CN106383003B - 基于柔度识别的索结构索力的测量方法及测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一种基于柔度识别的索结构索力的测量方法及测量系统，其中测量方法包括：首先，获取作用在索结构上的冲击力的时程信号和在冲击力作用下的加速度响应信号；其次，通过获取的冲击力的时程信号和加速度响应信号识别索结构的柔度矩阵；最后，在索结构的柔度识别出来之后，对柔度求逆得到索结构的总刚度，利用索力与所识别出的总刚度之间的对应关系得到最终的索力。本发明利用索结构的索力与刚度之间的线性关系进行索力和物理刚度的识别，为短索的索力测试提供一种稳定可靠度的监测方法。

Description

基于柔度识别的索结构索力的测量方法及测量系统
技术领域
本发明涉及结构健康监测技术领域，具体是一种索结构索力的监测方法及系统。
背景技术
拉索作为拱桥、斜拉桥和悬索桥中的关键承重构件，在桥梁结构的安全中的作用非常重要，索力大小直接影响桥梁上部结构的受力和变形状态。桥梁运营后，由于受环境条件和交通荷载的作用桥梁拉索会有损伤，导致索力发生变化。因此，定期对桥梁拉索索力测试是一个关键的问题。
目前主要的拉索索力测试方法包括压力传感器法、压力表读数法、张拉千斤顶测定法、磁通量法以及振动频率法。压力传感器法和压力表读数法在适用性、操作性上不适合在役拉索索力的测量，张拉千斤顶测定法适用于张拉过程中的索力测试，磁通量法需要预埋电磁传感器。振动频率法由于操作简单且具有较高的识别精度，是目前应用最多的索力测试方法。振动法一般是通过将拉索模拟为两端固定的张紧弦模型或轴向受力的欧拉梁模型，建立索力与振动频率之间的理论数学关系计算索力。实际索结构与理论模型的不一致之处构成了公式的适用范围。影响索力识别的因素主要有：1，边界条件，2、横截面刚度，3、垂度，4、斜度等。在竖直短索中，垂度和斜度的影响可以忽略不计，但是横截面刚度和边界条件难以确定。实际吊索的边界条件既不是不是铰支也不时严格的固支，锚头并不能起到严格固定索的作用；吊索是由多股绞线组成，横截面刚度不等于几何抗弯刚度。而且边界条件和抗弯刚度的影响在短索索力振动测试中影响显著，造成基于频率法识别的精度较差。
发明内容
针对上述方法与技术存在的不足，本发明提供了一种基于结构柔度识别的短索索力测试方法，目的在于实现短索的索力和物理刚度的精准识别。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于柔度识别的索结构索力的测量方法，其特征在于：首先，获取作用在索结构上的冲击力的时程信号和在冲击力作用下的加速度响应信号；其次，通过获取的冲击力的时程信号和加速度响应信号识别索结构的柔度矩阵；最后，在索结构的柔度识别出来之后，对柔度求逆得到索结构的总刚度，利用索力与所识别出的总刚度之间的对应关系得到最终的索力，其中索力与所识别出的总刚度之间的对应关系为：
K＝AT+K0
其中，K为总刚度矩阵，T为索力，A为索力为单位1时索结构的几何刚度矩阵；K0为索结构的物理刚度矩阵。
索力与总刚度的对应关系的获取方法是：在吊索张拉阶段，在利用至少两个不同的张拉力作用下的测试点，对索结构进行索结构的柔度识别，从而获得至少两个总刚度与相对应的索力值的对应关系，利用最小二乘法线性拟合总刚度矩阵K与索力T之间的关系式。
测试点连线的延长线与纵坐标的交点为结构的物理刚度K0。
一种基于柔度识别的索结构索力的测量系统，其特征在于：包括监测装置、冲击装置以及数据处理装置，所述监测装置包括设置在索结构上的加速度传感器，所述冲击装置对所述索结构进行冲击力加载，所述数据处理装置根据输入的所述冲击装置加载在所述索结构上冲击力的时程信号和加速度传感器获取的加速度响应信号进行处理得到索结构的索力，所述数据处理装置的处理过程为：通过获取的冲击力的时程信号和加速度响应信号识别索结构的柔度矩阵；最后，在索结构的柔度识别出来之后，对柔度求逆就得到索结构的总刚度，利用索力与所识别出的总刚度之间的对应关系得到最终的索力，其中索力与所识别出的总刚度之间的对应关系为：
K＝AT+K0
其中，K为总刚度矩阵，T为索力，A为索力为单位1时索结构的几何刚度矩阵；K0为索结构的物理刚度矩阵。
所述加速度传感器为无线加速度传感器。
所述无线加速度在索结构上均匀间隔布置。
本发明一种基于柔度识别的索力和物理刚度的快速测试方法，包括索结构索力的识别和物理刚度的识别。根据张拉阶段的柔度测试识别索结构的物理刚度；在桥梁运营阶段的结合张拉阶段的运行阶段的索力测试识别索力。为短索的物理刚度和索力测试提供一种稳定可靠度的监测方法。
1.索结构快速测试与柔度识别
本发明提出的基于柔度识别的索力和物理刚度的快速测试方法，其索结构的快速测试与柔度识别是通过快速布置基于无线加速度计的监测系统完成冲击振动测试，利用子空间柔度识别算法识索结构的柔度，对柔度求逆得到结构当前状态下的刚度，从而为建立刚度与索力之间的关系曲线提供基础。
成桥的张拉阶段的测试至少要进行不同索力下的两次索力的快速测试与柔度识别，得到不同索力与刚度之间的对应关系。
快速测试方法，包括在桥梁结构的吊索安装加速度健康监测系统，利用力锤敲击节点位置处，并利用数据采集系统记录力锤的锤击力和加速度计的响应。
快速布置健康监测系统进行测试与柔度识别方法，包括以下步骤：
步骤一：快速布置监测系统：利用无线加速度计快速安装装置快速在索结构上均匀布置一定数量的无线加速度传感器；
步骤二：冲击振动测试：利用力锤锤击节点位置，采集力锤激振力和相应的加速度响应时程；
步骤三：监测系统的拆除：完成测试后，拆除健康监测系统。
步骤四：柔度识别与刚度的获得：采用柔度识别算法对步骤二中采集的数据进行分析，识别出结构的柔度，对柔度求逆得到结构的刚度。
2.利用刚度与索力之间的线性关系求索力与物理刚度
索抵抗横向变形的刚度由两部分组成：一部分是物理刚度，即与抗弯刚度EI有关；另一部分是因张力T产生的几何刚度。利用有限元分析时，物理刚度与抗弯刚度和位移函数相关，几何刚度与索力和位移函数有关。在有限元中，通过假设位移函数已知可以分别求出物理刚度和几何刚度矩阵。
针对某一个单元，索结构上i点和j点自由度之间的有限单元刚度Kij与索力T之间的关系可以表示为：
Figure BDA0001109406820000031
其中Kij代表在单元节点j有单位位移时在单元节点i处的力的大小，T是索结构的拉力；EI为索结构的横截面刚度；l代表单元的长度；φi(x)代表i点有单位位移时的位移函数，φj(x)代表j点有单位位移时的位移函数。
上式右端第一项，索力T在由单元刚度矩阵集成整体刚度矩阵时可以提取出来。上式右端第二项，由单元刚度矩阵集成整体刚度矩阵时代表的是物理刚度。整体刚度矩阵K与索力T之间关系所采用的公式为：
K＝AT+K0
其中A代表索力为单位1时索结构的几何刚度矩阵；K0代表索结构的物理刚度矩阵。
在吊索张拉阶段，在不同的张拉力作用下，至少两次布置健康监测系统进行结构柔度识别，从而可以获得至少两次总刚度与相对应的索力值的对应关系，对至少两次张拉试验获得索力与索结构刚度的对应关系进行直线拟合，即可得到物理刚度K0。
在桥梁运营时定期巡检时，只需要布置健康监测系统进行结构柔度识别，由识别柔度求逆得到刚度，进而利用张拉阶段得到的刚度与索力之间的函数关系识别索结构当前状况下的索力。
本发明的优点与效果是：
1.本发明的基于柔度识别的索力快速测试方法提供了一种新型的索力检测方法，相较与传统的基于基频的振动法，柔度(刚度)与索力的关系更简单，且不受边界条件和横截面刚度的影响，因此适用性更广、精度更高。
2.本发明的基于柔度识别的索力快速测试方法在识别索力的同时，还可以识别索结构的物理刚度，实现结构几何刚度和物理刚度的分离，为基于物理刚度变化的索结构损伤识别奠定基础。
附图说明
图1.本发明的安装测试示意图；
图2.本发明的索力和物理刚度识别理论图；
图3.本发明实施例中的传感器布置图；
图4.本发明实施例中的冲击力和加速度时程，其中a为力的时程信号，b为加速度的响应信号；
图5.本发明实施例中成桥测试阶段的柔度识别结果；
图6.本发明实施例中成桥测试阶段的刚度识别结果；
图7.本发明实施例中成桥测试阶段的索力识别。
具体实施方式
下面以某根短索为例对本发明的技术方案进行详细说明。
所选取的吊索材料为玻璃纤维，长度为6m，直径为0.0413m，吊索弹性模量为5.152×104MPa，材料密度是2039kg/m3。
一、张拉阶段的索力与刚度线性拟合与物理刚度识别
在成桥阶段，张拉时利用张拉千斤顶将吊索索力T依次张拉到40KN、80KN、120KN，并分别进行快速布置健康监测系统进行测试与柔度识别。步骤如下：
步骤一：快速安装监测。如图1和图3所示，在桥梁结构1的吊索2的节点1至5位置安装加速度健康监测系统3；
步骤二：冲击振动测试。利用力锤4锤击节点1，利用数据采集系统5采集力锤锤击的冲击力uk(t)和五个节点加速度计所采集的加速度响应信号yk(t)，在实施例子中冲击力和节点3处的加速度响应信号时程见图4所示。
步骤三：柔度识别。在监测系统输入力和输出响应都已知的情况下，有多种方法识别结构的柔度，例如子空间识别方法，复模态指示函数法等，可以识别结构的柔度矩阵。在次我们选用子空间识别方法识别索结构的柔度。
结构状态空间方程：
xk+1＝Axk+Buk+wk
yk＝Cxk+Duk+vk
其中：
已知量包括：u—所测量的力的时程数据，y—所测量的桥梁加速度反应数据；k—代
表时间步长个数；
未知量包括：x—结构状态向量，为结构响应中的过程量；w—输入白噪音项；v—输
出白噪声；A,B,C,D—包含结构特征的状态矩阵；
利用子空间识别技术对以上的状态空间方程进行求解，得到状态矩阵A,B,C,D
利用结构状态矩阵,A,C中得出结构的频率和振型动力特征；
对A进行特征值分解：AΨ＝ΨΛ，其中Λ＝diag(λi)为对角矩阵，对角线上元素λi为矩阵A的特征值；Ψ为对应的特征向量组成的矩阵。则结构的频率和阻尼比为：
Figure BDA0001109406820000051
其中，λci是复数，λci＝lnλi/Δt，λciR，λciI分别是λci的实部和虚部；ωudi为结构的频率，ξi为结构的阻尼。结合识别的矩阵C，则结构的模态阵型为
φi＝CΨ
结构的加速度频响函数：
H(w)＝C(zI-A)-1B+D，z＝ejwΔt
其中，w代表频率，Δt代表离散的时间间隔，I代表与A同阶次的单位矩阵，j是虚数符号；
由结构状态矩阵A,B,C,D表达的加速度频响函数解耦为：
Figure BDA0001109406820000061
其中φi代表模态阵型，λi为矩阵A的特征值，
Figure BDA0001109406820000062
是与B有关的向量；
模态缩放系数q由下式求解：
Figure BDA0001109406820000063
其中，qi为第i阶模态阵型所对应的模态缩放系数；
结构的位移柔度矩阵f：
Figure BDA0001109406820000064
步骤四：监测系统的拆除。
柔度识别出来之后，对柔度f求逆就得到索结构的总刚度矩阵K。
K＝f-1
在索力分别等于40KN、80KN、120KN时重复上述步骤，则张拉阶段索力T与所识别出的刚度K之间的对应关系见表1所示。
表1.张拉阶段的识别的刚度矩阵
Figure BDA0001109406820000065
Figure BDA0001109406820000071
索力T与索结构刚度K的线性关系：
K＝AT+K0
其中A代表索力为单位1时索结构的几何刚度矩阵；K0代表索结构的物理刚度矩阵。
在这里为了画图方便我们选择刚度矩阵中的K11作为例子。结合索力40KN、80KN、120KN情况下的刚度K11，利用最小二乘法可得K11与索力T的关系为：K11＝2.323T+290576。其中当T＝0时，290576就是K11处的物理刚度。刚度矩阵中每个单元位置处都满足线性关系，因此可以得到结构的物理刚度。本例中识别的物理刚度见表2所示。
表2.由张拉阶段所识别的物理刚度
290576 -279713 122205 -32588 8147
-279713 412780 -312301 130352 -32588
122205 -312301 420927 -312301 122205
-32588 130352 -312301 412780 -279713
8147 -32588 122205 -279713 290576
二、成桥阶段的索力测试
成桥阶段，索力会发生变化，但是我们并不知道确切的数值。在某一次例行巡检中，对索结构进行快速布置健康监测系统进行测试与柔度识别，测试与识别步骤与张拉阶段一致。冲击力和节点2处的响应加速度见图4所示，所识别的柔度见图5所示，相应的对柔度矩阵求逆就是结构的刚度，刚度矩阵结果见图6所示。在识别出刚度以后，代入刚度与索力的关系式K11＝2.323T+290576，可以求得索力为100KN。
以上对本发明中基点有水平振动时的实施方法进行了详细的描述，但本发明不限于上述的实施例。凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于柔度识别的索结构索力的测量方法，其特征在于：首先，获取作用在索结构上的冲击力的时程信号和在冲击力作用下的加速度响应信号；其次，通过获取的冲击力的时程信号和加速度响应信号识别索结构的柔度矩阵；最后，在索结构的柔度识别出来之后，对柔度求逆得到索结构的总刚度，利用索力与所识别出的总刚度之间的对应关系得到最终的索力，其中索力与所识别出的总刚度之间的对应关系为：
K＝AT+K0
其中，K为总刚度矩阵，T为索力，A为索力为单位1时索结构的几何刚度矩阵；K0为索结构的物理刚度矩阵。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：索力与总刚度的对应关系的获取方法是：在吊索张拉阶段，在利用至少两个不同的张拉力作用下的测试点，对索结构进行索结构的柔度识别，从而获得至少两个总刚度与相对应的索力值的对应关系，利用最小二乘法线性拟合总刚度矩阵K与索力T之间的关系式。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：测试点连线的延长线与纵坐标的交点为索结构的物理刚度矩阵K0。
4.一种基于柔度识别的索结构索力的测量系统，其特征在于：包括监测装置、冲击装置以及数据处理装置，所述监测装置包括设置在索结构上的加速度传感器，所述冲击装置对所述索结构进行冲击力加载，所述数据处理装置根据输入的所述冲击装置加载在所述索结构上冲击力的时程信号和加速度传感器获取的加速度响应信号进行处理得到索结构的索力，所述数据处理装置的处理过程为：通过获取的冲击力的时程信号和加速度响应信号识别索结构的柔度矩阵；最后，在索结构的柔度识别出来之后，对柔度求逆就得到索结构的总刚度，利用索力与所识别出的总刚度之间的对应关系得到最终的索力，其中索力与所识别出的总刚度之间的对应关系为：
K＝AT+K0
其中，K为总刚度矩阵，T为索力，A为索力为单位1时索结构的几何刚度矩阵；K0为索结构的物理刚度矩阵。
5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于：所述加速度传感器为无线加速度传感器。
6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于：所述无线加速度传感器在索结构上均匀间隔布置。
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