CN107300432A - 一种用于实现现场自适应索力测量的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于实现现场自适应索力测量的方法和装置属于桥梁索力检测领域。其包括激励锤、拉索和两个液压千斤顶；拉索两端由液压千斤顶张拉，锚索测力计安装在拉索上用来测量张拉拉力值；拉索上还安装有振动测量模块，振动测量模块由加速度传感器和微控制器组成；将位置敏感器件安装在拉索上，其纵向方向和拉索方向平行，位置敏感器件正对激光器；主机和激光器连接，主机和位置敏感器件连接，主机和锚索测力计连接，主机和振动测量模块连接；锚索测力计用来测量张拉拉力值；激励锤用来手动敲击拉索，激励拉索产生振动，振动测量模块用来测量拉索振动频率。本发明实现了对成桥后的拉索的索力测量，结果不依赖人为经验，准确度高。
Description
技术领域
一种用于实现现场自适应索力测量的方法和装置属于桥梁索力检测领域。
背景技术
伴随着我国经济建设和对外开放的迅速发展，桥梁技术的不断进步和人们对桥梁美学因素的要求，拉索技术日益广泛地应用在大跨度桥梁中。其中典型的应用有悬索桥的主缆、吊索，斜拉桥的斜缆索、拱吊桥的吊索等。作为上述大型桥梁结构的核心构件，桥跨结构的重量和桥上活载绝大部分通过拉索传递到塔柱上。据不完全统计，我国大跨径拉索类桥梁有300余座，绝大部分拉索存在不同程度的病害，可见由于长期处于交变应力、腐蚀和风致振动的环境中，拉索极易造成局部疲劳与损伤，不仅导致其使用寿命缩短，且直接影响结构的内力分布和结构线型，危及整个结构安全。索作为一种柔性构件，与刚性构件具有不同的受力特性：没有抗压刚度，只能承受拉力，具有明显的几何非线性，容易产生松弛和应力损失。桥梁拉索的受力与工作状态是直接反映桥梁是否处于正常运营的重要标志之一。在设计和施工时，需要对桥梁拉索索力进行检测和优化，以使得塔、梁处于最佳受力状态。在成桥后，也需要不断监测索力的变化，了解拉索的工作状态，及时进行调整，使之符合设计需求。中华人民共和国行业标准CJJ99-2003《城市桥梁养护技术规范》5.9.5中要求：“拉索索力必须每年进行一次测量，大桥竣工后最后一次调索的索力应与设计索力进行比较”。中华人民共和国行业推荐标准 JTG/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》中明确指出，索力是斜拉桥与悬索桥的主要加载测试项目之一，是反映桥梁状态的重要参数之一。因此桥梁索力检测业务是各检测机构是一种不可或缺的检测项目和基本能力。
现有技术的实现方案
1)千斤顶压力表测定法
目前拉索均使用液压千斤顶进行拉张。由于千斤顶的张拉油缸和张拉力有直接的关系，通过精密压力表或液压传感器测定张拉油缸的液压，就可以求得索力。
2)压力传感器测定法
在拉索张拉时，千斤顶的张拉力通过连接杆传到拉索锚具，在连接杆上套接穿心式压力传感器，该传感器受压后能输出电压，则可以在二次仪表上读出千斤顶的拉张力。
3)索力动测仪法
索力动测仪法是依据索力与索的振动频率之间存在对应关系的特点，在已知索长度、两端约束情况、分布质量等参数时，将高灵敏度的频率传感器安置在索上检测索在振动激励下的振动信号，经过数字信号处理后即可测出拉索的自振频率，进而获得索力。由于其便捷性，工程上大多运用索力动测仪进行测量。
4)磁通量测定法
磁通量测定法测定拉索索力是基于铁磁性材料的磁弹效应原理进行测量，当受到外力作用时，铁磁性材料内部产生机械应力或应变，其磁导率发生相应变化，通过测定磁导率的变化来反映应力(或索力)的变化。
现在技术存在以下缺点：
1)不适用于成桥后拉索的索力动态测量和长期测量。由于压力表本身存在的指针偏转过快、指针抖动激烈、存在读数时人为的随机误差、油不回零等问题，同时成桥后拉索已经张拉完成，不便于将拉索取下安装压力表，所以该方法并不适用于成桥后的动态测量和长期测量。
2)价格昂贵。由于压力传感器价格相当昂贵、使用有效寿命短、动态响应差等问题，使得该测定法只适用于特定场合。
3)测量结果依赖人为经验。采用索力动测仪的方式进行索力测量，其拉索自振频率和索力的关系依靠张力弦振动公式和操作人员经验进行确定和修正，无法保证其测量重复性，测量结果极度依赖人为经验。
4)准确度低。磁通量法由于技术发展不到位，导致测量准确度较低，无法满足实际工程需求。
发明内容
本专利所述测量方法所需的装置主要由液压千斤顶，锚索测力计，振动测量模块，位置敏感器件，激励锤，主机，激光器等部分组成，硬件连接图如图1所示。
1.一种用于实现现场自适应索力测量的装置，其特征在于：包括激励锤、拉索和两个液压千斤顶；拉索两端由液压千斤顶张拉，锚索测力计安装在拉索上用来测量张拉拉力值。拉索上还安装有振动测量模块，振动测量模块由加速度传感器和微控制器组成。
将位置敏感器件安装在拉索上，其纵向方向和拉索方向平行，位置敏感器件正对激光器。主机和激光器连接，主机和位置敏感器件连接，主机和锚索测力计连接，主机和振动测量模块连接。拉索两端由液压千斤顶张拉，锚索测力计用来测量张拉拉力值。激励锤用来手动敲击拉索，激励拉索产生振动，振动测量模块用来测量拉索振动频率。
进一步，位置敏感器件是PSD。
进一步，主机采用计算机或微机，主机用以实现数据存储、索力测量。
应用所述装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在拉索上安装锚索测力计、振动测量模块、位置敏感器件，将拉索两端用液压千斤顶张拉，用锚索测力计读取拉索拉力值，启动激光器使激光光斑打在位置敏感器件中部。
(2)用激励锤敲击拉索，使拉索产生自振。
(3)用振动测量模块读取拉索振动曲线，将锚索测力计测得的拉力作为此次振动曲线的标签，将带标签的振动曲线存入样本库一。
(4)位置敏感器件记录激光位置变化曲线，存入样本库二。
(5)若样本库一和样本库二中样本数量不满足模型训练要求，改变液压千斤顶张拉拉力，重复上述(1)-(4)。
(6)若样本库一和样本库二中样本数量满足模型训练要求，则利用样本库一和样本库二进行模型训练。
(7)模型训练完成后，到现场进行索力测量。
(8)在现场，将位置敏感器件安装到被测拉索上，架设激光器使得激光器光斑打在位置敏感器件的中心。
(9)激励现场被测拉索，使被测拉索产生自振。
(10)位置敏感器件记录一段时间的振动曲线后，测量装置输出索力值。
本专利实现了对成桥后的拉索的索力测量，测量结果不依赖人为经验，结果准确度高。
附图说明
图1准装置硬件连接示意图
图1中，1为拉索，2为液压千斤顶，3为锚索测力计，4为振动测量模块，5为位置敏感器件，6为激励锤，7为主机，8为激光器。
图2校准装置的技术方案流程图
图3具体实例1的技术方案流程图
图4具体实例2的技术方案流程图
具体实施方式
主机可以采用计算机或微机，主机用以实现数据存储、模型训练以及索力测量。
振动测量模块由加速度传感器和微控制器组成。
主机和激光器连接，主机和位置敏感器件连接，主机和锚索测力计连接，主机和振动测量模块连接。
位置敏感器件可以是PSD，将其安装在拉索上，其纵向方向和拉索方向平行，位置敏感器件正对激光器。
拉索两端由液压千斤顶张拉，锚索测力计用来测量张拉拉力值。激励锤用来手动敲击拉索，激励拉索产生振动，振动测量模块用来测量拉索振动频率。
本专利所述测量方法的技术方案流程图如图3所示。
本专利所述测量方法的总体技术方案实现过程如下：
(11)如图1，在拉索上安装锚索测力计、振动测量模块、位置敏感器件，将拉索两端用液压千斤顶张拉，用锚索测力计读取拉索拉力值，启动激光器使激光光斑打在位置敏感器件中部。
(12)用激励锤敲击拉索，使拉索产生自振。
(13)用振动测量模块读取拉索振动曲线，将锚索测力计测得的拉力作为此次振动曲线的标签，将带标签的振动曲线存入样本库一。
(14)位置敏感器件记录激光位置变化曲线，存入样本库二。
(15)若样本库一和样本库二中样本数量不满足要求，改变液压千斤顶张拉拉力，重复上述(1)-(4)。
(16)若样本库一和样本库二中样本数量满足要求(例如达到1000 组样本)，则利用样本库一和样本库二进行模型训练(模型训练包括训练、验证和测试)。模型训练可采用梯度下降法。
(17)模型训练完成后，可以到现场进行索力测量。
(18)在现场，将位置敏感器件安装到被测拉索上，架设激光器使得激光器光斑打在位置敏感器件的中心。
(19)用激励锤或靠外部自然风等激励现场被测拉索，使被测拉索产生自振。
(20)位置敏感器件记录一段时间的振动曲线后，测量装置输出索力值。
实例1技术方案实现过程
参考图3所示实例1流程图，实例1技术方案实现过程如下：
(1)在拉索上安装锚索测力计、振动测量模块、位置敏感器件，将拉索两端用液压千斤顶张拉，用锚索测力计读取拉索拉力值，启动激光器使激光光斑打在位置敏感器件中部。
(2)用激励锤敲击拉索，使拉索产生自振。
(3)用振动测量模块读取拉索振动曲线，将锚索测力计测得的拉力作为此次振动曲线的标签，将带标签的振动曲线存入样本库一。
(4)位置敏感器件记录激光位置变化曲线，存入样本库二。
(5)若样本库一和样本库二中样本数量不满足要求，改变液压千斤顶张拉拉力，重复上述(1)-(4)。
(6)若样本库一和样本库二中样本数量满足要求(例如达到1000 组样本)，则将样本库一和样本库二分成训练集、验证集、测试集。其中训练集用来估计模型，验证集用来确定模型参数，而测试集则检验最终选择最优的模型的性能如何。
(7)训练完成的模型通过测试集进行检验后，模型即可表示拉索拉力和拉索振动曲线的关系。
1)实施实例2的硬件连接图、技术流程图
2)结合附图4，描述实施例2技术方案详细的实现过程。
实例2技术方案实现过程如下：
(1)在拉索上安装位置敏感器件，架设激光器，使激光光斑打在位置敏感器件中部。
(2)用激励锤敲击拉索，使拉索产生自振。
(3)启动激光器，位置敏感器件记录激光位置变化曲线。
(4)输出现场被测拉索的索力值。
本专利实现了现场自适应索力测量，提高了测量的准确度。通过大量的实验数据对拉索拉力和拉索振动曲线的关系模型进行训练，得到最优的参数，使得该模型能够准确的表达拉索拉力和拉索振动曲线的关系。由于传统的索力动测仪依赖张力弦振动公式，仅考虑基频对拉素拉力的影响，忽略了谐波对拉索拉力的影响。拉索振动曲线由基频和各次谐波组成，本专利对基频和各次谐波均考虑到了，避免了上述问题引入的误差。根据多次实验和文献数据记录，索力动测仪的最大测量误差可达到2.1％，而本专利的最大测量误差仅为1.2％。
本专利具有极好的适用性，能够应用于且不限于各种拉索的索力测量。
本专利成本较目前常用的方法低廉，通过前期的模型训练后，在用于各种拉索的索力测量时，只需要位置敏感器件、激光器以及主机即可。
本专利通过模型训练实现了现场自适应索力测量。
本专利对拉索拉力和拉索振动曲线建立模型，通过专利所述装置，对建立的模型进行训练，使得该模型能够准确的表达拉索拉力和拉索振动曲线的关系。通过大量实验建立的拉索拉力和拉索振动曲线的关系能够适用于各种环境下拉索的拉力测量。
在现场测量时，只需要通过位置敏感器件和激光器、主机的组合，就可测量得到拉索的振动曲线，通过上述模型，能够计算出拉索的拉力值，即索力值。
本专利测量得到的索力值准确度较高。根据大量实验和文献纪录可以知道，传统索力动测仪测量索力的最大测量误差可达到2.1％，而本专利的最大测量误差仅为1.2％，本专利的测量准确度优于索力动测仪。
Claims (4)
1.一种用于实现现场自适应索力测量的装置，其特征在于：包括激励锤、拉索和两个液压千斤顶；拉索两端由液压千斤顶张拉，锚索测力计安装在拉索上用来测量张拉拉力值；拉索上还安装有振动测量模块，振动测量模块由加速度传感器和微控制器组成；
将位置敏感器件安装在拉索上，其纵向方向和拉索方向平行，位置敏感器件正对激光器；主机和激光器连接，主机和位置敏感器件连接，主机和锚索测力计连接，主机和振动测量模块连接；拉索两端由液压千斤顶张拉，锚索测力计用来测量张拉拉力值；激励锤用来手动敲击拉索，激励拉索产生振动，振动测量模块用来测量拉索振动频率。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于：位置敏感器件是PSD。
3.根据权利要求1所述装置，其特征在于：主机采用计算机或微机。
4.应用如权利要求1-3任一项所述装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在拉索上安装锚索测力计、振动测量模块、位置敏感器件，将拉索两端用液压千斤顶张拉，用锚索测力计读取拉索拉力值，启动激光器使激光光斑打在位置敏感器件中部；
(2)用激励锤敲击拉索，使拉索产生自振；
(3)用振动测量模块读取拉索振动曲线，将锚索测力计测得的拉力作为此次振动曲线的标签，将带标签的振动曲线存入样本库一；
(4)位置敏感器件记录激光位置变化曲线，存入样本库二；
(5)若样本库一和样本库二中样本数量不满足模型训练要求，改变液压千斤顶张拉拉力，重复上述(1)-(4)；
(6)若样本库一和样本库二中样本数量满足模型训练要求，则利用样本库一和样本库二进行模型训练；
(7)模型训练完成后，到现场进行索力测量；
(8)在现场，将位置敏感器件安装到被测拉索上，架设激光器使得激光器光斑打在位置敏感器件的中心；
(9)激励现场被测拉索，使被测拉索产生自振；
(10)位置敏感器件记录一段时间的振动曲线后，测量装置输出索力值。
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| CN107300432B (zh) | 2023-11-21 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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