CN105784211A - 一种斜拉桥索基波频率及索力的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜拉桥索基波频率及索力的测定方法。本发明的技术要点是：对实测拉索振动信号进行自功率谱分析，读取频谱图中各峰值所对应的频率值，通过频差法获得斜拉索近似基频值f_c1；读取频谱图中最大峰值所对应的频率值，求得最大峰值处所对应的阶数，再次获得近似基频值f_c2；基于Zoom‐FFT算法，对选定频段范围进行频谱细化分析，确定该频段最高峰值所对应的频率值，即为基频f₀；将基频值f₀代入弦振动公式，确定斜拉索索力。本发明提高了斜拉桥索基波频率的识别精度，大大降低了索力测试中无法精确识别斜拉索基频值的技术难度，降低了数据分析处理时间；本发明方法不需要复杂的判断与处理过程，可操作性强。

Description

一种斜拉桥索基波频率及索力的测定方法

技术领域

本发明属于桥梁结构领域，涉及振频法检测斜拉桥索力时确定拉索基波频率的方法，具体涉及一种斜拉桥索基波频率及索力的测定方法。

背景技术

拉索是缆索类结构桥梁重要的承力构件，索力大小控制着斜拉桥的内力分布及桥形变化。斜拉索索力测量对于施工期和成桥状态下的斜拉桥都有十分重要的意义。

由于现场测量条件与测点布置的限制，采用振动频率法进行斜拉桥索力测量时，加速度传感器一般难以布置在索长的中点，通常是布置在靠近桥面附近，由于低阶振动能量有限，这就导致实测索的动力响应多以索的高阶振型为主，难以直接获得斜拉索的一阶自振频率(基频)，而且，斜拉索的低频段很低，常与桥面板或桥塔基频耦合，导致实测加速度数据处理结果中谱曲线上最突出的峰值对应的频率可能不是索的基频，而是多个高阶频率。肖昌量[肖昌量.提高频谱法测量斜拉桥索力精度的方法[J]世界桥梁，2011，(02)]一文中指出，斜拉索自振频率与阶数n之比有随n值缓慢增大的规律，这说明了频谱曲线上相邻峰值对应的频率差值并不完全相等，而且往往都不一定等于基频。因此，通过频差法确定的拉索基频值存在较大误差。

频谱细化技术近年来发展迅速，在分析精度、计算效率、分辨率、灵活性等方面，都有了很大提高。其中，基于Zoom-FFT策略是一项行之有效的方法，得到了比较广泛的应用。伍昕等[伍昕，刘岩，何耀，冯冠平.选带细化频谱分析在超声波流量测量中的应用[J]测控技术学报，2006，20(2)]实验分析表明，1024点Zoom-FFT算法在选定频带范围内与16384点FFT有相近的分辨率。因此，在传统FFT分析方法的基础上，采用Zoom-FFT算法，通过振动频率法对斜拉索索力进行测量，可获得更高精度的基波频率，将有助于提高斜拉索索力推测的精确度。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供一种更为精确识别斜拉桥索振动基波频率及索力的测定方法。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现：该斜拉桥索基波频率及索力的测定方法，包括如下步骤：

(1)对实测拉索振动信号进行自功率谱分析，读取频谱图中各峰值所对应的频率值，通过频差法获得斜拉索近似基频值f_c1；

(2)读取频谱图中最大峰值所对应的频率值，求得最大峰值处所对应的阶数，再次获得近似基频值f_c2；

(3)基于Zoom-FFT算法，对选定频段范围进行频谱细化分析，确定该频段最高峰值所对应的频率值，即为基频f₀；

(4)将基频值f₀代入弦振动公式，确定斜拉索索力。

具体的，步骤(1)所述频差法的具体过程是，读取频谱图中各峰值所对应的频率值f_i,f_j,…,f_n，按照频率值从小到大的顺序排列，对相邻波峰做差，得到Δf₁，Δf₂，…Δf_n；然后，计算多个频率差值的平均值，即为近似基频值 $f_{c1}=\frac{{\mathrm{\Δf}}_1+{\mathrm{\Δf}}_2+...+{\mathrm{\Δf}}_n}{n}.$

具体的，步骤(2)所述再次获得近似基频值f_c2的具体过程是，读取频谱图中最大峰值所对应频率值f_k，求得最大峰值处所对应的阶数然后，确定近似基频值

具体的，步骤(3)所述的基于Zoom-FFT算法，对选定频段范围进行精细频谱分析，其中选频段范围是：起始处为min(f_c1,f_c2)-5*abs(f_c1-f_c2)，结束处为max(f_c1,f_c2)+5*abs(f_c1-f_c2)。

具体的，步骤(4)所述弦振动公式为：T＝4ρL²f₀ ²；

式中，ρ为斜拉索单位长度质量，单位：kg/m；L为索的计算长度，单位：m；f₀为斜拉桥索振动基波频率值，单位：Hz。

本发明的有益效果体现在：

(1)基于Zoom-FFT算法，提高了斜拉桥索基波频率的识别精度，大大降低了索力测试中无法精确识别斜拉索基频值的难度，将更加高效的应用于斜拉桥索力检测工业现场。

(2)本发明计算索力采用弦模型计算公式，也有学者考虑到斜拉索的抗弯刚度、减震器、环境因素等情况，提出了斜拉索索力测量修正公式。本发明所述方法，同样适用于修正的弦模型公式。

(3)本发明所述方法，可为通过振频法测量斜拉索索力的科研工作者，提供一种可以提高斜拉桥索振动基波频率识别精度的方法，该方法不需要复杂的判断与处理过程，可操作性强。

附图说明

图1为本发明实施例斜拉桥立面结构布置图。

图2为图1所示实施例中27号塔J12号拉索的加速度时域图。

图3为图1所示实施例中27号塔J12号拉索的振动信号自功率谱图。

图4为图1所示实施例中27号塔J12号拉索经过Zoom-FFT算法获得的选带频谱细化图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

本实施例斜拉桥索基波频率及索力的测定方法，包括如下步骤：

第一步，对实测拉索振动信号进行自功率谱分析，读取频谱图中各峰值所对应的频率值f_i,f_j,…,f_n，按照频率值从小到大的顺序排列，对相邻波峰做差，得到Δf₁，Δf₂，…Δf_n；然后，计算多个频率差值的平均值，初步确定近似基频值 $f_{c1}=\frac{{\mathrm{\Δf}}_1+{\mathrm{\Δf}}_2+...+{\mathrm{\Δf}}_n}{n};$

第二步，读取频谱图中最大峰值所对应频率值f_k，求得最大峰值处所对应的阶数再次确定近似基频值

第三步，基于Zoom-FFT算法，对从min(f_c1,f_c2)-5*abs(f_c1-f_c2)到max(f_c1,f_c2)+5*abs(f_c1-f_c2)频段范围进行精细频谱分析，确定该频段最高峰值所对应的频率值，即为斜拉桥索振动基波频率值f₀；

第四步，带入弦振动公式：T＝4ρL²f₀ ²，确定斜拉索索力。

式中，ρ为斜拉索单位长度质量(单位kg/m)，L为索的计算长度(单位m)。f₀为斜拉桥索振动基波频率值(单位Hz)。

下面通过具体实例对本发明的方法进行验证。

以湘潭三大桥为例进行分析。该桥为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，跨径组合为(133+270+133)m。主梁桥面板宽24m，标准节段长8m，斜拉索呈扇形布置，由冷铸锚具、斜拉索体组装而成。其中斜拉索体采用塑包平行钢丝束，钢丝采用φ7镀锌高强钢丝，护套采用双层，内层为黑色高密度聚乙烯，外层为彩色高密度聚乙烯。每个塔扇形索面16对索，分为江侧索、岸侧索，分别用字母J和A表示，1号索为最短索，16号索为最长索，每个索号对应上下游各两根拉索。该斜拉桥立面结构布置图如图1所示，下表1为拉索基本参数。

表1

索号	拉索直径(mm)	拉索索长(m)	每米索重(kg)
				J12	128	124.45	53.2
J13	130	132.27	64.5
				J15	143	155.24	77.7

本发明使用湘潭天鸿检测科技有限公司研制的TH-403型拉索索力测试仪，作为本发明实施例测试仪器。实验参数设置为：采样频率F_s＝100Hz，采样长度A＝16K。

为了比较，本实施例分别利用频差法、赵作周等[赵作周，孙洪波.一种振动方法测试斜拉桥索力时确定拉索基波频率的方法：中国，201110415379.9[P].2011-12-13]提出的综合频差法和本发明方法对上述斜拉桥中的J12、J13和J16号斜拉索的测试结果进行分析计算，索力求解均采用弦模型公式计算。

按照本发明所提出方法的计算流程，对三根索的实测加速度数据进行分析处理。

图2所示是J12号拉索的时域曲线，图3所示是其振动信号自功率谱图，图4所示是其经过Zoom-FFT算法获得的选带频谱细化图。首先，从图3中确定各波峰明显处所对应的频率值，分别为f_a＝1.177Hz，f_b＝2.198Hz，f_c＝3.276Hz，f_d＝4.315Hz，f_e＝5.373Hz，f_f＝6.481Hz，f_g＝7.784Hz。其次，根据频差法计算近似基频值f_c1，其次，确定最大峰值所对应的阶数N，然后，再次计算近似基频值f_c2，之后，确定频谱细化范围，起始处为min(f_c1,f_c2)-5*abs(f_c1-f_c2)＝0.98Hz,结束处为max(f_c1,f_c2)+5*abs(f_c1-f_c2)＝1.2Hz,在所选频段使用Zoom-FFT算法，得到选带频谱细化图4，其峰值最明显处所对应的频率值即为斜拉桥索振动基波频率值f₀，f₀＝1.058Hz，从而预测索力为T＝4ρL²f₀ ²＝4*53.2*124.45²*1.058²＝3689KN，与拉索设计索力3705KN之间的相对误差仅为0.43％。

下表2为三种方法预测索力与设计索力值对比。

表2

从表2可以看出，频差法推测的索力最大误差接近8％，综合频差法推测的索力误差可以控制在4％以内，本发明提出的频谱细化法推测的索力误差均控制在2％以内。这说明本发明提出的方法充分利用了频谱图，通过频谱细化方法获得的基波频率更加准确，推测的索力误差明显减小。

Claims (5)

1.一种斜拉桥索基波频率及索力的测定方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)对实测拉索振动信号进行自功率谱分析，读取频谱图中各峰值所对应的频率值，通过频差法获得斜拉索近似基频值f_c1；

(2)读取频谱图中最大峰值所对应的频率值，求得最大峰值处所对应的阶数，再次获得近似基频值f_c2；

(3)基于Zoom-FFT算法，对选定频段范围进行频谱细化分析，确定该频段最高峰值所对应的频率值，即为基频f₀；

(4)将基频值f₀代入弦振动公式，确定斜拉索索力。

2.根据权利要求1所述斜拉桥索基波频率及索力的测定方法，其特征在于：步骤(1)所述频差法的具体过程是，读取频谱图中各峰值所对应的频率值f_i,f_j,…,f_n，按照频率值从小到大的顺序排列，对相邻波峰做差，得到Δf₁，Δf₂，…Δf_n；然后，计算多个频率差值的平均值，即为近似基频值 $f_{c1}=\frac{{\mathrm{\Δf}}_1+{\mathrm{\Δf}}_2+...+{\mathrm{\Δf}}_n}{n}.$

3.根据权利要求1所述斜拉桥索基波频率及索力的测定方法，其特征在于：步骤(2)所述再次获得近似基频值f_c2的具体过程是，读取频谱图中最大峰值所对应频率值f_k，求得最大峰值处所对应的阶数然后，确定近似基频值 $f_{c2}=\frac{f_k}{K}.$

4.根据权利要求1所述斜拉桥索基波频率及索力的测定方法，其特征在于：步骤(3)所述的基于Zoom-FFT算法，对选定频段范围进行精细频谱分析，其中选频段范围是：起始处为min(f_c1,f_c2)-5*abs(f_c1-f_c2)，结束处为max(f_c1,f_c2)+5*abs(f_c1-f_c2)。

5.根据权利要求1所述斜拉桥索基波频率及索力的测定方法，其特征在于：步骤(4)所述弦振动公式为：T＝4ρL²f₀ ²；

式中，ρ为斜拉索单位长度质量，单位：kg/m；L为索的计算长度，单位：m；f₀为斜拉桥索振动基波频率值，单位：Hz。