CN105865695A - 一种利用gps接收机测量斜拉桥拉索张力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用GPS接收机测量斜拉桥拉索张力的方法，属于桥梁工程领域。斜拉桥拉索的张力是斜拉桥结构状态的重要参数，无论是施工或是运营过程中，都必须精确测量，以便在需要的情况下，通过调整拉索张力优化结构的受力状态。目前常用的索力测量方法为频率法，运营中的斜拉桥，因拉索端部的套筒内有阻尼垫圈，限制了频率法的应用，若拆除垫圈再测量则费时费力。本发明中机器人携带GPS接收机沿拉索爬行，得到同一根拉索上长度方向三个不同点的相对位置，即可利用拉索的线形解析解，求得拉索张力。本方法的实施操作简单，速度快捷，中断交通时间短，结果不受拉索端部条件的限制，适用于成桥状态端部安装有阻尼垫圈的拉索，也适用于测量施工中斜拉桥的拉索张力，及其他结构中的绳缆张力。

Description

一种利用GPS接收机测量斜拉桥拉索张力的方法

技术领域

本发明涉及一种利用GPS接收机测量斜拉桥拉索张力的方法，属于桥梁工程领域。

背景技术

拉索是斜拉桥的主要受力构件之一，其拉索张力的大小直接影响桥梁结构的内力和变形状态，拉索的工作状态是衡量斜拉桥是否处于正常营运状态的重要标志之一。通常斜拉索的索力状态确定后，主梁和塔柱的内力状态也随之而确定。因此，准确掌握运营期间斜拉桥拉索索力状态是非c常重要的，通过对斜拉索索力的监测，能够获得斜拉桥整体结构工作状态的信息，它不仅为斜拉桥的索力分布分析、结构运营期间的状态评估以及养护管理提供参考依据，而且对桥梁的整体健康状况做出评价均有着重要意义。

实际工程中常用的索力测试方法有：油压表读数法、荷载传感器测量法、磁通量法以及振动频率法等。油压表读数法一般应用于施工期间，且精度较低；荷载传感器测量法需要在拉索端部放置压力传感器，该传感器长期使用状态下的稳定性较差，且与制作工艺关系较大，该方法投入较大；磁通量法为新技术，需要的投入也较大，长期性能有待观察；振动频率法是利用精密拾振器，拾取拉索在激励下的振动信号，经过消除趋势项、采样数据的平滑处理和数字滤波等预处理后，利用数值分析的方法进行拉索自振频率的识别，然后根据自振频率与索力的关系确定索力。用频率法测定索力方便快捷，适应多种工况，设备可重复使用，且测量精度能够满足工程应用要求，因此频率法已经成为目前对施工及运营期间的斜拉桥索力测试的最佳选择。

运营中的斜拉桥，因拉索端部的套筒内有阻尼垫圈，限制了频率法的应用。若拆除垫圈再测量则费时费力，影响交通。若不拆除垫圈，则需要根据经验修正拉索的计算长度，带来一定的误差，且该误差与索的长短有关，各索的不尽相同。因此，运营中的斜拉桥，急需一种不拆除阻尼垫圈的且快速的索力测量方法。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的不足和问题，提供了一种利用GPS接收机测量斜拉桥拉索张力的方法。该方法提供的技术方案为，可沿拉索爬行的机器人携带有GPS接收机，遥控机器人沿一根拉索爬行，在不少于三个位置处停留，停留期间接收空间位置信息，计算得到相应位置处拉索中心线上一个测点的位置信息，进而得到这些测点在水平和竖直方向的相对距离，基于其中的三个测点，利用拉索的线形方程，计算得到拉索状态参数，进而得到该拉索的张力的一个计算值，对该拉索每三个测点进行一次组合，可得到该拉索张力的多个计算值，该拉索的张力取其所有计算值的平均值。该方案对索力的计算是基于拉索的解析解答，拉索在两点固定后，只需要另外一个状态量就可确定该拉索的状态。该状态量可以是索端部的倾角，可以是索中的张力，可以是索上任一点处的垂度等，为求出索的张力，确定索上的三个点即可。本专利即利用该特性给出张力求解方案。随着科技的发展，小型机器人技术得到不断的提高，可制作小型的爬索机器人，使其携带GPS接收机，可测量得到索上各点的空间坐标。电离层对于GPS 信号的影响主要体现在其信号的频率上，通过不同的频率的电测波观测可以确定该影响，进而修正观测值，因此应优先选择双频GPS接收机。基于WGS-84坐标的前提下，借助于GPS测量技术，可以更易取得到更高的相对精度，同时若采取了得当的观测方法，再借助于一定的数据处理技术手段，以及在附近基准站的协助下，在经由网平差之后，GPS点的相对定位精度便可以达到毫米级，更精准的甚至可以达到亚毫米级，进而满足精密工程测量在精度方面提出的严格要求。

进一步地，机器人上同时安装有倾角仪，可测得机器人躯体此时的倾角。因拉索在其自重作用下有一定的垂度，拉索中沿索长方向各处的倾角不同，倾角在连续变化，引起攀爬中机器人的姿态也不断变化，当倾角仪测得机器人的姿态后，根据其与GPS接收机悬吊杆直接的构造关系，即可建立GPS接收机的测点与此时拉索中心线上对应测点之间的几何关系，从而可根据GPS接收机得到的位置信息得到拉索中心线上对应测点的位置信息。

进一步地，机器人有两个中部下凹的滚轮，下凹曲线与拉索的圆形横截面相一致，到达停留位置，所有的机械手都抱紧拉索，从而使机器人与拉索间紧密接触。这是设计的机器人爬行方式，因拉索表面比较光滑，设计的机器人有四个机械臂，机械手呈弧状，便于勾住拉索，行走过程中只有一个机械臂脱离索表面，另外三个机械臂使机器人躯体压向拉索，此时滚轮轴转动，带动机器人继续爬行。

进一步地，所选择的机器人停留位置距离拉索端部不少于3米。这是基于斜拉索在端点附近及阻尼垫圈附近具有梁效应，因拉索本身具有一定的刚度。在离开拉索两个锚固点一定距离后，其中部的拉索才完全表现为索效应，即可视为无弯曲刚度的悬链线。

在桥头建立GPS基准站，机器人在拉索上停留期间，基准站向GPS接收机发送空间位置修正信息。在基准站的配合下，GPS接收机得到的位置信息可以得到修正，从而使各测点之间的间距精确到毫米级，从而可精确地重构拉索线形。

机器人自带计算处理功能，在对一根拉索测量结束后，将该拉索的张力显示在其液晶屏上或传输到手机端。使用机器人的初级阶段是爬行机器人只负责将接收的位置信息传回接受装置，如笔记本电脑，其它分析功能利用电脑内的软件完成。随着计算硬件的小型话，可使机器人具有计算功能，除接收信息外，还完成拉索上测点位置的计算，并完成对索力的计算，并将最终结果传到手机上，实现实时索力测量功能。

随着制作技术的发展，爬索机器人的体积越来越小，GPS接收机的重量也在不断减小，这使得二者的总重量也不断减小。采用高强复合材料或轻质金属合金材料，使测量时施加在拉索上的外力减小，从而减小对测量结果的影响。

本发明给出的方案不仅可用于测量成桥状态的拉索，同样可用于测量施工中的拉索，也适用于电力线等其他结构中绳缆的拉力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）对处于成桥状态斜拉桥的索力的测量，不需拆除拉索端部套筒内的阻尼垫圈，加快测量进度；

（2）无需知道拉索的两个锚固点的坐标，根据索上至少三个点的坐标，即可计算得到索力，大幅度地减小了测量前的准备工作；

（3）测量过程中自动化程度较高，方便快捷。

附图说明

图1 本专利实施时的现场作业示意图；

图2 拉索的测点示意图；

图3 爬索机器人的滚轮剖面示意图；

图中标识：1-拉索，2-机器人躯干，3-悬吊杆，4-GPS接收机，5-右前臂，7-1-测点1，7-2-测点2，7-3-测点3，7-4-测点4，8-右后臂，9-右前手，10-右后手，11-前滚轮，12-后滚轮，13-轮轴，14-轮体。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案进行了描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

本实施例对应的示意图见图1、图2和图3。本实施例中的拉索(1)为斜拉桥中斜拉索的简称，为测量斜拉桥中各拉索（1）的张力，利用爬索机器人携带GPS接收机（4）沿拉索（1）爬行，以测得拉索（1）各测点的相对位置。爬索机器人的机器人躯干（2），可伸缩的四个机械臂（包括左前臂、右前臂（5）、左后臂和右后臂（8）),及与各机械臂相连接的机械手（包括左前手、右前手（9）、左后手和右后手（10））、前滚轮（11）、后滚轮（12）。GPS接收机（4）通过悬吊杆（3）与机器人躯干（2）相铰连接。各机械手内侧为橡胶材料，接触拉索时可增加与拉索表面的摩擦力。机械臂可伸缩，从而实现各机械手的交替爬行。在爬行过程中，机器人躯干（2）内的电机与机械臂的伸缩相配合，驱动前滚轮（11）和后滚轮（12），使机器人爬行。滚轮由轮轴（13）和包括在轮轴（13）上的轮体（14）组成，后者为橡胶材料制作而成。轮体（4）中部呈下凹状，下凹的外表面与接触部分的拉索表面相吻合。测量开始后，机器人先从桥面端套筒上方开始爬行，爬行超过2米后，停留5分钟。停留期间，可伸缩机械臂适当收缩，使机器人的前滚轮（11）和后滚轮（12）与拉索（1）紧密接触，GPS接收机（4）接收卫星信号并将其传送给笔记本电脑，笔记本电脑同时接收设置在桥头的基准站的信号，并利用它对机器人携带的GPS接收机（4）的测点的相对坐标进行修正，从而提高其精度。再根据机器人所携带的倾角仪知道机器人此时的姿态，从而根据几何关系，推算出拉索中线上一点的三维坐标。爬索机器人继续爬行，并停留进行测量。如此作业，可得到拉索（1）中4个测点（包括测点1（7-1）、测点2（7-2）、测点3（7-3）、测点4（7-4））的三维相对坐标，并进而得到这4个测点间的相对间距。取测点1（7-1）、 测点2（7-2）和测点3（7-3）三个点，求解即可得到拉索的各个状态量，从而得到该拉索张力的1个计算值；取测点1（7-1）、 测点2（7-2）和测点4（7-4）三个点，同样可得到该拉索张力的又1个计算值；取测点2（7-2）、 测点3（7-3）和测点4（7-4）三个点，同样可得到该拉索张力的又1个计算值。拉索（1）的张力取三个计算值的平均值。

Claims (6)

1.一种利用GPS接收机测量斜拉桥拉索张力的方法，其特征在于：可沿拉索爬行的机器人携带有GPS接收机，遥控机器人沿一根拉索爬行，在不少于三个位置处停留，停留期间接收空间位置信息，计算得到相应位置处拉索中心线上一个测点的位置信息，进而得到这些测点在水平和竖直方向的相对距离，基于其中的三个测点，利用拉索的线形方程，计算得到拉索状态参数，进而得到该拉索的张力的一个计算值，对该拉索每三个测点进行一次组合，可得到该拉索张力的多个计算值，该拉索的张力取其所有计算值的平均值。

2.根据权利要求1所述的一种利用GPS接收机测量斜拉桥拉索张力的方法，其特征在于：机器人上同时安装有倾角仪，可测得机器人躯体此时的倾角。

3.根据权利要求2所述的一种利用GPS接收机测量斜拉桥拉索张力的方法，其特征在于：机器人有两个中部下凹的滚轮，下凹曲线与拉索的圆形横截面相一致，到达停留位置，所有的机械手都抱紧拉索，从而使机器人与拉索间紧密接触。

4.根据权利要求3所述的一种利用GPS接收机测量斜拉桥拉索张力的方法，其特征在于：所选择的机器人停留位置距离拉索端部不少于3米。

5.根据权利要求1所述的一种利用GPS接收机测量斜拉桥拉索张力的方法，其特征在于：在桥头建立GPS基准站，机器人在拉索上停留期间，基准站向GPS接收机发送空间位置修正信息。

6.根据权利要求1所述的一种利用GPS接收机测量斜拉桥拉索张力的方法，其特征在于：机器人自带计算处理功能，在对一根拉索测量结束后，将该拉索的张力显示在其液晶屏上或传输到手机端。