DB32-T 4820-2024 桥梁冲刷动力识别与快速筛查技术规范

江苏省地方标准DB32/T4820—2024桥梁冲刷动力识别与快速筛查技术规范Technicalspecificationforbridgescourdynamicidentificationandrapidscreening2024-07-08发布2024-08-08实施江苏省市场监督管理局发发出布版Ⅰ前言 Ⅲ 2规范性引用文件 3术语和定义 4测试方案设计 5监测数据分析 6冲刷识别与预警评定 7实施周期 附录A（资料性）模态变化趋势项指标的构建原理 附录B（资料性）趋势项异变判定阈值的理论推导 附录C（资料性）工程应用实例 参考文献 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由江苏省交通运输厅提出并归口。本文件起草单位：东南大学、中铁桥隧技术有限公司、江苏高速公路工程养护技术有限公司、江苏润扬大桥发展有限责任公司、江苏扬子江高速通道管理有限公司、江苏苏通大桥有限责任公司、华设设计集团股份有限公司、中铁大桥勘测设计院集团有限公司。1DB32/T4820—2024桥梁冲刷动力识别与快速筛查技术规范本文件规定了桥梁冲刷动力识别与快速筛查技术的测试方案设计、监测数据分析、冲刷识别与预警评定、实施周期等内容。本文件适用于已安装及待安装健康监测系统的墩桩基础涉水桥梁。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。CECS333：2012结构健康监测系统设计标准3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。冲刷scour床面泥沙在水流等外力作用下，失去平衡，被水流裹挟、输运，离开原来所处河床的过程。冲刷动力识别scouridentificationbasedondynamicproperties利用冲刷削弱桩基础的有效约束，减小了结构刚度，造成动力特性的变化这一特性，通过对结构动力特性的研究来推得冲刷深度。冲刷敏感模态scoursensitivemodes随着冲刷深度发展而易产生较大变化的桥梁结构模态参数。冲刷预警scourwarning基于所得结构动力特征数据，在既定的置信度水平及准则下，对识别出的冲刷所致结构动力特性变化进行判断。分级预警gradedwarning根据监测值与其相应的结构安全控制阈值的比值，对桥梁结构实行监测预警管理的分级。核密度估计kerneldensityestimation一种用于估计概率密度函数的非参数方法，通过对数据点附近的核函数进行平滑处理来估计概率2DB32/T4820—2024密度。4测试方案设计4.1一般规定4.1.1技术评定的数据宜来源于桥梁健康监测系统。4.1.2桥梁冲刷动力识别与快速筛查技术的监测内容应包含结构振动响应监测和环境监测。4.1.3结构振动响应监测内容应为风载、地脉动、车辆激励、水流力等环境激励下桥梁振动加速度响应。若为动位移，应进行数据分析并换算为加速度。4.1.4环境监测应包含温度、风速等桥梁服役环境关键参数监测等。4.2测点布置原则4.2.1冲刷敏感模态宜按经验或计算确定，应选择桥梁低阶模态为冲刷敏感模态，缆索支承体系梁桥宜按主塔低阶模态、主梁低阶模态、墩台低阶模态顺序选用，不宜采用缆索模态；其余桥梁宜选用主梁及墩台低阶模态。4.2.2振动测点应布置在桥梁冲刷敏感模态结构振动幅度较大处，主塔、墩台宜自上向下布置，主梁宜自跨中向支点布置；可按需局部加密测点。4.2.3测点布置方向应遵循与冲刷敏感模态振动方向一致的原则；各结构体系桥梁冲刷敏感模态监测振动方向可按表1确定。表1桥梁冲刷敏感模态各构件建议监测振动方向桥型测点布设监测振动方向说明缆索支承桥梁主梁竖向●主梁横向●主梁纵向○塔柱纵/横向（条件允许，建议安装在塔柱顶部）●承台竖/纵/横向●梁桥主梁竖向●主梁横向●主梁纵向○墩顶纵/横向●承台竖/纵/横向●拱桥主梁竖向●主梁横向●主梁纵向○墩顶纵/横向●拱脚竖/纵/横向●注：●为常见振动方向，○为非常见振动方向。4.2.4振动测点布置的其他要求可按JT/T1037—2022中7.4.6的规定执行。3DB32/T4820—20244.2.5温度测点布置其他要求可按JT/T1037—2022中7.2的相关规定执行；风速测点布置可按JT/T1037—2022中7.3.2的规定执行。4.3数据采集方式与存储4.3.1振动、环境监测应实时连续采集。4.3.2数据采集方式的其他要求可按JT/T1037—2022中8.6的相关规定执行。4.3.3数据存储应符合CECS333：2012中第5章、第6章的相关规定。5监测数据分析5.1一般规定对采集所得的结构振动响应数据，在进行冲刷识别与预警分析前，应进行清洗、去噪并分离干扰项，并应在保证数据真实准确的基础上提升数据精度。5.2数据清洗5.2.1数据清洗应对数据采集中常见趋势项、缺失值、跃迁值、离群值进行处理，增加桥梁冲刷动力识别精度。5.2.2滤波与去趋势处理：可利用低通滤波器和信号去趋势函数，去除信号时程曲线中高阶频率信号，获得结构真实模态频率信号。5.2.3缺失值标记与填补：数据填补应遵循“小补大除，延拓填补”的原则；当缺失信号长度小于长度容忍临界值，可采用延拓填补法填充缺失部分；当缺失信号长度大于长度容忍临界值，则可舍弃缺失部分。5.2.4跃迁值处理：可采用数据平移方式处理，连续两个数据差值绝对值大于阈值时，对数据段每个数据都应减去均值差。5.2.5离群值剔除与填补：可依据3σ法则、换算中位数绝对偏差（MAD）、伪功率谱分析等规则识别离群值，并使用线性插值或样条插值等方法替代离群值。5.3干扰分离5.3.1桥梁冲刷监测数据应重点剔除温度变化对模态识别的干扰。5.3.2针对温度因素干扰，可采用经验模态分解法（EMD）与子模态重构法，去除子模态中温度对应频率范围，消除其对结构动力特性的影响。5.4模态识别5.4.1模态参数识别应通过结构振动监测数据，获取结构自振频率、振型、阻尼比等。当有特殊要求时，应获取模态刚度、模态质量。5.4.2当环境噪声较小，干扰易分离，可采用频域分解法识别模态参数；当环境噪声较大，干扰不易分离，可采用随机减量与复模态指示函数算法相结合识别模态参数。5.4.3实地应用时宜采用Cov⁃SSI时⁃频分析、HHT变换、短时傅里叶变换等方法识别结构频率参数，获取时间⁃频率（时⁃频）序列数据，用于冲刷识别与预警评定。4DB32/T4820—20246冲刷识别与预警评定6.1一般规定6.1.1宜利用理论分析、数值仿真等方法确定监测桥梁各阶振动模态及其与冲刷发展的关联度，从而确定冲刷敏感模态进行冲刷动力识别与预警评定。6.1.2应基于概率检测思想，表征与辨识时⁃频序列特征变化；依靠桥梁健康监测数据连续传感体系与信息挖掘技术，确定时⁃频序列特征变化与冲刷发展间关联。6.2模态异变指标与冲刷识别6.2.1待分析时⁃频序列数据应进行假设检验判断是否满足正态分布，宜采用χ2拟合优度、Lilliefors、Kol⁃mogorov⁃Smirnov、Jarque⁃Bera等检验方法。6.2.2对于非正态分布数据应采用核密度估计进行正态分布转换，转换基本流程如下。a）待识别信号样本中频率向量fi,a）待识别信号样本中频率向量fi,j可利用公式（1）得到对应核密度估计向量PDF（fi,j式中：K(x)——变量x的核密度函数；l——一个时间序列数据长度，单位为秒（sh——时间间隔值，单位为秒（sfi,j——监测结构i阶模态频率向量fi的第j个数据，单位为赫兹（Hz）。b）核密度函数宜采用高斯密度函数：…………（2）式中：x——高斯密度函数的变量。dx…………（3）c）单个核密度估计向量PDF（fi,j）应按公式（3）处理，形成连续累计概率估计向量CDF(fidx…………（3）d）累积概率估计向量CDF(fi,j)应按公式（4）进行标准正态分布函数逆变换，转换为Q统计量：Qi=Φ-1［CDF(fi.j)］ 式中：Φ-1()——标准正态分布函数的反函数。e）转化后Q统计量可视为服从正态分布的待识别时⁃频序列数据。6.2.3正态分布待识别时⁃频序列数据应按以下基本流程计算频率控制阈值：a）核密度估计转换后的时频数据应满足公式（5）所述正态分布模型：=1-α…………（5）5DB32/T4820—2024式中：P——概率值；f——频率值；μ0——样本总体均值；σ——样本总体标准差；α——显著性水平值；Zα2——标准正态分布α/2分位点；n——样本总量。b）应采用Q统计量对公式（5）所述正态分布模型进行预测，频率控制阈值应按公式（6）~公式（8）计算：UCL=mean…………（6）CL=mean(Qi)…………（7）LCL=mean…………（8）式中：mean——样本均值函数；std——样本标准差函数；UCL——上控制限；CL——中心线；LCL——下控制限。c）超出上控制阈值UCL或下控制阈值LCL的频率序列应视为异常片段。d）按公式（9）定义异常连续超限频率序列识别参数Ts：Ts=Tabi-Tabj…………（9）式中：Tabiabj——相邻两个超限频率分别对应的时间，单位为秒（s）。e）应按公式（10）定义趋势项指标参数PLU控制冲刷识别：PLU=Tab/Tt0…………（10）式中：Tab——超过上控制阈值UCL或下控制阈值LCL的连续超限频率序列总时间长度，单位为秒（sTt0——待识别时⁃频序列总时间长度，单位为秒（s）。f）按公式（11）定义频率均值下降幅度Ms控制冲刷识别：Ms=|M1-M2|…………（11）式中：M1——异常连续超限频率序列的频率均值，单位为赫兹（HzM2——相同时间间隔的健康状态下频率均值，单位为赫兹（Hz）。6.2.4可通过设置不同显著性水平α值来调整冲刷预警的灵敏度：α值越大，LCL和UCL之间的范围越窄，识别灵敏度越高，冲刷预警成功率就越高，即识别精度越高；但将正常波动误认为异常波动的可能性就越大，即预警的置信度越低。在确定α取值时，应根据实际情况权衡识别灵敏度与识别置信度的需求，确定满足监测要求的适宜值，通常情况下取值范围可为0.01~0.1。6.2.5PL/U、Ts、Ms的阈值应结合待识别信号长度、信号采集频率等因素确定，阈值宜为：PL/Uc=1%，Tsc=0.1s，Msc=0.01Hz。6DB32/T4820—20246.3冲刷评定方法与分级预警6.3.1冲刷概率评定应按以下步骤进行：a）确定冲刷概率评定显著性水平α及控制指标阈值PL/Uc、Tsc、Msc，基于待识别时⁃频序列计算频率控制阈值UCLα、LCLα;b）判断异常频率序列，将频率值超过控制阈值的频率序列视为异常序列；c）针对识别出的异常频率序列计算控制指标PLU、Ts，对于满足PLU>PL/Uc且Ts<Tsc条件的异常序列，认定为异常连续超限频率序列并进行下一步判断；否则，认为无异常，不进行冲刷预警；d）针对满足步骤c）的异常连续超限频率序列计算控制指标Ms，若满足Msc<Ms，则认为监测到模态异常趋势项变化，并进行冲刷预警；否则，认为正常信号波动，不进行冲刷预警。6.3.2完成一次冲刷预警并进入下轮待识别时⁃频序列，应重复6.3.1规定的步骤。6.3.3冲刷概率评定流程图如图1所示。图1异常信号序列趋势检测法冲刷概率评定流程图6.3.4待识别时⁃频序列为汛期监测数据或序列时间长度不小于1年的监测数据应进行冲刷概率评定，月—3月）时⁃频序列监测数据根据6.2.3重新计算频率控制阈值UCLα和LCLα,再进行原监测据冲刷概率评定。6.3.5桥梁冲刷分级预警应符合下列规定。a）桥梁冲刷分级预警应基于6.3.1~6.3.4规定的冲刷概率评定步骤与原则进行。b）桥梁冲刷分级预警超限阈值应分为三级，当监测指标超过各级超限阈值时，应实时动态报警。c）桥梁冲刷各级超限阈值设定宜符合下列规定：1）超限阈值宜根据监测内容历史统计值、仿真计算值、设计理论值、社会经济可接受程度等因素自主设定；2）超限阈值可根据桥梁健康度和技术状况进行动态调整。7DB32/T4820—2024d）监测数据超限阈值设定宜符合表2的规定。表2超限报警阈值设定表报警类别报警内容超限阈值（其中基础阈值可按6.2.5推荐阈值取）超限级别稳定安全基础冲刷PL/Uc,Msc皆设定为0.8倍的基础阈值，且Tsc设定为1.2倍的基础阈值，发生冲刷预警一级PL/Uc,Tsc,Msc皆设定为1.0倍的基础阈值，发生冲刷预警二级PL/Uc,Msc皆设定为1.2倍的基础阈值，且Tsc设定为0.8倍的基础阈值，发生冲刷预警三级6.3.6桥梁冲刷分级预警的其他要求可按JT/T1037—2022中11.3的相关规定执行。6.4冲刷预警后对策与措施监测数据和分析结果超限出现表2中情况时，应按表3的规定实施预警后对策与措施。表3冲刷分级预警后对策与措施建议表报警内容超限级别对策与措施实施基础冲刷一级桥梁基础存在冲刷可能，建议持续监测数据分析，注意预警等级是否进一步变化二级桥梁基础较大可能正在发生冲刷，建议择机开展基础水下精细检测，注意预警等级是否进一步变化三级桥梁基础极大可能正在发生冲刷，建议尽快开展基础水下精细检测，确定基础冲刷病害情况，并采取相应的处置措施7实施周期7.1桥梁冲刷健康监测系统用于桥梁冲刷动力识别与快速筛查应至少连续实施冲刷评定1年以上，且具有相对应的完整时间长度振动监测与环境监测数据。7.2特殊情况下，若不具备1年以上连续监测条件，应至少具备冬季（1月—3月）及汛期（6月—8月）的监测数据与冲刷评定实施条件。8DB32/T4820—2024（资料性）模态变化趋势项指标的构建原理A.1冲刷深度宜与结构频率线性相关，如图A.1所示。标引符号说明：R2——拟合决定系数。图A.1冲刷深度⁃频率关系图A.2时⁃频序列经核密度估计后，频率分布满足如图A.2所示正态分布，位于显著性水平α对应分位点范围外的频率分布可视为小概率事件，因而可作为异常信号进行处理。图A.2模态变化趋势项指标异常警戒控制模型9DB32/T4820—2024（资料性）趋势项异变判定阈值的理论推导趋势项异变判定阈值的理论推导步骤如下：a）满足正态分布的统计量X，其概率密度模型X~Y(μ,σ2）应按公式（B.1）计算：…………（B.1）式中：fμ——模型期望值；σ——模型标准差。b）对于X~Y(μ,σ2）上的某一分位点α,应按公式（B.2）计算：P|X≤Xα/2|=1-α…………（B.2）式中：P——概率值；Xα2——正态分布的上α/2分位点。c）根据样本