CN105823591A - 一种含复杂边界的在役拱桥短吊杆张力识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含复杂边界的在役拱桥短吊杆张力识别方法，包括以下步骤：设置等效边界；建立振动等效模型；测试自然振动频率；识别振动等效模型的张力。本发明提供了一种提高测试精度的基于振动等效模型和智能算法的张力测试方法，通过人为界定吊杆边界位置、模拟吊杆边界建立振动等效模型，以实测振动频率采用智能算法识别振动等效模型的张力，实现张力识别目的。

Description

一种含复杂边界的在役拱桥短吊杆张力识别方法

技术领域

本发明涉及一种在役拱桥短吊杆的张力测试方法及流程。本发明的主要应用领域包括土木工程、公路及铁路交通基础设施建设以及管理等。

背景技术

桥梁工程中，高强度钢丝索作为受拉构件使用，不但可以充分发挥高强度材料的使用效率，同时可方便桥梁的设计和施工。钢丝索自19世纪首次在桥梁中使用以来，已广泛应用于拱桥、斜拉桥和悬索桥结构。

拱桥吊杆中的高强度钢丝索张力是评估桥梁健康状态、施工质量的重要依据，准确识别吊杆张力是确保桥梁结构使用安全和延长其使用寿命的前提。目前，国内外常用的张力测定方法主要有压力传感器法、液压千斤顶法、振动频率法、磁通量法等几种。振动频率法是根据吊杆张力和振动频率之间的关系通过计算模型从频率间接得到张力，是用振动测试仪器测试吊杆在环境振动或者强迫激励下的时程数据，经过频谱分析得到吊杆的振动频率，再利用吊杆自振频率与张力之间的关系算出张力。这种方法具有操作方便、成本低及适合日常检测等优点，是目前应用最为广泛的一种索力测试技术。但是传统的方法是忽略吊杆弯曲刚度和边界约束的影响，张力作为唯一的未知数进行参数识别。在役拱桥中，有不少吊杆的长度相对较短(如5m以下)，其弯曲刚度、转动刚度以及边界约束对振动频率的影响不可忽略，在张力识别时需要考虑这些因素的影响。然而，采用高强度钢丝的吊杆弯曲刚度、边界条件的不确定导致既有振动频率法测试短吊杆张力存在精度低的问题。因此，需要进一步改进吊杆张力测试方法，提高测试精度，以满足实际工程安全管理的需要。

发明内容

针对目前在役拱桥短吊杆张力测试存在的问题，本发明提供了一种一种含复杂边界的在役拱桥短吊杆张力识别方法，能够提高在役拱桥短吊杆的张力识别精度，简化张力识别过程。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种含复杂边界的在役拱桥短吊杆张力识别方法，包括以下步骤：

(1)在吊杆的适当位置设置等效边界；

(2)模拟吊杆边界建立振动等效模型；

(3)测试吊杆的自然振动频率；

(4)采用智能算法识别振动等效模型的张力。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：所述步骤(2)中，对于上下端设置减震装置的吊杆，用转动刚度及侧移刚度模拟两端实际边界约束条件，以上下端减震装置之间的长度建立吊杆的振动等效模型。

所述步骤(2)中，对于采用叉耳式锚固的吊杆，上锚头、下锚头以及调节套筒近似刚臂，以上下端锚固点之间的长度建立吊杆的振动等效模型。

为了考虑短吊杆弯曲刚度、边界条件等对张力识别结果的影响，以多阶实测吊杆振动频率与振动等效模型的理论振动频率一致为优化目标，应用智能算法搜索振动等效模型的最优吊杆张力及弯曲、边界刚度组合参数，从而得到吊杆的张力，实现短吊杆张力识别的目的。

为了提高张力识别精度和提高识别计算效率，根据吊杆的基频以及长度、吊杆直径等其他已知条件，自动设定参数的搜索区域。设定范围的参数包括上下端转动刚度，侧移刚度，弯曲刚度以及吊杆张力。其具体参数范围的设定基于经典弦理论解以及工程经验，如式(1)、(2)所示。通过这种方法，高效，准确识别在役短吊杆的张力。

$\left\{\begin{array}{ccc}EI\∈c_1{\mathrm{EI}}_0,& with& c_1=\[0.3,1.0\]\\ T\∈c_2{T}_0,& with& c_2=\[0.2,1.0\]\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{ccc}{K}_{L1}\∈{\mathrm{\ξ}}_1{\mathrm{EI}}_0/l,& with& {\mathrm{\ξ}}_1=\[0.01,500.0\]\\ K_{T1}\∈{\mathrm{\ξ}}_2{\mathrm{EI}}_0/l,& with& {\mathrm{\ξ}}_2=\[0.01,500.0\]\\ K_{L2}\∈{\mathrm{\η}}_1{T}_0/l,& with& {\mathrm{\η}}_1=\[0.01,500.0\]\\ K_{T2}\∈{\mathrm{\η}}_2{T}_0/l,& with& {\mathrm{\η}}_2=\[0.01,500.0\]\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，EI、EI₀分别表示吊杆待测弯曲刚度参数以及按照吊杆换算截面计算得到的弯曲刚度；T、T₀分别表示吊杆待测张力参数以及按照经典弦理论计算得到的吊杆张力值；K_L1、K_T1、K_L2、K_T2分别表示待测上下端转动及侧移刚度；c₁、c₂、ξ₁、ξ₂、η₁、η₂分别表示以上参数各自的搜索范围界限系数。

本发明的原理如下：用吊杆上下端减震装置间距离作为端部埋入拱肋的吊杆的计算长度，或选择调节型双耳内选套筒锚头间的净距作为吊杆计算长度，在边界上模拟等效转动刚度和弯曲刚度，建立吊杆振动的等效模型，如图1所示。为此，本发明采用以下技术方案：它包括模拟人工边界，建立吊杆等效边界条件，采用分离变量法建立短吊杆的弯曲刚度、边界刚度与张力之间的对应方程组，测试吊杆的振动频率并基于智能算法求解超越方程，识别服役短吊杆的张力。

下面阐述根据频率推算张力的计算理论。

受拉力的吊杆弯曲自由振动方程为：

$EI\frac{{\∂}^{4}v(x,t)}{{\∂}^{4}x}-T\frac{{\∂}^{2}v(x,t)}{{\∂}^{2}x}+m\frac{{\∂}^{2}v(x,t)}{\∂t^2}=0---\left(3\right)$

式中，x为吊杆轴向坐标，v为吊杆侧向振动，t为时间。上述方程的特征值问题为求解下列超越方程：

G(T,EI,K_T1,K_T2,K_L1,K_L2,ω)＝0(4)

式中G为超越方程的函数。

为了求解未知量，将吊杆的实测自振频率代入式(4)，有

$\left\{\begin{array}{c}G(T,EI,K_{T1},K_{T2},K_{L1},K_{L2},{\mathrm{\ω}}_1)=0\\ G(T,EI,K_{T1},K_{T2},K_{L1},K_{L2},{\mathrm{\ω}}_2)=0\\ .\\ .\\ .\\ G(T,EI,K_{T1},K_{T2},K_{L1},K_{L2},{\mathrm{\ω}}_j)=0\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，ω_i为各阶实测的吊杆自振频率。

方程(5)为超越方程的联立方程组，且由于特征值问题的逆计算解为不唯一以及频率测试结果难免存在误差，从中得到张力和频率之间的显式表达式是非常困难的。为此，本发明采用智能算法根据吊杆振动实测频率识别张力的方法。采用现有的优化启发式智能算法，通过对多个输入参数，如等效边界刚度、弯曲刚度和张力的识别来搜索最优张力。

本发明的有益效果是：本发明针对在役短吊杆边界复杂的问题，提出采用吊杆的振动等效模型综合考虑边界约束的影响，基于实测基频及任意阶吊杆振动频率，利用智能算法以及振动等效模型从实测自振频率求解短吊杆的张力。本发明提供了一种提高测试精度的基于振动等效模型和智能算法的张力测试方法，通过人为界定吊杆边界位置、模拟吊杆边界建立振动等效模型，以实测振动频率采用智能算法识别振动等效模型的张力，实现张力识别目的。

附图说明

图1是本发明实施例1的等效振动模型，针对拱肋埋入式吊杆。

图2是本发明实施例2的等效振动模型，针对叉耳式吊杆。

图中，E表示吊杆的弹性模量，A为截面积，I为截面惯性矩，l为长度，m为吊杆的单位长度质量，T为吊杆张力，K_T1、K_L1为吊杆上下两端的转动约束刚度，K_T2、K_L2为吊杆上下两端的侧向变形约束刚度。

具体实施方式

本发明的现场实测共分为三个部分：首先对指定短吊杆现场测量其基频及任意阶次频率，同时测量短吊杆上下两端减震装置间距离，一般为吊杆拱肋下端至桥面板上端距离作为等效振动模型长度l；同时在上、下端阻尼器(减震装置)位置各设置边界，包括用弯曲弹簧模拟的边界转动刚度K_T1以及用拉压弹簧模拟的侧移刚度K_T2；吊杆本身的弯曲刚度EI也作为等效模型参数识别。根据等效振动模型中的待识别参数以及实测频率值，采用优化启发式智能算法求解方程组5，从而测试得到吊杆张力。结果如表2所示，表中T₁为本方法推算的张力；f为实测频率；T₀为按弦理论推算的张力(即按传统的张力测试方法得到的结果)；T为漂浮体系拱桥的吊杆张力设计值；δ为标定值与本方法结果的比值。从表中的6组数据可知，有4组索力测试精度在100％左右，其余精度也均超过90％。因此，使用本发明测试方法得到的短吊杆张力结果具有较高的精度。

表1在役拱桥短吊杆实测频率值

表2在役拱桥短吊杆张力测试精度的验证

Claims (5)

1.一种含复杂边界的在役拱桥短吊杆张力识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）在吊杆的适当位置设置等效边界；

（2）模拟吊杆边界建立振动等效模型；

（3）测试吊杆的自然振动频率；

（4）采用智能算法识别振动等效模型的张力。

2.如权利要求1所述的一种含复杂边界的在役拱桥短吊杆张力识别方法，其特征在于：所述步骤（2）中，对于上下端设置减震装置的吊杆，用转动刚度及侧移刚度模拟两端实际边界约束条件，以上下端减震装置之间的长度建立吊杆的振动等效模型。

3.如权利要求1所述的一种含复杂边界的在役拱桥短吊杆张力识别方法，其特征在于：所述步骤（2）中，对于采用叉耳式锚固的吊杆，上锚头、下锚头以及调节套筒近似刚臂，以上下端锚固点之间的长度建立吊杆的振动等效模型。

4.如权利要求1所述的一种含复杂边界的在役拱桥短吊杆张力识别方法，其特征在于：为了考虑短吊杆弯曲刚度、边界条件等对张力识别结果的影响，以多阶实测吊杆振动频率与振动等效模型的理论振动频率一致为优化目标，应用智能算法搜索振动等效模型的最优吊杆张力及弯曲、边界刚度组合参数，从而得到吊杆的张力，实现短吊杆张力识别的目的。

5.如权利要求1所述的一种含复杂边界的在役拱桥短吊杆张力识别方法，其特征在于：根据吊杆的基频以及长度、吊杆直径等其他已知条件，自动设定参数的搜索区域。设定范围的参数包括上下端转动刚度，侧移刚度，弯曲刚度以及吊杆张力。