動應(yīng)變峰值除以計算得到的靜應(yīng)變峰值來確定動力系 數(shù)，此方法依賴于計算模型的準(zhǔn)確性，可行性較差；（3)小波包分解法:此法對采集的動應(yīng)變 樣本進行小波包分解，并選取小波包中的低頻成分作為靜應(yīng)變時程曲線，以采集樣本的動 應(yīng)變峰值除以由小波包分解的低頻成分所得的靜應(yīng)變峰值來確定動力系數(shù)，此方法需要從 業(yè)者有較豐富的小波包方面與信號處理方面的知識，適用性較差；因此，基于動應(yīng)變采集樣 本的結(jié)構(gòu)局部動力系數(shù)的測定，有必要研究一種可行性好、準(zhǔn)確性高、適用性強的新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變動力 系數(shù)的測定方法，采用FIR凱塞窗濾波器將采集的動應(yīng)變樣本中高頻的振動信號濾除，得到 低頻的靜應(yīng)變信號，該測定方法可以準(zhǔn)確測定局部應(yīng)變的動力系數(shù)。
[0005] 技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種應(yīng)變動力系數(shù)的測定方法，其特征在于，該測定方法包括如下步驟：
[0007] 步驟10):采集動應(yīng)變樣本：
[0008] 將光柵應(yīng)變計配接到溫度采集系統(tǒng)中，然后利用光柵應(yīng)變計對測點的局部動應(yīng)變 進行采集，光柵應(yīng)變計將獲取的測點動應(yīng)變信息傳遞到應(yīng)變采集系統(tǒng)中，形成動應(yīng)變樣本， 動應(yīng)變樣本包含列車作用下不同時刻對應(yīng)的應(yīng)變值；
[0009] 步驟20):設(shè)計FIR凱塞窗濾波參數(shù)；
[0010]由于光柵應(yīng)變計采集的動應(yīng)變中振動成分相對靜應(yīng)變成分為高頻信號，通過式 (1) 設(shè)定窗函數(shù)的理想濾波器幅度為理想低通濾波：
[0011 ] mags = [l ,0] (1)
[0012] 根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)整體的第一階固有頻率和測點所在構(gòu)件的第一階固有頻率，利用式 (2) 確定FIR凱塞窗低通濾波器的過度帶：
[0013] 過渡帶:fcuts = [fc，fc+A f]
[0015] 式中，f。為凱塞窗低通濾波器的截止頻率，Δ f是凱塞窗低通濾波器過渡帶帶寬，ls 表示橋梁的跨徑，v表示行過橋梁的汽車或者火車的車速，fb為橋梁結(jié)構(gòu)整體的第一階固有 頻率，f ^為橋梁測點構(gòu)件的第一階固有頻率，f。+ △ f的必須取值小于fdPfq中的較小值；
[0016] 定義通帶衰減AP與阻帶衰減As，并將其轉(zhuǎn)化為凱FIR塞窗濾波器能夠識別的波紋參 數(shù)，即波紋，根據(jù)式(3)計算波紋：
[0018] 式中，AP為通帶衰減，通常情況下設(shè)為l;As為阻帶衰減，通常情況下設(shè)為10~80dB， 具體情況視采集信號質(zhì)量而定；
[0019] 步驟30):生成FIR凱塞窗低通濾波器參數(shù)，對動應(yīng)變樣本進行濾波；
[0020] 根據(jù)步驟20)的預(yù)設(shè)參數(shù)，基于MATLAB平臺生成FIR凱塞窗低通濾波器，并對動應(yīng) 變樣本進行濾波，程序代碼如下：
[0021 ] [N,ffn,beta, ftype] = kaiserord(fcuts,mags, dev, fs) ； %生成濾波器參數(shù)
[0022] lbq = fir 1 (N,ffn,ftype,kaiser(N+l ,beta)) ； %生成濾波器
[0023] filteringdata = filter(lbq, 1 ,data) ； %對用應(yīng)變樣本進行濾波
[0024] 程序基于MATLAB平臺與程序語言，動應(yīng)變樣本濾波后即為結(jié)構(gòu)局部靜應(yīng)變；
[0025]步驟40):測定結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變的動力系數(shù)；
[0026]利用步驟30)中生成的結(jié)構(gòu)局部靜應(yīng)變(f ilteringdata)與采集的結(jié)構(gòu)局部動應(yīng) 變樣本(data)，通過式(4)測定結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變的動力系數(shù)：
[0028] 式中，max(data)表示動應(yīng)變樣本的絕對值最大值，max(filteringdata)表示樣本 濾波后所得的靜應(yīng)變的絕對值最大值，m表示動應(yīng)變樣本平直段均值；由于經(jīng)FIR濾波器濾 波后的信號存在相位延遲，因此濾波后的信號(f ilteringdata)需要去掉前N/2個數(shù)據(jù)點， 以消除相位延遲影響。
[0029] 有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0030] (1)準(zhǔn)確測定結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變的動力系數(shù)。本發(fā)明基于MATLAB平臺與程序語言，根據(jù) 結(jié)構(gòu)局部動應(yīng)變樣本的信號時程曲線，提供了結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變的動力系數(shù)的測定方法。由于 在橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變采集過程中，通常無法獲得測點局部靜應(yīng)變時程，而結(jié)構(gòu)的動應(yīng)變信號 相對于靜應(yīng)變屬于高頻成分，保證了本發(fā)明的理論的正確性，動力系數(shù)測定過程物理意義 明確。另外，本發(fā)明通過濾波器截止頻率和過度段的設(shè)定，控制測量結(jié)果的精度。截止頻率 和過度段的有效設(shè)定，保證了測定的結(jié)果的精確。
[0031] (2)該測定方法簡單實用，具有很好的可行性。本發(fā)明的測定方法簡單實用，具有 很好的可行性，而且彌補了現(xiàn)有技術(shù)中采用經(jīng)驗識別法、理論計算和假設(shè)法以及小波包分 解法的缺陷。同時，本發(fā)明的測定方法可適用于橋梁結(jié)構(gòu)各個部位的局部應(yīng)變動力系數(shù)的 測定，使得本方法在用于測定結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變的動力系數(shù)時更加具有可行性、準(zhǔn)確性和適用 性，可得到廣泛推廣和應(yīng)用。
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發(fā)明實施例采集的一次列車通過時橋梁結(jié)構(gòu)弦桿動應(yīng)變歷時曲線。
[0033]圖2為本發(fā)明實施例樣本濾波后橋梁結(jié)構(gòu)弦桿靜應(yīng)變歷時曲線。
[0034]圖3為本發(fā)明實施例動力系數(shù)計算示意圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0036]本發(fā)明采用一種應(yīng)變動力系數(shù)的測定方法，該測定方法包括如下步驟：
[0037]步驟10):采集動應(yīng)變樣本：
[0038]將光柵應(yīng)變計配接到溫度采集系統(tǒng)中，然后利用光柵應(yīng)變計對測點的局部動應(yīng)變 進行采集，光柵應(yīng)變計將獲取的測點動應(yīng)變信息傳遞到應(yīng)變采集系統(tǒng)中，形成動應(yīng)變樣本， 動應(yīng)變樣本包含列車作用下不同時刻對應(yīng)的應(yīng)變值；
[0039]步驟20):設(shè)計FIR凱塞窗濾波參數(shù)；
[0040] 由于光柵應(yīng)變計采集的動應(yīng)變中振動成分相對靜應(yīng)變成分為高頻信號，通過式 (1) 設(shè)定窗函數(shù)的理想濾波器幅度為