CN101839781A - 悬索桥主缆状态快速识别方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种悬索桥主缆状态快速识别方法及装置，其特征是它包括竖向刚度k计算，在每根待检测的主缆上对称安装两个用于信号采集的三向加速度传感器，将传感器采集的信号送入数据采集单元处理后再通过有线或无线送入数据分析单元计算出主缆的前三阶自振频率ω₁、ω₂、ω₃，通过三个联立公式最终计算出主缆信号采集时刻主缆的张力S、弯曲刚度EI和线密度m的值；重复测量计算即可绘制出主缆的张力S、弯曲刚度EI和线密度m与时间之间的变化曲线，供桥梁养护部门进行主缆状态识别。本发明方法简单，准确率高且可在桥梁运营全过程中进行检测。

Description

悬索桥主缆状态快速识别方法及装置

技术领域

本发明涉及一种桥梁安全监测方法及装置，尤其是一种能快速对悬索类桥梁上的主缆受力状态进行快速识别的方法及装置，具体地说是一种悬索桥主缆状态快速识别方法。

背景技术

众所周知，缆索是悬索桥最主要的承重构件。主缆对悬索桥的结构安全至关重要，而且难以更换。以往由于主缆的安全系数一般都很大，往往认为主缆不会发生受力破坏。实际上越靠近主塔，缆索的张力越大，也越容易发生破坏，而位于靴跟处的缆索段又处于最易被雨水侵蚀的部位，也易发生腐蚀，进而影响其使用性能。主缆的工作状态是衡量悬索桥是否处于正常营运状态的重要标志之一，精确识别运营状态下主缆张力、弯曲刚度、线密度等参数对于了解悬索桥的工作状态十分重要。

悬索桥主缆上挂有一根根吊索，吊索的张力要传到主缆，而且主缆是大垂度构件，传统测量张紧拉索的索力识别方法无法应用于主缆。目前测量主缆张力的方法见表1所示，这些方法均有局限性，在成桥之后的悬索桥上很少应用。

表1已有缆索张力识别方法比较

检测方法	优点	缺点
			油压表读数法	较成熟，应用广，精度较高	只适用于施工阶段，且成本高、仪器重、测试时间长
压力传感器测定法	较成熟，应用广，精度较高	只适用于施工阶段，且成本高、仪器重、测试时间长
			静态线形法	理论上可行	实际运营阶段的缆索并不处于静止状态
三点弯曲法	操作简便	适用于施工阶段及使用阶段，但技术不成熟

检测方法	优点	缺点
			磁通量法	简单易行	适用于施工、使用阶段，但成本高，且测量缆索直径有限
量测应变法	简单易行	所测数据不可靠

目前，识别桥梁刚度等物理参数的方法主要基于有限元模型修正思想，通过修正模型使其自振频率与实测频率相吻合，认为有限元模型的参数便是实际结构的参数。该方法计算繁琐，而且有限元建模本身就有很多简化，尤其是对于受到吊索约束的主缆，吊索下端随着桥面和主梁一起振动，边界条件十分复杂导致用有限元对主缆建模进行参数识别几乎无能为力。

发明内容

本发明的目的是针对现有的悬索桥主缆状态识别方法无法在桥梁运营过程中进行识别以及现有的识别方法计算繁琐，准确性不高等问题，发明的一种能在桥梁运营全过程中进行动态监测识别的方法及装置。

本发明的技术方案之一是：

一种悬索桥主缆状态快速识别方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，通过测试与分析，得到吊索对单位长度主缆的竖向约束刚度k：

(1)测试主缆和桥面的线形，确定每根吊索上端和下端的位移v_i、

(2)用振动法测出各根吊索的索力N_i，且(1)和(2)的测试要求同步；

(3)计算单根吊索对主缆的竖向约束刚度

$k_i=\frac{N_i}{|v_i-v_i^{\′}|}---\left(1\right)$

(4)计算吊索对单位长度主缆的竖向约束刚度k

$k=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i}{L}---\left(2\right)$

式中，n为单根主缆下挂的吊索根数，L为主缆的长度。

第二，在每根待检测的主缆上对称安装两个三向加速度传感器，一个三向加速度传感器作为测试点，另一个作为参考点，如果其中一个三向加速度传感器的某阶主频信号弱，则利用另一个传感器采集的信号进行补充；

第三，利用所安装有三向加速度传感器采集主缆环境振动响应信号，对采集到的信号进行功率谱和相干函数分析，得到主缆的前三阶自振频率ω₁、ω₂、ω₃；

第四，将测出主缆前三阶自振频率分别代入以下公式：

$(\frac{S}{2\mathrm{EI}}+\sqrt{\frac{S^2}{4{\left(\mathrm{EI}\right)}^2}+\frac{m{\mathrm{\ω}}_i^2-k}{\mathrm{EI}}})L^2={(i+\frac{1}{2})}^2{\mathrm{\π}}^2,i=\mathrm{1,2,3}---\left(3\right)$

得到三个联立方程，分别得到信号采集时刻主缆的张力S、弯曲刚度EI、线密度；

第五，定期重复第一～四步即可绘制出主缆的张力S、弯曲刚度EI、线密度m、吊索对单位长度主缆的竖向约束刚度k随时间的变化曲线，供桥梁养护部门进行主缆状态识别。

所述的每根主缆上的三向加速度传感器的安装位置相对于桥梁中心点对称，且对称位于主缆的奇数等分点上。

本发明的技术方案之一是：

一种悬索桥主缆状态快速识别装置，其特征是它主要由数据采集单元1和数据分析单元2组成，数据采集单元1通过无线WLAN网络或USB设备5与数据分析单元2相连，所述的数据采集单元1主要由三向加速度传感器2、多通道抗混滤波放大器3、A/D转换模块4和无线WLAN网络或USB设备5组成，所述的数据分析单元2主要由数据接收模块6、功率谱和相关分析模块7、索力计算模块8和结果显示与存储模块9组成，三向加速度传感器2的输出与多通道抗混滤波放大器3的输入端相连，多通道抗混滤波放大器3的输出端接A/D转换模块4，A/D转换模块4将数据转换成数字信号通过无线WLAN网络或USB设备5输送至数据分析单元2中的数据接收模块6中，数据接收模块6将接收到的数据送入数据分析单元10中功率谱和相关分析模块7及索力计算模块8中进行计算后送入结果显示与存储模块9中进行显示并存储。

本发明的有益效果：

1、本发明首次建立了一种复杂约束条件、大垂度主缆状态参数识别方法，仅通过测试缆索环境振动下前3阶主频，智能识别包括张力、刚度、线密度在内的参数，并研制了适用于现场采集数据和识别主缆状态的无线测试系统，用先进的数据采集和信号处理方法，结合柔性的模块化的无线技术为主缆的安全监测提供方便实用的手段；

2、本发明首次建立了吊索对主缆竖向约束刚度的测试与分析方法，不仅明确了主缆的边界约束条件，而且能实时监测吊索一主缆整体的运营状态；

2、本发明具有较高的运算精度，其中频率分析精度可达1％，主缆状态参数识别精度能达5％；

3、本发明可在1000米范围内实现无线测试，可以同时测试多根缆索，随着无线传输技术的发展还能向扩大监测范围。

4、本发明性能可靠，使用方便，且具有很高的精度，适用范围广泛。

5、本发明检测效果好、使用范围广泛、结构简单，功耗低，既可用于桥梁健康监测系统对主缆的状态进行实时监测，也可用于未装健康监测系统的桥梁对主缆的状态检测。

附图说明

图1是本发明的主缆模型示意图。

图2是本发明的主缆上的传感器布置示意图。

图3是本发明的快速识别装置的组成原理图。

图4是与本发明相配的主缆状态识别软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

一种悬索桥主缆状态快速识别方法，它包括以下步骤：

首先，启动监测用计算机后，开始监测主缆与桥面线形，确定每根吊索上端和下端的位移v_i、

同时测出各吊索的张力N_i，根据公式(1)计算单根吊索对主缆的竖向约束刚度k_i，根据公式(2)计算吊索对单位长度主缆的竖向约束刚度k

$k_i=\frac{N_i}{|v_i-v_i^{\′}|}---\left(1\right)$

$k=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i}{L}---\left(2\right)$

式中，n为单根主缆下挂的吊索根数，L为主缆的长度。

第二，在每根待检测的主缆上对称安装两个三向加速度传感器，一个三向加速度传感器作为测试点，另一个作为参考点，如果其中一个三向加速度传感器的某阶主频信号弱，则利用另一个传感器采集的信号进行补充；

第三，利用所安装有三向加速度传感器采集主缆环境振动响应信号，对采集到的信号既可利用现有的公知的公式和方法进行功率谱和相干函数分析，也可利用申请人在先申请的相关专利中使用的计算分析方法进行功率谱和相干函数分析，得到主缆的前四阶自振频率ω₁、ω₂、ω₃；

其次，在每根待检测的主缆上对称安装两个三向加速度传感器，一个三向加速度传感器作为测试点，另一个作为参考点，如果其中一个三向加速度传感器的某阶主频信号弱，则利用另一个传感器采集的信号进行补充；每根主缆上的三向加速度传感器的安装位置相对于桥梁中心点对称，且对称位于主缆的奇数等分点上。如图2所示。

第三，利用所安装有三向加速度传感器采集主缆环境振动响应信号，对采集到的信号进行功率谱和相干函数分析，得到主缆的前三阶自振频率ω₁、ω₂、ω₃；

第四，将计算所得的主缆的竖向刚度k和所得的三个自振频率分别代入以下公式：

$(\frac{S}{2\mathrm{EI}}+\sqrt{\frac{S^2}{4{\left(\mathrm{EI}\right)}^2}+\frac{m{\mathrm{\ω}}_i^2-k}{\mathrm{EI}}})L^2={(i+\frac{1}{2})}^2{\mathrm{\π}}^2,i=\mathrm{1,2,3}---\left(2\right)$

得到三个联立方程，分别得到信号采集时刻主缆的张力S、弯曲刚度EI和线密度m的值；

第五，定期重复第一～四步即可绘制出主缆的张力S、弯曲刚度EI、线密度m、吊索对单位长度主缆的竖向约束刚度k随时间的变化曲线，供桥梁养护部门进行主缆状态识别。

实施例二

如图3、4所示。

一种悬索桥主缆状态快速识别装置，它主要由数据采集单元1和数据分析单元2组成，数据采集单元1通过无线WLAN网络或USB设备5与数据分析单元2相连，所述的数据采集单元1主要由三向加速度传感器2、多通道抗混滤波放大器3、A/D转换模块4和无线WLAN网络或USB设备5组成，所述的数据分析单元2主要由数据接收模块6、功率谱和相关分析模块7、索力计算模块8和结果显示与存储模块9组成，三向加速度传感器2的输出与多通道抗混滤波放大器3的输入端相连，多通道抗混滤波放大器3的输出端接A/D转换模块4，A/D转换模块4将数据转换成数字信号通过无线WLAN网络或USB设备5输送至数据分析单元2中的数据接收模块6中，数据接收模块6将接收到的数据送入数据分析单元10中功率谱和相关分析模块7及索力计算模块8中进行计算后送入结果显示与存储模块9中进行显示并存储。

如图3所示，本发明快速识别装置由数据采集单元1(包括振动传感器2、滤波放大电路3、AD转换器4、USB或WLAN通讯电路5)和数据分析单元10(包括数据通讯6、功率谱和相关分析7、主缆参数计算8和显示存储单元9)组成。传感器2检测到的模拟信号，经过抗混滤波放大器3后进行高精度24BitA/D转换4，得到数字信号，数字信号由USB传输单元5或使用无线WLAN进行信号传输。数据分析单元通过USB或无线网络6接收数据，接收的数据进行功率谱和相关分析7，得到前三阶频率，实时计算出主缆的张力、弯曲刚度、线密度等参数，并绘制参数随时间变化曲线8，得到结果通过显示与存储模块9显示并保存数据。与图3硬件相配的软件由数据采集模块、数据浏览与分析模块、数据存储模块、参数设定等组成；在缆索状态智能识别无线系统软件流程图中(图4)，首先输入吊索的弹性模量E_i、A_i、l_i主缆的长度L等参数，系统自动计算单位长度主缆受到吊索的约束竖向刚度k。采集仪启动后先自检，然后开始采集信号，采集得到的时域信号进行实时功率谱和相关分析，得到频域参数，计算缆索张力、弯曲刚度和线密度，然后绘制参数的日变化、月变化、年变化曲线，结果显示并保存。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种悬索桥主缆状态快速识别方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，通过测试与分析，得到吊索对单位长度主缆的竖向约束刚度k：

(1)测试主缆和桥面的线形，确定每根吊索上端和下端的位移v_i、

(2)用振动法同步测出各根吊索的索力N_i；

(3)计算单根吊索对主缆的竖向约束刚度

$k_i=\frac{N_i}{|v_i-v_i^{\′}|}---\left(1\right)$

(4)计算吊索对单位长度主缆的竖向约束刚度k

$k=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i}{L}---\left(2\right)$

式中，n为单根主缆下挂的吊索根数，L为主缆的长度。

第二，在每根待检测的主缆上对称安装两个三向加速度传感器，一个三向加速度传感器作为测试点，另一个作为参考点，如果其中一个三向加速度传感器的某阶主频信号弱，则利用另一个传感器采集的信号进行补充；

第三，利用所安装有三向加速度传感器采集主缆环境振动响应信号，对采集到的信号进行功率谱和相干函数分析，得到主缆的前三阶自振频率ω₁、ω₂、ω₃、；

第四，将测出主缆前三阶自振频率分别代入以下公式：

$(\frac{S}{2\mathrm{EI}}+\sqrt{\frac{S^2}{4{\left(\mathrm{EI}\right)}^2}+\frac{m{\mathrm{\ω}}_i^2-k}{\mathrm{EI}}})L^2={(i+\frac{1}{2})}^2{\mathrm{\π}}^2,i=\mathrm{1,2,3}---\left(3\right)$

得到三个联立方程，分别得到信号采集时刻主缆的张力S、弯曲刚度EI、线密度；

第五，定期重复第一～四步即可绘制出主缆的张力S、弯曲刚度EI、线密度m、吊索对单位长度主缆的竖向约束刚度k随时间的变化曲线，供桥梁养护部门进行主缆状态识别。

2.根据权利要求1所述的悬索桥主缆状态快速识别方法，其特征是所述的每根主缆上的三向加速度传感器的安装位置相对于桥梁中心点对称，且对称位于主缆的奇数等分点上。

3.一种悬索桥主缆状态快速识别装置，其特征是它主要由数据采集单元(1)和数据分析单元(2)组成，数据采集单元(1)通过无线WLAN网络或USB设备(5)与数据分析单元(2)相连，所述的数据采集单元(1)主要由三向加速度传感器(2)、多通道抗混滤波放大器(3)、A/D转换模块(4)和无线WLAN网络或USB设备(5)组成，所述的数据分析单元(2)主要由数据接收模块(6)、功率谱和相关分析模块(7)、索力计算模块(8)和结果显示与存储模块(9)组成，三向加速度传感器(2)的输出与多通道抗混滤波放大器(3)的输入端相连，多通道抗混滤波放大器(3)的输出端接A/D转换模块(4)，A/D转换模块(4)将数据转换成数字信号通过无线WLAN网络或USB设备(5)输送至数据分析单元(2)中的数据接收模块(6)中，数据接收模块(6)将接收到的数据送入数据分析单元(10)中功率谱和相关分析模块(7)及索力计算模块(8)中进行计算后送入结果显示与存储模块(9)中进行显示并存储。

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