DB32-T 4820-2024橋梁沖刷動力識別與快速篩查技術(shù)規(guī)范

ICS93.04CCSP28江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)DB32/T4820—2024橋梁沖刷動力識別與快速篩查技術(shù)規(guī)范Technicalspecificationforbridgescourdynamicidentificationandrapidscreening2024-07-08發(fā)布 2024-08-08實施江蘇省市場監(jiān)督管理局 發(fā) 布中國標(biāo)準(zhǔn)出版社 出 版DBDB32/T4820—2024DBDB32/T4820—2024ⅢⅢⅠⅠ目 次前言 Ⅲ范圍 1規(guī)范性引用文件 1術(shù)語和定義 1測試方案設(shè)計 2監(jiān)測數(shù)據(jù)分析 3沖刷識別與預(yù)警評定 4實施周期 7附錄資料）模態(tài)變化趨勢項指標(biāo)的構(gòu)建原理 8附錄資料）趨勢項異變判定閾值的理論推導(dǎo) 9附錄資料）工程應(yīng)用實例 10參考文獻(xiàn) 12前 言本文件按照GB/T1.1—202標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則 第1部分標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)的規(guī)起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由江蘇省交通運輸廳提出并歸口。揚大橋發(fā)展有限責(zé)任公司團(tuán)股份有限公司、中鐵大橋勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司。DBDB32/T4820—2024DBDB32/T4820—2024PAGEPAGE12PAGEPAGE11橋梁沖刷動力識別與快速篩查技術(shù)規(guī)范范圍本文件規(guī)定了橋梁沖刷動力識別與快速篩查技術(shù)的測試方案設(shè)計、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、沖刷識別與預(yù)警評定、實施周期等內(nèi)容。本文件適用于已安裝及待安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)的墩樁基礎(chǔ)涉水橋梁。規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文包括所有的修改單適用于本文件。CECS3332012 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1沖刷 scour床面泥沙在水流等外力作用下，失去平衡，被水流裹挾、輸運，離開原來所處河床的過程。3.2沖刷動力識別 scouridentificationbasedondynamicproperties利用沖刷削弱樁基礎(chǔ)的有效約束，減小了結(jié)構(gòu)剛度，造成動力特性的變化這一特性，通過對結(jié)構(gòu)動力特性的研究來推得沖刷深度。3.3沖刷敏感模態(tài) scoursensitivemodes隨著沖刷深度發(fā)展而易產(chǎn)生較大變化的橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)。3.4沖刷預(yù)警 scourwarning基于所得結(jié)構(gòu)動力特征數(shù)據(jù)，在既定的置信度水平及準(zhǔn)則下，對識別出的沖刷所致結(jié)構(gòu)動力特性變化進(jìn)行判斷。3.5分級預(yù)警 gradedwarning根據(jù)監(jiān)測值與其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)安全控制閾值的比值，對橋梁結(jié)構(gòu)實行監(jiān)測預(yù)警管理的分級。3.6核密度估計 kerneldensityestimation一種用于估計概率密度函數(shù)的非參數(shù)方法，通過對數(shù)據(jù)點附近的核函數(shù)進(jìn)行平滑處理來估計概率密度。測試方案設(shè)計一般規(guī)定技術(shù)評定的數(shù)據(jù)宜來源于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。橋梁沖刷動力識別與快速篩查技術(shù)的監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)包含結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測。結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)為風(fēng)載若為動位移，應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并換算為加速度。環(huán)境監(jiān)測應(yīng)包含溫度、風(fēng)速等橋梁服役環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測等。測點布置原則沖刷敏感模態(tài)宜按經(jīng)驗或計算確定，應(yīng)選擇橋梁低階模態(tài)為沖刷敏感模態(tài)，纜索支承體系梁橋宜臺低階模態(tài)。振動測點應(yīng)布置在橋梁沖刷敏感模態(tài)結(jié)構(gòu)振動幅度較大處跨中向支點布置；可按需局部加密測點。測點布置方向應(yīng)遵循與沖刷敏感模態(tài)振動方向一致的原則；各結(jié)構(gòu)體系橋梁沖刷敏感模態(tài)監(jiān)測振動方向可按表1確定。表1橋梁沖刷敏感模態(tài)各構(gòu)件建議監(jiān)測振動方向橋型測點布設(shè)監(jiān)測振動方向說明纜索支承橋梁主梁豎向●主梁橫向●主梁縱向○塔柱縱/橫向（條件允許，建議安裝在塔柱頂部）●承臺豎/縱/橫向●梁橋主梁豎向●主梁橫向●主梁縱向○墩頂縱/橫向●承臺豎/縱/橫向●拱橋主梁豎向●主梁橫向●主梁縱向○墩頂縱/橫向●拱腳豎/縱/橫向●●為常見振動方向，○為非常見振動方向。振動測點布置的其他要求可按JT/T1037—2022中7.4.6的規(guī)定執(zhí)行。溫度測點布置其他要求可按JT/T10372022中7.2的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行；風(fēng)速測點布置可按JT/T1037—2022中7.3.2的規(guī)定執(zhí)行。數(shù)據(jù)采集方式與存儲振動、環(huán)境監(jiān)測應(yīng)實時連續(xù)采集。數(shù)據(jù)采集方式的其他要求可按JT/T1037—2022中8.6的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。數(shù)據(jù)存儲應(yīng)符合CECS3332012中第56章的相關(guān)規(guī)定。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析一般規(guī)定對采集所得的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行沖刷識別與預(yù)警分析前，應(yīng)進(jìn)行清洗、去噪并分離干擾項，并應(yīng)在保證數(shù)據(jù)真實準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上提升數(shù)據(jù)精度。數(shù)據(jù)清洗數(shù)據(jù)清洗應(yīng)對數(shù)據(jù)采集中常見趨勢項精度。得結(jié)構(gòu)真實模態(tài)頻率信號。缺失值標(biāo)記與填補：數(shù)據(jù)填補應(yīng)遵循“小補大除，延拓填補的原則；當(dāng)缺失信號長度小于長度容忍都應(yīng)減去均值差。離群值剔除與填補：可依據(jù)3σ、偽功率譜分析等規(guī)則識別離群值，并使用線性插值或樣條插值等方法替代離群值。干擾分離橋梁沖刷監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)重點剔除溫度變化對模態(tài)識別的干擾。針對溫度因素干擾，可采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法與子模態(tài)重構(gòu)法，去除子模態(tài)中溫度對應(yīng)頻率范圍，消除其對結(jié)構(gòu)動力特性的影響。模態(tài)識別模態(tài)參數(shù)識別應(yīng)通過結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)獲取模態(tài)剛度、模態(tài)質(zhì)量?？刹捎秒S機減量與復(fù)模態(tài)指示函數(shù)算法相結(jié)合識別模態(tài)參數(shù)。實地應(yīng)用時宜采用Cov?SSI時?HHT變換、短時傅里葉變換等方法識別結(jié)構(gòu)頻率參數(shù)，獲取時間?時?序列數(shù)據(jù)，用于沖刷識別與預(yù)警評定。沖刷識別與預(yù)警評定一般規(guī)定宜利用理論分析、數(shù)值仿真等方法確定監(jiān)測橋梁各階振動模態(tài)及其與沖刷發(fā)展的關(guān)聯(lián)度，從而確定沖刷敏感模態(tài)進(jìn)行沖刷動力識別與預(yù)警評定。應(yīng)基于概率檢測思想，表征與辨識時?頻序列特征變化；依靠橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)傳感體系與信息挖掘技術(shù)，確定時?頻序列特征變化與沖刷發(fā)展間關(guān)聯(lián)。模態(tài)異變指標(biāo)與沖刷識別待分析時?頻序列數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行假設(shè)檢驗判斷是否滿足正態(tài)分布χ2LillieforsKol?mogorov?SmirnovJarque?Bera等檢驗方法。對于非正態(tài)分布數(shù)據(jù)應(yīng)采用核密度估計進(jìn)行正態(tài)分布轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換基本流程如下。待識別信號樣本中頻率向量fi,j可利用公式得到對應(yīng)核密度估計向量PDfi,：PDF(f

)=1lK(x-fi,j

…………（1）式中：K(x)——變量x的核密度函數(shù)；

i,j

lhj=1 hl ——一個時間序列數(shù)據(jù)長度h ——fi,j ——監(jiān)測結(jié)構(gòu)i階模態(tài)頻率向量fi的第j。核密度函數(shù)宜采用高斯密度函數(shù)：2π2K(x)=1exp-1x2) （2）2π2式中：x——高斯密度函數(shù)的變量。單個核密度估計向量PDfi,處理，形成連續(xù)累計概率估計向量CDF(fi,j)：lhj=-hCDF(fi,j)=1l∫fK(x-fi,j)dxlhj=-h累積概率估計向量CDFfi,j進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)逆變換Q統(tǒng)計量：式中：

Qi=Φ-

CDF(fi.j)］ （4）Φ-1(—標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)的反函數(shù)。轉(zhuǎn)化后Q統(tǒng)計量可視為服從正態(tài)分布的待識別時?頻序列數(shù)據(jù)。正態(tài)分布待識別時?頻序列數(shù)據(jù)應(yīng)按以下基本流程計算頻率控制閾值：核密度估計轉(zhuǎn)換后的時頻數(shù)據(jù)應(yīng)滿足公式所述正態(tài)分布模型：| ?| | ÷| P|f-μ0|

÷=1-α （5）| σ | α2÷? ÷n| ÷n| ?式中：P——概率值；f ——頻率值；μ0——樣本總體均值；σ ——樣本總體標(biāo)準(zhǔn)差；α ——顯著性水平值；Zα2—標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布α/2分位點；n——樣本總量。應(yīng)采用Q統(tǒng)計量對公式所述正態(tài)分布模型進(jìn)行預(yù)測計算：UCL

=mean(Qi)+Zα

std(Qi)

…………（6）nCL=mean(Qi) （7）n式中：mea（—樣本均值函數(shù)；——樣本標(biāo)準(zhǔn)差函數(shù)UCL ——上控制限；CL ——中心線；LCL ——下控制限。

LCL

=mean(Qi)-Zα

std(Qi)nn

…………（8）超出上控制閾值UCL或下控制閾值LCL的頻率序列應(yīng)視為異常片段。定義異常連續(xù)超限頻率序列識別參數(shù)Ts：Ts=Tabi-Tabj （9）式中：TabiTabj—相鄰兩個超限頻率分別對應(yīng)的時間。定義趨勢項指標(biāo)參數(shù)PLU控制沖刷識別：PLU=Tab/Tt0 （10）式中：Tab——超過上控制閾值UCL或下控制閾值LCL的連續(xù)超限頻率序列總時間長度，單位為秒（s）；Tt0——待識別時?頻序列總時間長度，單位為秒（s）。定義頻率均值下降幅度Ms控制沖刷識別：式中：

Ms=|

1-M2| （11）M1——異常連續(xù)超限頻率序列的頻率均值，單位為赫茲（Hz）；M2——相同時間間隔的健康狀態(tài)下頻率均值，單位為赫茲（Hz）。可通過設(shè)置不同顯著性水平α值來調(diào)整沖刷預(yù)警的靈敏度αLCL和UCL之間的范圍越就越大，即預(yù)警的置信度越低。在確定α取值時，應(yīng)根據(jù)實際情況權(quán)衡識別靈敏度與識別置信度的需求，確定滿足監(jiān)測要求的適宜值，通常情況下取值范圍可為0.01~0.1。PL/UTsMs的閾值應(yīng)結(jié)合待識別信號長度PL/Uc=1%Tsc=0.1sMsc=0.01Hz。沖刷評定方法與分級預(yù)警沖刷概率評定應(yīng)按以下步驟進(jìn)行：確定沖刷概率評定顯著性水平α及控制指標(biāo)閾值PL/UcTscMsc，基于待識別時?頻序列計算頻率控制閾值UCLαLCLα；判斷異常頻率序列，將頻率值超過控制閾值的頻率序列視為異常序列；針對識別出的異常頻率序列計算控制指標(biāo)PLUTsPLU>PL/Uc且Ts<Tsc條件的異常針對滿足步驟的異常連續(xù)超限頻率序列計算控制指標(biāo)MsMsc<Ms完成一次沖刷預(yù)警并進(jìn)入下輪待識別時?6.3.1規(guī)定的步驟。沖刷概率評定流程圖如圖1所示。圖1 異常信號序列趨勢檢測法沖刷概率評定流程圖待識別時?頻序列為汛期監(jiān)測數(shù)據(jù)或序列時間長度不小于1年的監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行沖刷概率評定，計算頻率控制閾值UCLαLCLα宜剔除既有沖刷造成的異常波動影響；宜采用相同數(shù)據(jù)源的枯水期月—3時?頻序列監(jiān)測數(shù)據(jù)根據(jù)6.2.3重新計算頻率控制閾值UCLα和LCLα，再進(jìn)行原監(jiān)測據(jù)沖刷概率評定。橋梁沖刷分級預(yù)警應(yīng)符合下列規(guī)定。橋梁沖刷分級預(yù)警應(yīng)基于6.3.1~6.3.4規(guī)定的沖刷概率評定步驟與原則進(jìn)行。橋梁沖刷分級預(yù)警超限閾值應(yīng)分為三級橋梁沖刷各級超限閾值設(shè)定宜符合下列規(guī)定：超限閾值宜根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容歷史統(tǒng)計值素自主設(shè)定；超限閾值可根據(jù)橋梁健康度和技術(shù)狀況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。監(jiān)測數(shù)據(jù)超限閾值設(shè)定宜符合表2的規(guī)定。表2 超限報警閾值設(shè)定表報警類別報警內(nèi)容超限閾值（其中基礎(chǔ)閾值可按6.2.5推薦閾值取）超限級別穩(wěn)定安全基礎(chǔ)沖刷PL/U,Msc皆設(shè)定為0.8倍的基礎(chǔ)閾值，且Tsc設(shè)定為1.2倍的基礎(chǔ)閾值，發(fā)生沖刷預(yù)警一級PL/U,Ts,Msc皆設(shè)定為1.0倍的基礎(chǔ)閾值，發(fā)生沖刷預(yù)警二級PL/U,Msc皆設(shè)定為1.2倍的基礎(chǔ)閾值，且Tsc設(shè)定為0.8倍的基礎(chǔ)閾值，發(fā)生沖刷預(yù)警三級橋梁沖刷分級預(yù)警的其他要求可按JT/T1037—202211.3的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。沖刷預(yù)警后對策與措施監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果超限出現(xiàn)表2中情況時，應(yīng)按表3的規(guī)定實施預(yù)警后對策與措施。表3 沖刷分級預(yù)警后對策與措施建議表報警內(nèi)容超限級別對策與措施實施基礎(chǔ)沖刷一級橋梁基礎(chǔ)存在沖刷可能，建議持續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，注意預(yù)警等級是否進(jìn)一步變化二級橋梁基礎(chǔ)較大可能正在發(fā)生沖刷，建議擇機開展基礎(chǔ)水下精細(xì)檢測，注意預(yù)警等級是否進(jìn)一步變化三級橋梁基礎(chǔ)極大可能正在發(fā)生沖刷，建議盡快開展基礎(chǔ)水下精細(xì)檢測，確定基礎(chǔ)沖刷病害情況，并采取相應(yīng)的處置措施實施周期橋梁沖刷健康監(jiān)測系統(tǒng)用于橋梁沖刷動力識別與快速篩查應(yīng)至少連續(xù)實施沖刷評定1具有相對應(yīng)的完整時間長度振動監(jiān)測與環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。特殊情況下，若不具備1年以上連續(xù)監(jiān)測條件月—3月—8的監(jiān)測數(shù)據(jù)與沖刷評定實施條件。附 錄 A資料性）模態(tài)變化趨勢項指標(biāo)的構(gòu)建原理沖刷深度宜與結(jié)構(gòu)頻率線性相關(guān)A.1所示。標(biāo)引符號說明：R2——擬合決定系數(shù)。圖A.1 沖刷深度?頻率關(guān)系圖時?頻序列經(jīng)核密度估計后，頻率分布滿足如圖A.2所示正態(tài)分布，位于顯著性水平α對應(yīng)分位點范圍外的頻率分布可視為小概率事件，因而可作為異常信號進(jìn)行處理。圖A.2 模態(tài)變化趨勢項指標(biāo)異常警戒控制模型附 錄 B資料性）趨勢項異變判定閾值的理論推導(dǎo)趨勢項異變判定閾值的理論推導(dǎo)步驟如下：滿足正態(tài)分布的統(tǒng)計量XX~μσB.計算：(x-μ))2πσf(x)=1 -2σ（B.1）2πσ式中：f—概率模型函數(shù)；μ ——模型期望值；σ ——模型標(biāo)準(zhǔn)差。對于X~μσ上的某一分位點αB.計算：P|X≤Xα/2|=1-α （B.2）式中：P ——概率值；Xα2—正態(tài)分布的上α/2分位點。n根據(jù)樣本估計原理，利用樣本統(tǒng)計量Q估計模型參數(shù)按公式計算：n∑Qiiμ=mean(Qi)= ni

…………（B.3）∑(Q-∑(Q-Qii nnσ=std(Qi)= n nn

…………（B.