CN110414179B - 一种设置主纵梁的拉索类桥梁的索体损伤监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种设置主纵梁的拉索类桥梁的索体损伤监测方法及系统。所述方法借助有限元分析软件、桥梁现场模态监测、索力监测、单根索体断丝试验，通过桥梁模态监测数据、拉索索力监测数据、单根索体断丝试验数据及相应的计算分析理论和模拟方法实现对拉索类桥梁损伤状况的监测，能够准确计算出单根索体的断丝量，可以实时监测有纵梁体系拉索类桥梁的拉索损伤状况，一旦断丝量超过预警值便进行及时、准确的报警，提高了拉索类桥梁的安全性，杜绝安全隐患。

Description

一种设置主纵梁的拉索类桥梁的索体损伤监测方法及系统

技术领域

本发明涉及拉索类桥梁索体损伤监测技术领域，特别是涉及一种设置主纵梁的拉索类桥梁的索体损伤监测方法及系统。

背景技术

吊杆(也称为索体)是吊杆拱桥的主要传力构件，吊杆的破断容易引起桥梁的整体倒塌，现有桥梁通常通过振频法检测索力或通过安装压力环来监测索力，但是无法得到索力与断丝的对应关系，《公路钢管混凝土拱桥设计规范》(JTG/TD65-06—2015)第8.7.2节中所述：中、下承式钢管混凝土拱桥的桥面梁(板)必须采用连续结构体系，连续结构体系的主纵梁应满足2倍吊索跨度的承载能力要求。也就是说对于钢管混凝土吊杆拱桥，必须采用连续结构体系，即必须设置主纵梁体系，同时对纵梁的承载能力做出了要求，当某根吊杆发生断丝时，吊杆的力将通过纵向联系以一定的比例传递给相邻的几个吊点，纵梁的刚度越大，传递到相邻几个吊点的力越大。索力的减小量与断丝量和纵梁刚度都是相关联的。因此，目前仅通过检测或监测索力无法判断索体断丝量的大小，导致在某根吊杆发生断丝时，无法进行及时、准确的报警，存在极大安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种设置主纵梁的拉索类桥梁的索体损伤监测方法及系统，以解决目前仅通过检测或监测索力无法判断索体断丝量的大小，导致吊杆发生断丝时无法进行及时、准确报警的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种设置主纵梁的拉索类桥梁的索体损伤监测方法，所述方法包括：

根据桥梁的施工图建立桥梁的有限元模型；所述桥梁为设置主纵梁的拉索类桥梁；

基于桥梁模态监测数据，进行桥梁模态识别获得桥梁模态特征参数，并基于所述桥梁模态特征参数，采用三阶响应面法对所述有限元模型进行修正，生成修正的有限元模型；

采用所述修正的有限元模型进行模型分析求得单根索体两端的连接刚度；

根据所述单根索体两端的连接刚度模拟单根索体有限元模型两端的边界条件，建立单根索体有限元模型；

通过单根索体的断丝试验获得拉索断丝影响参数，对所述单根索体有限元模型进行修正，生成真实的单根索体有限元模型；

对所述真实的单根索体有限元模型进行断丝分析，确定索力-断丝量标定曲线；所述索力-断丝量标定曲线的纵坐标为索力，横坐标为断丝量；

根据所述索力-断丝量标定曲线确定索力存储矩阵和断丝量存储矩阵；

基于拉索索力监测数据建立拉索索力的力学平衡方程，获得每根索体的断丝标定索力并存储于断丝标定索力向量中；

根据所述断丝标定索力向量、索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵确定单根索体的断丝量；

根据所述单根索体的断丝量进行索体损伤监测和报警。

可选的，所述根据所述索力-断丝量标定曲线确定索力存储矩阵和断丝量存储矩阵，具体包括：

将所述索力-断丝量标定曲线的纵坐标值存储在所述索力存储矩阵F^b中，将与所述纵坐标值对应的横坐标值存储在所述断丝量存储矩阵S^b中；所述索力存储矩阵F^b中的索力与所述断丝量存储矩阵S^b中的断丝量具有一一对应关系，即

表示所述索力存储矩阵F^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j个断丝数据点对应的索力，

表示所述断丝量存储矩阵S^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j个断丝数据点对应的断丝量。

可选的，所述根据所述断丝标定索力向量、索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵确定单根索体的断丝量，具体包括：

获取第i根索体的初始索力F_i ⁰、第i根索体无交通荷载作用下测得的监测恒载索力F_i以及索力传递比例系数；

根据所述初始索力F_i ⁰、所述监测恒载索力F_i以及所述索力传递系数，采用公式

确定第i根索体断丝引起的断丝卸载索力F_i′；其中

表示第i-j根索体发生断丝时，断丝索力传递到第i根索体上的索力传递比例系数；

表示第i+j根索体发生断丝时，断丝索力传递到第i根索体上的索力传递比例系数；s表示第i根索体左侧最远受到第i-s根索体断丝的影响；k表示第i根索体右侧最远受到第i+k根索体断丝的影响；F′_i-j表示第i-j根索体断丝引起的断丝卸载索力；F′_i+j表示第i+j根索体断丝引起的断丝卸载索力；

根据所述第i根索体断丝引起的断丝卸载索力F_i′，采用公式F_i ^d＝F_i ⁰-F_i′确定第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d；

根据所述第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d、所述索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵确定单根索体的断丝量。

可选的，所述根据所述第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d、所述索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵确定单根索体的断丝量，具体包括：

根据所述第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d、所述索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵，采用公式

计算第i根索体的断丝量S_i；其中

表示所述索力存储矩阵F^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j+1个断丝数据点对应的索力，

表示所述断丝量存储矩阵S^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j+1个断丝数据点对应的断丝量。

可选的，所述根据所述单根索体的断丝量进行索体损伤监测和报警，具体包括：

判断所述第i根索体的断丝量S_i是否大于预警值，获得第一判断结果；

若所述第一判断结果为所述第i根索体的断丝量S_i大于预警值，则进行报警并对所述第i根索体采取相应的检测和加固处理；

若所述第一判断结果为所述第i根索体的断丝量S_i不大于预警值，则进行第i+1根索体的断丝量S_i+1的计算。

一种设置主纵梁的拉索类桥梁的索体损伤监测系统，所述系统包括：

桥梁有限元模型建立模块，用于根据桥梁的施工图建立桥梁的有限元模型；所述桥梁为设置主纵梁的拉索类桥梁；

桥梁有限元模型修正模块，用于基于桥梁模态监测数据，进行桥梁模态识别获得桥梁模态特征参数，并基于所述桥梁模态特征参数，采用三阶响应面法对所述有限元模型进行修正，生成修正的有限元模型；

单根索体连接刚度确定模块，用于采用所述修正的有限元模型进行模型分析求得单根索体两端的连接刚度；

单根索体有限元模型建立模块，用于根据所述单根索体两端的连接刚度模拟单根索体有限元模型两端的边界条件，建立单根索体有限元模型；

单根索体有限元模型修正模块，用于通过单根索体的断丝试验获得拉索断丝影响参数，对所述单根索体有限元模型进行修正，生成真实的单根索体有限元模型；

单根索体断丝分析模块，用于对所述真实的单根索体有限元模型进行断丝分析，确定索力-断丝量标定曲线；所述索力-断丝量标定曲线的纵坐标为索力，横坐标为断丝量；

存储矩阵确定模块，用于根据所述索力-断丝量标定曲线确定索力存储矩阵和断丝量存储矩阵；

断丝标定索力计算模块，用于基于拉索索力监测数据建立拉索索力的力学平衡方程，获得每根索体的断丝标定索力并存储于断丝标定索力向量中；

单根索体断丝量计算模块，用于根据所述断丝标定索力向量、索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵确定单根索体的断丝量；

索体损伤监测模块，用于根据所述单根索体的断丝量进行索体损伤监测和报警。

可选的，所述存储矩阵确定模块具体包括：

存储矩阵确定单元，用于将所述索力-断丝量标定曲线的纵坐标值存储在所述索力存储矩阵F^b中，将与所述纵坐标值对应的横坐标值存储在所述断丝量存储矩阵S^b中；所述索力存储矩阵F^b中的索力与所述断丝量存储矩阵S^b中的断丝量具有一一对应关系，即

表示所述索力存储矩阵F^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j个断丝数据点对应的索力，

表示所述断丝量存储矩阵S^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j个断丝数据点对应的断丝量。

可选的，所述单根索体断丝量计算模块具体包括：

断丝量计算参数获取单元，用于获取第i根索体的初始索力F_i ⁰、第i根索体无交通荷载作用下测得的监测恒载索力F_i以及索力传递比例系数；

断丝卸载索力计算单元，用于根据所述初始索力F_i ⁰、所述监测恒载索力F_i以及所述索力传递系数，采用公式

确定第i根索体断丝引起的断丝卸载索力F_i′；其中

表示第i-j根索体发生断丝时，断丝索力传递到第i根索体上的索力传递比例系数；

表示第i+j根索体发生断丝时，断丝索力传递到第i根索体上的索力传递比例系数；s表示第i根索体左侧最远受到第i-s根索体断丝的影响；k表示第i根索体右侧最远受到第i+k根索体断丝的影响；F′_i-j表示第i-j根索体断丝引起的断丝卸载索力；F′_i+j表示第i+j根索体断丝引起的断丝卸载索力；

断丝标定索力计算单元，用于根据所述第i根索体断丝引起的断丝卸载索力F_i′，采用公式F_i ^d＝F_i ⁰-F_i′确定第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d；

断丝量计算单元，用于根据所述第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d、所述索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵确定单根索体的断丝量。

可选的，所述断丝量计算单元具体包括：

断丝量计算子单元，用于根据所述第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d、所述索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵，采用公式

计算第i根索体的断丝量S_i；其中

表示所述索力存储矩阵F^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j+1个断丝数据点对应的索力，

表示所述断丝量存储矩阵S^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j+1个断丝数据点对应的断丝量。

可选的，所述索体损伤监测模块具体包括：

断丝量判断单元，用于判断所述第i根索体的断丝量S_i是否大于预警值，获得第一判断结果；

报警单元，用于若所述第一判断结果为所述第i根索体的断丝量S_i大于预警值，则进行报警并对所述第i根索体采取相应的检测和加固处理；

断丝量迭代计算单元，用于若所述第一判断结果为所述第i根索体的断丝量S_i不大于预警值，则进行第i+1根索体的断丝量S_i+1的计算。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种设置主纵梁的拉索类桥梁的索体损伤监测方法及系统，所述方法借助有限元分析软件、桥梁现场模态监测、索力监测、单根索体断丝试验，通过桥梁模态监测数据、拉索索力监测数据、单根索体断丝试验数据及相应的计算分析理论和模拟方法实现对拉索类桥梁损伤状况的监测，能够准确计算出单根索体的断丝量，可以实时监测有纵梁体系拉索类桥梁的拉索损伤状况，一旦断丝量超过预警值便进行及时、准确的报警，提高了拉索类桥梁的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的设置主纵梁的拉索类桥梁的索体损伤监测方法的流程图；

图2为本发明提供的断丝标定曲线生成过程示意图；

图3为本发明提供的断丝量计算及断丝预警过程示意图；

图4为本发明提供的断丝量计算流程图；

图5为本发明提供的索体损伤监测和报警过程示意图；

图6为本发明提供的设置主纵梁的拉索类桥梁的索体损伤监测系统的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种设置主纵梁的拉索类桥梁的索体损伤监测方法及系统，以解决目前仅通过检测或监测索力无法判断索体断丝量的大小，导致吊杆发生断丝时无法进行及时、准确报警的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的设置主纵梁的拉索类桥梁的索体损伤监测方法的流程图。参见图1，本发明提供的索体损伤监测方法具体包括：

步骤101：根据桥梁的施工图建立桥梁的有限元模型。

本发明方法适用于设置主纵梁的拉索类桥梁，用于设置主纵梁的拉索类桥梁的索体损伤的监测。

本发明实施例提供了一种设置主纵梁的拉索类桥梁拉索断丝标定方法，断丝标定曲线获得的具体过程如图2所示。首先，根据桥梁的施工图建立桥梁的有限元模型，对桥梁进行现场模态检测或监测获得桥梁的模态特征参数，基于模态特征参数采用三阶响应面法对桥梁有限元模型进行修正，获得高精度的修正有限元模型。采用所述修正的有限元模型求解单根索体两端的连接刚度；根据所述单根索体两端的连接刚度模拟单根索体有限元模型两端的边界条件，建立单根索体有限元模型；通过单根拉索断丝试验获得拉索断丝影响参数，对所述单根索体有限元模型进行修正，生成真实的单根索体有限元模型；对所述真实的单根索体有限元模型进行断丝分析，确定索力-断丝量标定曲线。

步骤102：基于桥梁模态监测数据，进行桥梁模态识别获得桥梁模态特征参数，并基于所述桥梁模态特征参数，采用三阶响应面法对所述有限元模型进行修正，生成修正的有限元模型。

采用有限单元法进行桥梁模型分析时，有限元模型的计算结果与实验测试数据之间往往存在一定的差别，主要存在有限元建模误差与实验误差。其中，实验测试误差是难以通过改进建模技术或计算方法来消除的，而在实际工程应用中，一般认为实验数据更为准确和可靠，因此需要依据实验数据利用模型修正技术对有限元模型进行修正，提高有限元模型的精度和可靠性。有限元模型修正(Finite element model updating)的基本概念是：利用静动载试验结果(频率、振型、应变、阻尼比、位移等)修改理论有限元模型的刚度、质量、边界约束、几何尺寸等参数，在保证模态参数自身精度的前提下，使修正后的有限元模型结果趋于试验值。本发明通过桥梁现场模态检测或监测数据获得桥梁的模态特征参数，基于模态特征参数采用三阶响应面法对桥梁有限元模型进行修正，获得高精度的修正的有限元模型。

本发明采用的桥梁模态特征参数主要包括桥梁的频率、模态振型、阻尼比。利用所述模态特征参数，采用三阶响应面法对有限元模型的刚度、质量、边界约束和几何尺寸进行修正，其中边界约束是指桥梁模型的边界状态，譬如铰接、固结、或介于铰接和固结之间。

步骤103：采用所述修正的有限元模型进行模型分析求得单根索体两端的连接刚度。

步骤102中获得修正的有限元模型，是为了根据修正的有限元模型求得每根索体两端的连接刚度。单根索体模型两端的边界条件是根据修正有限元模型求得的索体两端的连接刚度数据进行模拟的。

本发明中，索体和吊杆是指同一个构件，可以统一称为索体；单根索体模型即指单根索体有限元模型。

步骤104：根据所述单根索体两端的连接刚度模拟单根索体有限元模型两端的边界条件，建立单根索体有限元模型。

将单根拉索(索体)作为一个子结构，子结构的概念是单元概念的推广和扩大，即将若干个基本单元装配在一起，组成一个新的结构单元，这个新的结构单元称为原结构的子结构或称为广义单元(大单元)。将一个大型的复杂结构划分为若干个子结构，先分别确定各子结构的刚度特性，然后再将子结构装配成整体结构，最后确定整体结构的刚度特性。这种结构分析的方法称为子结构法。

子结构边界条件的确定方法和模拟方法：在进行拉索子结构刚度特性分析时，需要确定索体子结构的边界条件，本发明采用修正的有限元模型求得每根索体两端的连接刚度，保证了连接刚度的准确性和精确性，并通过弹簧单元模拟单根吊杆两端的连接刚度。

单根拉索模型(即单根索体有限元模型)的建立，包括索体模型和索体两端的边界条件，边界条件就是通过索体两端的连接刚度模拟。本发明根据所述单根索体两端的连接刚度模拟单根索体有限元模型两端的边界条件，建立所述单根索体有限元模型。单根索体模型的建立是为了获得断丝标定曲线(即索力-断丝量标定曲线)。

步骤105：通过单根索体的断丝试验获得拉索断丝影响参数，对所述单根索体有限元模型进行修正，生成真实的单根索体有限元模型。

进行子结构模型的精细化模拟，需要明确拉索断丝的影响参数。为了保证单个索体子结构有限元模型的高精度，需进行单根索体的断丝试验，求得拉索断丝分析时索体内部摩擦力与粘结力的影响，确定相应的影响参数数值，并通过弹簧单元模拟索体内部的摩擦力与粘结力，对单根拉索有限元模型进行修正，获得真实的单根拉索模型。

单根索体断丝试验中，需要确定钢绞线或平行钢丝之间断丝时的摩擦力与粘着力，单根拉索有限元模型的钢绞线或平行钢丝采用梁单元进行模拟，在梁单元的各个节点处设置弹簧单元用来模拟钢绞线断丝时的摩擦力与粘着力，通过单根索体的拉拔试验获得单位长度上摩擦力与粘结力的大小，并通过弹簧单元进行模拟，弹簧单元参数设置为：刚度系数K＝0，弹簧摩擦力＝拔出力/粘结长度。

本发明获得真实的单根拉索模型也是为了获得断丝标定曲线，对其进行修正是为了提高标定曲线准确性。

步骤106：对所述真实的单根索体有限元模型进行断丝分析，确定索力-断丝量标定曲线。

在获得了真实单根拉索的有限元模型以后，逐根杀死拉索单元，进行相应静力分析，获得单根索体两端的弹簧内力，建立起弹簧内力与拉索断丝量的关系，即获得索力-断丝量的标定曲线。

具体的，拉索子结构断丝分析，是将单根索体作为一个结构单元，建立单根索体的有限元模型，模型中钢绞线(或平行钢丝)采用梁单元模拟，单元节点处设置弹簧单元模拟摩擦力与粘结力的影响，逐根杀死索体内的钢绞线(或平行钢丝)单元，以弹簧单元模拟拉索子结构的边界条件，通过拉索子结构的断丝分析建立断丝量和索力的对应关系，求得断丝标定曲线，也称为索力-断丝量标定曲线。所述索力-断丝量标定曲线的纵坐标为索力，横坐标为断丝量(具体为断丝百分比)。断丝标定曲线中的各数据点存储于F^b和S^b矩阵中。

步骤107：根据所述索力-断丝量标定曲线确定索力存储矩阵和断丝量存储矩阵。

将所述索力-断丝量标定曲线的纵坐标值存储在所述索力存储矩阵F^b中，将与所述纵坐标值对应的横坐标值存储在所述断丝量存储矩阵S^b中。所述索力存储矩阵F^b中的索力与所述断丝量存储矩阵S^b中的断丝量具有一一对应关系，即

表示所述索力存储矩阵F^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j个断丝数据点对应的索力，

表示所述断丝量存储矩阵S^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j个断丝数据点对应的断丝量。

步骤108：基于拉索索力监测数据建立拉索索力的力学平衡方程，获得每根索体的断丝标定索力并存储于断丝标定索力向量中。

步骤109：根据所述断丝标定索力向量、索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵确定单根索体的断丝量。

步骤106求得的断丝标定曲线，是标定单根吊杆(索体)发生断丝情况下，吊杆索力与断丝量的相互关系。在多根吊杆都出现断丝时，断丝卸载索力在各吊点间重新分配，上述断丝标定曲线不再适用，下面介绍一种将断丝卸载传递索力从吊杆监测索力中分离出来的方法：

设置主纵梁的吊杆拱桥结构，可将每根吊杆的索力变化值分解为两部分，一部分是由于吊杆自身断丝引起的索力减小值，另一部分是其他吊杆发生断丝后传递到该吊杆的索力，因此可以得到下式：

F_i＝F_i ⁰-F_i′+F_i ^c(i＝1,2，……n) (1)

其中，F_i为第i根吊杆传感器采集拉索或吊杆的监测恒载索力，也是第i根吊杆无交通荷载作用下测得的索力；F_i′为第i根吊杆断丝引起的索力减小值(简称断丝卸载索力)，F_i ^c为其他吊杆断丝传递到第i根吊杆的索力(传递索力)，F_i ⁰为第i根吊杆的初始索力；n为吊杆数量。

对于一个固定的结构体系，力是按照刚度比例关系进行分配的，因此当某根拉索发生断丝时，拉索的刚度减小，索力减小，断丝卸载索力将根据刚度的比例关系通过主纵梁分配到相邻的吊杆上。

例如：第i根(i＝1,2，……n)吊杆发生损伤时，断丝索力传递到第i-1根、第i-2根、第i-3根、……、第i-s根，传递比例系数分别为：

断丝索力传递到第i+1根、第i+2根、第i+3根、……、第i+k根，传递比例系数分别为：

其中具体s和k的取值以及索力传递比例系数需通过有限元分析结果确定，对于一个确定的桥梁结构案例，索力传递比例系数是固定的。

基于上述计算理论假定，第i根吊杆(i＝1,2，……n)，由于相邻吊杆发生断丝，传递到第i根吊杆上的索力F_i ^c可表示为下式：

式中，

表示第i-j根索体发生断丝时，断丝索力传递到第i根索体上的索力传递比例系数；

表示第i+j根索体发生断丝时，断丝索力传递到第i根索体上的索力传递比例系数；F′_i-j表示第i-j根索体断丝引起的断丝卸载索力；F′_i+j表示第i+j根索体断丝引起的断丝卸载索力；s和k分别表示第i根吊杆最远受到左侧第i-s根吊杆断丝的影响和右侧最远受到第i+k根吊杆断丝的影响。则第i根吊杆的力学平衡方程为：

式中：F_i ⁰与F_i分别为第i根吊杆的初始索力和无交通荷载作用下测得的索力，各索力传递系数

为已知量；F_i′为第i根索体断丝引起的断丝卸载索力。

假设某桥梁有n根吊杆，可以得到n个方程，进行方程组求解，可以求得每根索体断丝引起的断丝卸载索力F_i′。则可以求得第i根吊杆对应的断丝标定索力F_i ^d为：

F_i ^d＝F_i ⁰-F_i′ (4)

图3为本发明提供的断丝量计算及断丝预警过程示意图。参见图3，将断丝标定索力F_i ^d(i＝1,2，……n)带入断丝标定关系曲线关系矩阵F^b和S^b中，利用差值法即可获得当前状态下，每根索体的断丝量。将单根索体的断丝量与设置相应的预警阈值进行比较，如果超过预警阈值，则报警并采取相应的检测和加固处理。

具体的，每个时刻各吊杆断丝量S_i采用差值法进行计算，各吊杆的断丝量计算流程如图4所示。其中矩阵F^b和矩阵S^b分别为每根吊杆断丝标定曲线中索力和断丝量的存储矩阵，矩阵F^b中索力与矩阵S^b中的断丝量具有一一对应关系，

表示所述索力存储矩阵F^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j个断丝数据点对应的索力，

表示所述断丝量存储矩阵S^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j个断丝数据点对应的断丝量。F^d表示某个时刻的断丝标定索力向量，F_i ^d表示第i根吊杆某个时刻的断丝标定索力。

根据所述第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d、所述索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵，采用公式(5)计算第i根索体的断丝量S_i：

其中

表示所述索力存储矩阵F^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j+1个断丝数据点对应的索力，

表示所述断丝量存储矩阵S^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j+1个断丝数据点对应的断丝量。

步骤110：根据所述单根索体的断丝量进行索体损伤监测和报警。

图5为本发明提供的索体损伤监测和报警过程示意图。参见图4和图5，所述根据所述单根索体的断丝量进行索体损伤监测和报警，具体包括：

判断所述第i根索体的断丝量S_i是否大于预警值，获得第一判断结果；

若所述第一判断结果为所述第i根索体的断丝量S_i大于预警值，则进行报警并对所述第i根索体采取相应的检测和加固处理；

若所述第一判断结果为所述第i根索体的断丝量S_i不大于预警值，则令i＝i+1，迭代进行第i+1根索体的断丝量S_i+1的计算和预警判断。

基于本发明提供的索体损伤监测方法，本发明还提供一种设置主纵梁的拉索类桥梁的索体损伤监测系统，如图6所示，所述系统包括：

桥梁有限元模型建立模块601，用于根据桥梁的施工图建立桥梁的有限元模型；所述桥梁为设置主纵梁的拉索类桥梁；

桥梁有限元模型修正模块602，用于基于桥梁模态监测数据，进行桥梁模态识别获得桥梁模态特征参数，并基于所述桥梁模态特征参数，采用三阶响应面法对所述有限元模型进行修正，生成修正的有限元模型；

单根索体连接刚度确定模块603，用于采用所述修正的有限元模型进行模型分析求得单根索体两端的连接刚度；

单根索体有限元模型建立模块604，用于根据所述单根索体两端的连接刚度模拟单根索体有限元模型两端的边界条件，建立单根索体有限元模型；

单根索体有限元模型修正模块605，用于通过单根索体的断丝试验获得拉索断丝影响参数，对所述单根索体有限元模型进行修正，生成真实的单根索体有限元模型；

单根索体断丝分析模块606，用于对所述真实的单根索体有限元模型进行断丝分析，确定索力-断丝量标定曲线；所述索力-断丝量标定曲线的纵坐标为索力，横坐标为断丝量；

存储矩阵确定模块607，用于根据所述索力-断丝量标定曲线确定索力存储矩阵和断丝量存储矩阵；

断丝标定索力计算模块608，用于基于拉索索力监测数据建立拉索索力的力学平衡方程，获得每根索体的断丝标定索力并存储于断丝标定索力向量中；

单根索体断丝量计算模块609，用于根据所述断丝标定索力向量、索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵确定单根索体的断丝量；

索体损伤监测模块610，用于根据所述单根索体的断丝量进行索体损伤监测和报警。

其中，所述存储矩阵确定模块607具体包括：

存储矩阵确定单元，用于将所述索力-断丝量标定曲线的纵坐标值存储在所述索力存储矩阵F^b中，将与所述纵坐标值对应的横坐标值存储在所述断丝量存储矩阵S^b中；所述索力存储矩阵F^b中的索力与所述断丝量存储矩阵S^b中的断丝量具有一一对应关系，即

表示所述索力存储矩阵F^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j个断丝数据点对应的索力，

表示所述断丝量存储矩阵S^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j个断丝数据点对应的断丝量。

所述单根索体断丝量计算模块609具体包括：

断丝量计算参数获取单元，用于获取第i根索体的初始索力F_i ⁰、第i根索体无交通荷载作用下测得的监测恒载索力F_i以及索力传递比例系数；

断丝卸载索力计算单元，用于根据所述初始索力F_i ⁰、所述监测恒载索力F_i以及所述索力传递系数，采用公式

确定第i根索体断丝引起的断丝卸载索力F_i′；其中

表示第i-j根索体发生断丝时，断丝索力传递到第i根索体上的索力传递比例系数；

表示第i+j根索体发生断丝时，断丝索力传递到第i根索体上的索力传递比例系数；s表示第i根索体左侧最远受到第i-s根索体断丝的影响；k表示第i根索体右侧最远受到第i+k根索体断丝的影响；F′_i-j表示第i-j根索体断丝引起的断丝卸载索力；F′_i+j表示第i+j根索体断丝引起的断丝卸载索力；

断丝标定索力计算单元，用于根据所述第i根索体断丝引起的断丝卸载索力F_i′，采用公式F_i ^d＝F_i ⁰-F_i′确定第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d；

断丝量计算单元，用于根据所述第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d、所述索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵确定单根索体的断丝量。

所述断丝量计算单元具体包括：

断丝量计算子单元，用于根据所述第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d、所述索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵，采用公式

计算第i根索体的断丝量S_i；其中

表示所述索力存储矩阵F^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j+1个断丝数据点对应的索力，

表示所述断丝量存储矩阵S^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j+1个断丝数据点对应的断丝量。

所述索体损伤监测模块610具体包括：

断丝量判断单元，用于判断所述第i根索体的断丝量S_i是否大于预警值，获得第一判断结果；

报警单元，用于若所述第一判断结果为所述第i根索体的断丝量S_i大于预警值，则进行报警并对所述第i根索体采取相应的检测和加固处理；

断丝量迭代计算单元，用于若所述第一判断结果为所述第i根索体的断丝量S_i不大于预警值，则进行第i+1根索体的断丝量S_i+1的计算。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种设置主纵梁的拉索类桥梁的索体损伤监测方法，其特征在于，所述方法包括：

根据桥梁的施工图建立桥梁的有限元模型；所述桥梁为设置主纵梁的拉索类桥梁；

基于桥梁模态监测数据，进行桥梁模态识别获得桥梁模态特征参数，并基于所述桥梁模态特征参数，采用三阶响应面法对所述有限元模型进行修正，生成修正的有限元模型；

采用所述修正的有限元模型进行模型分析求得单根索体两端的连接刚度；

根据所述单根索体两端的连接刚度模拟单根索体有限元模型两端的边界条件，建立单根索体有限元模型；

通过单根索体的断丝试验获得拉索断丝影响参数，对所述单根索体有限元模型进行修正，生成真实的单根索体有限元模型；

对所述真实的单根索体有限元模型进行断丝分析，确定索力-断丝量标定曲线；所述索力-断丝量标定曲线的纵坐标为索力，横坐标为断丝量；

根据所述索力-断丝量标定曲线确定索力存储矩阵和断丝量存储矩阵；

所述根据所述索力-断丝量标定曲线确定索力存储矩阵和断丝量存储矩阵，具体包括：

将所述索力-断丝量标定曲线的纵坐标值存储在所述索力存储矩阵F^b中，将与所述纵坐标值对应的横坐标值存储在所述断丝量存储矩阵S^b中；所述索力存储矩阵F^b中的索力与所述断丝量存储矩阵S^b中的断丝量具有一一对应关系，即

表示所述索力存储矩阵F^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j个断丝数据点对应的索力，

表示所述断丝量存储矩阵S^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j个断丝数据点对应的断丝量；

基于拉索索力监测数据建立拉索索力的力学平衡方程，获得每根索体的断丝标定索力并存储于断丝标定索力向量中；

根据所述断丝标定索力向量、索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵确定单根索体的断丝量；

所述根据所述断丝标定索力向量、索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵确定单根索体的断丝量，具体包括：

获取第i根索体的初始索力F_i ⁰、第i根索体无交通荷载作用下测得的监测恒载索力F_i以及索力传递比例系数；

根据所述初始索力F_i ⁰、所述监测恒载索力F_i以及所述索力传递比例系数，采用公式

确定第i根索体断丝引起的断丝卸载索力F_i'；其中

表示第i-j根索体发生断丝时，断丝索力传递到第i根索体上的索力传递比例系数；

表示第i+j根索体发生断丝时，断丝索力传递到第i根索体上的索力传递比例系数；s表示第i根索体左侧最远受到第i-s根索体断丝的影响；k表示第i根索体右侧最远受到第i+k根索体断丝的影响；F′_i-j表示第i-j根索体断丝引起的断丝卸载索力；F′_i+j表示第i+j根索体断丝引起的断丝卸载索力；

根据所述第i根索体断丝引起的断丝卸载索力F_i'，采用公式F_i ^d＝F_i ⁰-F_i'确定第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d；

根据所述第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d、所述索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵确定单根索体的断丝量；

根据所述单根索体的断丝量进行索体损伤监测和报警。

2.根据权利要求1所述的索体损伤监测方法，其特征在于，所述根据所述第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d、所述索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵确定单根索体的断丝量，具体包括：

根据所述第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d、所述索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵，采用公式

计算第i根索体的断丝量S_i；其中

表示所述索力存储矩阵F^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j+1个断丝数据点对应的索力，

表示所述断丝量存储矩阵S^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j+1个断丝数据点对应的断丝量。

3.根据权利要求2所述的索体损伤监测方法，其特征在于，所述根据所述单根索体的断丝量进行索体损伤监测和报警，具体包括：

判断所述第i根索体的断丝量S_i是否大于预警值，获得第一判断结果；

若所述第一判断结果为所述第i根索体的断丝量S_i大于预警值，则进行报警并对所述第i根索体采取相应的检测和加固处理；

若所述第一判断结果为所述第i根索体的断丝量S_i不大于预警值，则进行第i+1根索体的断丝量S_i+1的计算。

4.一种设置主纵梁的拉索类桥梁的索体损伤监测系统，其特征在于，所述系统包括：

桥梁有限元模型建立模块，用于根据桥梁的施工图建立桥梁的有限元模型；所述桥梁为设置主纵梁的拉索类桥梁；

桥梁有限元模型修正模块，用于基于桥梁模态监测数据，进行桥梁模态识别获得桥梁模态特征参数，并基于所述桥梁模态特征参数，采用三阶响应面法对所述有限元模型进行修正，生成修正的有限元模型；

单根索体连接刚度确定模块，用于采用所述修正的有限元模型进行模型分析求得单根索体两端的连接刚度；

单根索体有限元模型建立模块，用于根据所述单根索体两端的连接刚度模拟单根索体有限元模型两端的边界条件，建立单根索体有限元模型；

单根索体有限元模型修正模块，用于通过单根索体的断丝试验获得拉索断丝影响参数，对所述单根索体有限元模型进行修正，生成真实的单根索体有限元模型；

单根索体断丝分析模块，用于对所述真实的单根索体有限元模型进行断丝分析，确定索力-断丝量标定曲线；所述索力-断丝量标定曲线的纵坐标为索力，横坐标为断丝量；

存储矩阵确定模块，用于根据所述索力-断丝量标定曲线确定索力存储矩阵和断丝量存储矩阵；

所述存储矩阵确定模块具体包括：

存储矩阵确定单元，用于将所述索力-断丝量标定曲线的纵坐标值存储在所述索力存储矩阵F^b中，将与所述纵坐标值对应的横坐标值存储在所述断丝量存储矩阵S^b中；所述索力存储矩阵F^b中的索力与所述断丝量存储矩阵S^b中的断丝量具有一一对应关系，即

表示所述索力存储矩阵F^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j个断丝数据点对应的索力，

表示所述断丝量存储矩阵S^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j个断丝数据点对应的断丝量；

断丝标定索力计算模块，用于基于拉索索力监测数据建立拉索索力的力学平衡方程，获得每根索体的断丝标定索力并存储于断丝标定索力向量中；

单根索体断丝量计算模块，用于根据所述断丝标定索力向量、索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵确定单根索体的断丝量；

所述单根索体断丝量计算模块具体包括：

断丝量计算参数获取单元，用于获取第i根索体的初始索力F_i ⁰、第i根索体无交通荷载作用下测得的监测恒载索力F_i以及索力传递比例系数；

断丝卸载索力计算单元，用于根据所述初始索力F_i ⁰、所述监测恒载索力F_i以及所述索力传递比例系数，采用公式

确定第i根索体断丝引起的断丝卸载索力F_i'；其中

表示第i-j根索体发生断丝时，断丝索力传递到第i根索体上的索力传递比例系数；

表示第i+j根索体发生断丝时，断丝索力传递到第i根索体上的索力传递比例系数；s表示第i根索体左侧最远受到第i-s根索体断丝的影响；k表示第i根索体右侧最远受到第i+k根索体断丝的影响；F′_i-j表示第i-j根索体断丝引起的断丝卸载索力；F′_i+j表示第i+j根索体断丝引起的断丝卸载索力；

断丝标定索力计算单元，用于根据所述第i根索体断丝引起的断丝卸载索力F_i'，采用公式F_i ^d＝F_i ⁰-F_i'确定第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d；

断丝量计算单元，用于根据所述第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d、所述索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵确定单根索体的断丝量；

索体损伤监测模块，用于根据所述单根索体的断丝量进行索体损伤监测和报警。

5.根据权利要求4所述的索体损伤监测系统，其特征在于，所述断丝量计算单元具体包括：

断丝量计算子单元，用于根据所述第i根索体对应的断丝标定索力F_i ^d、所述索力存储矩阵和所述断丝量存储矩阵，采用公式

计算第i根索体的断丝量S_i；其中

表示所述索力存储矩阵F^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j+1个断丝数据点对应的索力，

表示所述断丝量存储矩阵S^b中第i根索体的索力-断丝量标定曲线中第j+1个断丝数据点对应的断丝量。

6.根据权利要求5所述的索体损伤监测系统，其特征在于，所述索体损伤监测模块具体包括：

断丝量判断单元，用于判断所述第i根索体的断丝量S_i是否大于预警值，获得第一判断结果；

报警单元，用于若所述第一判断结果为所述第i根索体的断丝量S_i大于预警值，则进行报警并对所述第i根索体采取相应的检测和加固处理；

断丝量迭代计算单元，用于若所述第一判断结果为所述第i根索体的断丝量S_i不大于预警值，则进行第i+1根索体的断丝量S_i+1的计算。

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