葉作權(quán) 路華麗

(1.天津市陸海測(cè)繪有限公司，天津 300304; 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072)

1 概述

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，大量復(fù)雜橋梁因此快速興建。由于橋梁生命線的重要地位，橋梁的安全耐久，抗震性能受到了特別關(guān)注［1］。橋梁健康監(jiān)測(cè)是橋梁安全的重要保障，其中橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析技術(shù)引起研究者的重視［2］。GPS-RTK技術(shù)是橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一種新型方法。近年來(lái)，由于其軟件、硬件的持續(xù)發(fā)展，尤其是采樣頻率的不斷提高，使其在橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)和動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)方面顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為橋梁健康監(jiān)測(cè)提供了一種可以選擇的方案。

2 研究現(xiàn)狀

GPS-RTK技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中由于周跳、振動(dòng)沖擊、多路徑效應(yīng)和儀器偶發(fā)故障以及電磁干擾等的影響，往往會(huì)出現(xiàn)非常大誤差的數(shù)據(jù)。要使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有足夠的可靠性需要提前進(jìn)行粗差剔除處理。剔除粗差的方法主要為:基于統(tǒng)計(jì)、密度、距離與偏離的方法［3］。其中，具有完整數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)的基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法應(yīng)用最廣泛。依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論可知，粗差剔除具有4種常用的方法:肖維勒準(zhǔn)則、拉依達(dá)準(zhǔn)則(3σ準(zhǔn)則)、狄克遜準(zhǔn)則、格魯布斯準(zhǔn)則等，其中拉依達(dá)準(zhǔn)則(3σ準(zhǔn)則)較為適用于容量較大的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本［4，5］。

3 健康監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象

坐落于天津市中心城區(qū)的富民橋工程四周是綜合開(kāi)發(fā)與規(guī)劃的海河兩岸智慧城，其北起富民路，南接洞庭路。主橋是獨(dú)柱單塔的自錨式懸索橋，懸索為空間索面，主跨的主纜索錨固于主梁的兩側(cè)，邊跨的主纜索錨固于地錨。主跨主纜使用在立面和平面均為拋物線的三維空間線形，邊跨主纜使用不加豎向吊索形式的兩根并排一組的纜索。全橋總長(zhǎng)340.3 m，主跨157.081 m，輔跨86.4 m。河?xùn)|側(cè)引橋是三跨連續(xù)梁(19+20+19.6)m，由普通鋼筋混凝土構(gòu)成，河西側(cè)引橋38.219 m，是單跨帶懸臂的鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)?？绾拥闹鳂驑蛎娴臉?biāo)準(zhǔn)寬度為38.6 m，一側(cè)橫向布置包括:0.8 m的吊索錨固區(qū)+0.5 m的防撞護(hù)欄+3.75 m的非機(jī)動(dòng)車道+(3.75m+2×3.5m)的機(jī)動(dòng)車道+0.5 m的路緣帶+0.5 m的防撞護(hù)欄+5.0 m的主塔區(qū)，另一側(cè)沿著主塔區(qū)成對(duì)稱布置。其全貌圖如圖1所示。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法

測(cè)試的精度及有效數(shù)據(jù)是有效分析變形監(jiān)測(cè)的先決條件。但是，在實(shí)際的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，由于會(huì)受到儀器設(shè)備干預(yù)、環(huán)境噪聲等原因，導(dǎo)致產(chǎn)生總體粗大誤差數(shù)據(jù)和含噪聲數(shù)據(jù)等不利情況。在處理分析數(shù)據(jù)中使用這些含有誤差的數(shù)據(jù)將不可避免的影響數(shù)值分析結(jié)果，并且不能獲得結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)，因此應(yīng)該事先對(duì)試驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去除無(wú)用信息，留取有用信息。

圖1 天津市富民橋全貌圖

本文采用拉依達(dá)準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。拉依達(dá)準(zhǔn)則主要思想是基于3倍標(biāo)準(zhǔn)差，置信概率為99.7%，以誤差理論為依據(jù)，那么監(jiān)測(cè)值偏差落于［－3σ，+3σ］上的概率見(jiàn)式(1):

由式(1)可知，超出3σ的概率為0.27%，那么超出3σ為小概率事件，它可以被確定為異常值，也就是粗大誤差。因此，拉依達(dá)準(zhǔn)則也被稱為3σ準(zhǔn)則。一組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)序列為xi(i，1，2，…，n)，其平均值是x，殘差是 εi(εi=xi－x)，殘差 εi的標(biāo)準(zhǔn)差是 σ。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)序列里的某些數(shù)據(jù)xj(1≤i≤n)的殘差εi滿足式(2):

則xj是異常的粗大誤差，應(yīng)予以剔除。然后再求出該數(shù)列的均方差以確定它是否符合3σ準(zhǔn)則。如果不符合，繼續(xù)前面的步驟并重復(fù)，直到符合3σ準(zhǔn)則。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果

圖2 RTK監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)x1

在交通不封閉的情況下對(duì)富民橋的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)GPS傳感器采集結(jié)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)態(tài)位移信號(hào)，GPS接收機(jī)以20 Hz的采樣頻率記錄原始數(shù)據(jù)，RTK解算數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)線直接傳輸和保存在筆記本電腦中。

對(duì)原始數(shù)據(jù)xi的預(yù)處理，首先按照3σ原則(99.7%置信區(qū)間)剔除異常值，其次使用三次樣條插值對(duì)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)，最后應(yīng)用滑動(dòng)平均法進(jìn)行平滑處理，得到預(yù)處理后信號(hào)Xi。采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)原始豎向位移序列xi和預(yù)處理后信號(hào)Xi，見(jiàn)圖2，圖3。

圖3 預(yù)處理后的數(shù)據(jù)X1

從圖2和圖3分析可知，通過(guò)數(shù)據(jù)的預(yù)處理后，橋梁縱向振動(dòng)的范圍收窄，處于±10 mm范圍內(nèi)，±5 mm范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)相對(duì)更密。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)分析可知，拉依達(dá)準(zhǔn)則數(shù)據(jù)預(yù)處理方法處理GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)效果明顯，且簡(jiǎn)便無(wú)需查表，易于使用。使用該準(zhǔn)則的先決條件是所測(cè)數(shù)據(jù)樣本非常大，因此對(duì)于采樣頻率高、采樣時(shí)間長(zhǎng)的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用拉依達(dá)準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理應(yīng)用性和適用性非常廣泛。