本技术涉及桥梁检测，尤其涉及一种用于实桥涡振诱因的检测预警方法和系统。
背景技术：
1、涡激振动是一种具有强迫和自激双重特性的自限幅风致振动现象，由气流绕经结构表面时所产生的以某一固定时间间隔有规律地脱落的旋涡所引起。由于涡振发生的风速较低，而自然界中这种风速出现的频率很高，因此很多桥梁在此种风况下容易发生涡激振动现象。
2、1997年，处于丹麦的大海带东桥曾在施工过程中发生过涡激振动。在较低风速下发生了多次明显的竖向涡激振动，在风速达到18m/s时加劲梁最大振幅甚至达到了100mm左右。通车后在风速4-12m/s范围内也发生过较大振幅的竖向涡激振动，对行驶安全和桥梁构件产生了很大的安全隐患。
3、2009年建成通车的俄罗斯伏尔加河大桥，在建成的第二年就发生了明显的涡激振动，振幅达到40～70cm，桥梁发出震耳欲聋的声音。在桥梁振动停止后，专家对桥梁各处进行了详细检查，发现桥梁并没有裂纹和损伤，专家认为是出现了涡激共振现象。为了有效防止涡激共振现象的再次发生，在桥梁上安装了调频质量阻尼器对振动进行控制。
4、此外，日本东京湾通道桥(trans-tokyo bay bridge)、巴西里约尼泰罗伊大桥(rio-niteroi bridge)都曾发生过严重的竖弯涡振。西堠门大桥在低紊流(紊流又称湍流，是流体的一种流动状态，当流速增加到很大时，流体的流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，称为紊流)条件下，在风速区间为9m/s～11m/s的正交风作用下，发生了明显的竖弯涡振现象。由于是低风速下常易发生的振动，且振幅之大足以影响行车安全，甚至可能诱发拉索参数共振(斜拉桥是多索系统，全桥的振动频率很容易与索的振动频率接近，当桥面或索塔的振动频率与某一拉索的横向振动频率成整倍数关系时，微小的桥面振动会激起斜拉索大幅的横向振动，从而严重危及生命与财产安全)等其他类型的致命的气动不稳定问题。
5、对于大跨度桥梁的涡振性能，我国《公路桥梁抗风设计规范》(jtg/t d60-01-2004)明确规定：在桥梁设计的使用年限内，在桥位所在区域可能出现的最大风速下，结构不应发生毁坏性的自激发散振动。结构非破坏性风致振动的振幅应满足行车安全、结构疲劳和行车舒适度的要求。对于抗风能力不能满足规范要求的桥梁结构，规范还规定：结构的抗风能力可通过气动措施、结构措施和机械措施予以提高。常用涡振抑制措施可分为机械措施和气动措施两种。机械措施主要通过外加阻尼器提高结构阻尼，以达到抑制风致振动目的，港珠澳工程青州航道桥主梁就是采用安装tmd(tuned mass damper，调谐质量阻尼器)的方法抑制涡振。大量的风洞试验及工程实践表明，在不改变桥梁结构与使用性能的前提下，气动措施即适当改变桥梁的外形布置或增设非结构性的导流装置是抑制涡振的有效方法。其中，在栏杆扶手上设置抑流板为一种有效的抑振手段。例如，中国的东营黄河大桥上安装了抑流板。
6、对规划设计中的桥梁，目前主要通过对设计桥梁的模型进行风洞试验，辅以对设计的桥梁外形尺寸指定条件进行数值模拟，得到数据判断设计是否可行，如不符合要求，则对桥梁模型或数模增加气动措施，再次进行验证。但风洞试验的模型制造要求精细、比例小、造价高、周期长，应用受到限制，且往往风洞试验的结果偏安全，如若增加气动措施则会增加额外成本，如若不增加气动措施则得到的风洞试验数据。数值模拟的缺点主要体现在计算精度和收敛性不够，目前仍需结合风洞试验进行涡激共振的研究，现有的理论还不能实现从流动现象和桥梁结构动力响应两个方面去分析涡激振动的机理。另外，有试验表明利用数值模拟提取涡激共振尾流变化样本时计算量和雷诺数(用来表征流体流动情况的无量纲数，利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力)成指数正比关系，说明对于雷诺数量级高的大跨桥梁，所需要的计算量将会很庞大。
7、而当已建成的桥梁出现突发涡振，现有的检测方法往往为以下几类：
8、1、通过既有文献和资料判断涡振发生原因。但是，通过经验判断时，由于各个桥梁断面不同，其涡振的机理将会有很大差异，其推断可靠性欠缺。
9、2、通过制作实桥缩尺模型，进行风洞试验，通过位移等数据判断涡振发生原因。再通过增加不同气动措施，重复试验。但是，通过制作实桥模型进行风洞试验的周期很长，延误处置时间。由于模型为缩尺模型，其风洞试验结果会受到雷诺数效应的影响而与现实产生误差。并且，制作模型时，对桥梁细节的模拟再现不准，而涡振又对气动外形的差别及其敏感，这些细节又往往是引起涡振的重要因素。
10、3、通过激光雷达扫描流场，判断涡振发生原因。但是，此法虽可在现场实时测量，从而缩短分析周期，但其设备成本高昂，设备采样频率受限，其激光扫射的扫射区域有限。且由于对流场的扫射数据具有一定时间差，并非同一时刻的流场，很难精确地反映流场特征及桥梁表面气动力特性。很难仅通过分析流场得到涡振的发生原因。
11、4、如发明专利(cn201510695307.2；cn201910939086.7；cn202011081348.x；cn202110772362.2；cn202210544483.6)，对结构位移信号分析，检测预警涡振。但位移信号的检测易受风环境、检测对象实时载重、结构物面附加荷载频率、结构内部构造、位移测点布置等因素干扰。并且其分析对象为结构物整体，虽然可以检测预警涡激振动的发生，但其仅能在结构物是否发生涡激振动上进行检测预警，不能对涡振成因进行检测分析，不能随需要增减检测区域，不能定位结构物表面引起涡振的根源区域，不能为解决检测对象的涡激振动提供直接参考和帮助。且仅适用于已建成的结构物，无法运用于设计阶段。
12、综上所述，以上的种种方法并不能很好的、快速的、低成本的分析涡振诱因即找出引起涡振发生的主要因素(如桥梁气动外形、附属栏杆、检修车轨道等)及其在桥梁上的精确位置，并得出可用于解决工程实际问题，同时可用于涡振预警的方法。
13、综上所述，现有技术存在缺点：
14、1.现场实测的投资大，耗时耗力，后期维护费用高，现有数值模拟的计算精度和收敛性不够，仍需结合风洞试验进行涡激共振的研究，且不能直观地体现桥梁涡振诱因及提供预警信息，时间周期长、成本高。
15、2.通过经验判断时，由于各个桥梁断面不同，其涡振的机理将会有很大差异，其推断可靠性欠缺。通过制作实桥模型进行风洞试验的周期很长，延误处置时长。
16、3.通过激光雷达扫描流场虽可在现场实时测量，从而缩短分析周期，但其设备成本高昂，设备采样频率受限，很难精确地反映流场特征及桥梁表面气动力特性。
17、4.对位移信号的检测易受风环境、检测对象实时载重、结构物面附加荷载频率、结构内部构造、位移测点布置等因素干扰。并且其分析对象为结构物整体，虽然可以检测预警涡激振动的发生，但其仅能在结构物是否发生涡激振动上进行检测预警，不能对涡振成因进行检测分析，不能随需要增减检测区域，不能定位结构物表面引起涡振的根源区域不能为解决检测对象的涡激振动提供直接参考和帮助。且仅适用于已建成的结构物，无法运用于设计阶段。
18、5.市面上无快速、精准、低成本地检测实桥涡振诱因即找出引起涡振发生的主要因素(如附属栏杆、检修车轨道等)及其在桥梁上的位置分布的方法。
技术实现思路
1、有鉴于此，本技术的目的在于提出一种用于实桥涡振诱因的检测预警方法和系统，本技术能够针对性的解决现有的问题。
2、基于上述目的，本技术提出了一种用于实桥涡振诱因的检测预警方法，包括：
3、获取气动行波模态，所述气动行波模态的定义为：在振动频率处，断面表面主导的涡激气动力沿流向表现为行波式演变，相应的统计参数呈波浪式分布；
4、对于发生涡振的建筑，根据所述气动行波模态得到涡振诱因，对于所述涡振诱因增加气动措施；或者，对于没有发生涡振的建筑，根据所述气动行波模态，对行波波动幅度大于预设阈值的区域增加气动措施。
5、所述获取气动行波模态，包括：
6、采集建筑物预设区域的压力时空序列，分析所述压力时空序列得到所述建筑物的气动力时空功率谱，根据所述气动力时空功率谱得到气动行波模态；或者，
7、对目标区域，采集测点风压时程，应用时空库普曼分解方法，将时空数据近似为驻波或行波的线性组合。
8、进一步地，在空间域ω内，整体气动力可表达为：
9、
10、式中，为脉动压力。
11、进一步地，在空间域ω内，所述气动力时空功率谱为：
12、
13、其中，σ为整体气动力标准差，σ2为气动力时空功率谱三维图体积，e(k,f)为不同频率、波数对应的功率谱密度，其中k＝2π/λ即波数。
14、进一步地，当空间域为一维空间域且为断面全表面时，σ为涡激力标准差。进一步地，所述气动力时空功率谱描述功率谱密度随频率或波长的分布情况，峰值高度反映了气动行波对原始压力序列的贡献程度，也就是气动行波作用强度。
15、进一步地，所述对于发生涡振的建筑，根据所述气动行波模态得到涡振诱因，包括：
16、对建筑物不同区域的气动力时空功率谱进行对比，分析气动行波特征，根据预设条件选取气动行波，如果有气动行波的存在则有涡的存在，将气动行波的起始点作为涡振发生的诱因，气动行波的峰值简化作为涡的位置。
17、进一步地，所述对于没有发生涡振的建筑，根据所述气动行波模态，对行波波动幅度大于预设阈值的区域增加气动措施，包括：
18、通过分析不同区域气动力能量随频率或波长的分布情况，得到能量波动的区域，波的幅度即代表能量强度；
19、根据能量波动幅度筛选可能发生涡振的区域，增加气动措施。
20、基于上述目的，本技术还提出了一种用于实桥涡振诱因的检测预警系统，包括：
21、气动行波模块，用于获取气动行波模态，所述气动行波模态的定义为：在振动频率处，断面表面主导的涡激气动力沿流向表现为行波式演变，相应的统计参数呈波浪式分布；
22、涡振处理模块，对于发生涡振的建筑，根据所述气动行波模态得到涡振诱因，对于所述涡振诱因增加气动措施；或者，对于没有发生涡振的建筑，根据所述气动行波模态，对行波波动幅度大于预设阈值的区域增加气动措施。
23、总的来说，本技术的优势及给用户带来的体验在于：
24、本技术采集任意所需分析区域的气动力数据(压力数据)，通过描述气动力能量随频率或波长的分布情况，反映不同频率成分脉动或不同尺寸旋涡运动对气动力脉动的贡献程度，得到气动行波模态。
25、本技术通过各个频率、波长下的气动行波模态得到涡振发生根源所在，气动行波的峰值所在即简化视为涡的位置，对不同区域的气动力时空功率谱进行对比，分析气动行波特征，根据能量等条件选取气动行波，这些行波的根源即认为引起涡振的主要区域，此位置对应实测对象上的具体设施，并针对其进行气动措施改进。
26、本技术根据上述分析结果，可以精准定位引起涡振的主要区域，分析构造物信息，得到桥梁涡振诱因，从而制定针对性改进措施，如增设导流板、拆除检修轨道等。
27、本技术对于涡振预警，通过分析不同区域气动力能量随频率或波长的分布情况，得到能量波动的一些区域，这些区域即可能发生涡振的区域，可对其作针对性预防处理，为桥梁涡振提供预警信息以避免人员恐慌及减少财产损失。
28、本技术利用压力时空序列得到气动行波模态分析涡振的方法，不仅实现了对已建成通车的桥梁的涡振检测与预警，还能通过此法快速精准定位涡振根源，找到涡振原因，从而便于建设者针对性采取措施。
29、本技术采用气动力即压力时空序列，专注于引起涡振的根本——压力脉动，具有非常好的环境适应性，且对各结构物具有普适性。
30、本技术提供的涡振诱因分析预警方法大幅降低了人力、物力、时间成本，且可实际应用到任意可能发生涡振的工程实例(如大跨度桥梁等)上，适用范围广，可靠性强。
1.一种用于实桥涡振诱因的检测预警方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，
8.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，
9.一种用于实桥涡振诱因的检测预警系统，其特征在于，包括：
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器运行所述计算机程序以实现如权利要求1-8任一项所述的方法。
