CN112613204A

CN112613204A - 一种拱桥吊杆索力计算方法及装置

Info

Publication number: CN112613204A
Application number: CN202011389806.6A
Authority: CN
Inventors: 李红; 李燕; 靳波; 翟鹏; 刘娇; 朱秋婷
Original assignee: Jincheng Expressway Branch Shanxi Transporation Holdings Group Co ltd; Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Jincheng Expressway Branch Shanxi Transporation Holdings Group Co ltd; Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2021-04-06
Anticipated expiration: 2040-12-02
Also published as: CN112613204B

Abstract

本发明涉及一种拱桥吊杆索力计算方法、装置及计算机存储介质，其中方法包括以下步骤：针对待测拱桥建立全桥有限元模型；根据所述全桥有限元模型建立吊杆所受振动激励的频率与吊杆的索力之间的关系模型；获取待测拱桥在不同多阶实验频率下的索力值；根据不同多阶实验频率对应的索力值对所述关系模型进行拟合，得到索力计算公式；根据所述索力计算公式计算待测拱桥的索力值。本发明提供的吊杆索力计算方法适用于不同类型的拱桥吊杆，计算误差小。

Description

一种拱桥吊杆索力计算方法及装置

技术领域

本发明涉及桥梁安全监测技术领域，尤其涉及一种拱桥吊杆索力计算方法、装置及计算机存储介质。

背景技术

由于拱桥吊杆在运营过程中，受多种因素影响，往往会发生桥梁线性变化、吊杆索力重分布的现象，通过频率法测量吊杆基频间接获得拱桥吊杆索力是现在针对于运营期拱桥监控中较为常见的手段之一，测量手段与过程较于压力表法、压力传感器法和磁通量法等都更为简洁迅速，并且可多次重复测量，单次成本较低。

然而早期的频率与索力间的函数关系主要是以斜拉桥的拉索模型建立，斜拉桥的拉索与拱桥吊杆对比，存在长细比大、具有一定垂度等特点，根据前人分别所推导出的基于弦模型和梁模型的吊杆固有频率和长细比关系作出对应的曲线，可以发现长细比越小时，吊杆本身受边界条件的影响越大，加之吊杆端部通常设置有锚箱、导管和减震器，安装锚固时易出现位置偏差挤压减震器，所以拱桥吊杆的频率-索力计算公式需要考虑的情况较为复杂，不同的拱桥桥型，如中承式拱桥、下承式拱桥等，适用的吊杆索力实用经验公式有所不同，且会产生至少5％以上的误差率，不能较好满足工程需求。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种拱桥吊杆索力计算方法、装置及计算机存储介质，用以解决基于斜拉桥建立的频率索力关系模型不适用于拱桥，且采用同一模型计算不同类型拱桥吊杆索力误差率较大的问题。

本发明提供一种拱桥吊杆索力计算方法，包括以下步骤：

针对待测拱桥建立全桥有限元模型；

根据所述全桥有限元模型建立吊杆所受振动激励的频率与吊杆的索力之间的关系模型；

获取待测拱桥在不同多阶实验频率下的索力值；

根据不同多阶实验频率对应的索力值对所述关系模型进行拟合，得到索力计算公式；

根据所述索力计算公式计算待测拱桥的索力值。

进一步的，根据所述全桥有限元模型建立吊杆所受振动激励的频率与吊杆的索力之间的关系模型，具体为：

其中，T为吊杆的索力，a、b、c均为待定系数，m为吊杆线密度，f_n为吊杆所受振动激励的n阶频率，L₀为吊杆长度。

进一步的，根据所述全桥有限元模型建立吊杆所受振动激励的频率与吊杆的索力之间的关系模型，还包括：

在吊杆的长细比大于设定比值，且频率实验的减震器、横梁以及拱肋的等效质量小于设定值时，对所述关系模型进行简化：

进一步的，根据不同多阶实验频率对应的索力值对所述关系模型进行拟合，得到索力计算公式，具体为：

将多阶实验频率对应的索力值分别代入所述关系模型，确定所述待定系数a、b、c，得到所述索力计算公式。

进一步的，根据所述索力计算公式计算待测拱桥的索力值，具体为：

计算吊杆长度，将所述吊杆长度代入所述索力计算公式，得到待测拱桥的索力值。

进一步的，计算吊杆长度，具体为：

获取吊杆的理论长度，根据吊杆的安装状态对所述理论长度进行修正，得到所述吊杆长度。

本发明还提供一种拱桥吊杆索力计算装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述拱桥吊杆索力计算方法。

本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现所述拱桥吊杆索力计算方法。

有益效果：本发明在建立频率与索力之间的关系模型之前建立全桥有限元模型，使得建立的关系模型与拱桥结构更为贴合，能适用于不同类型拱桥结构的索力值计算。然后又根据实际的实验数据，也就是多阶实验频率下的对应的索力值，拟合得到具体的索力计算公式，使得索力计算公式与待测拱桥的实际频率-索力关系更为接近，从而提高索力计算精度。最后将待测拱桥的参数值代入索力计算公式即可计算出索力值，计算方便。

附图说明

图1为本发明提供的拱桥吊杆索力计算方法第一实施例的方法流程图；

图2为吊杆一实施例的结构示意图；

图3为图2中吊杆自振时的线性谱。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提供了拱桥吊杆索力计算方法，包括以下步骤：

S1、针对待测拱桥建立全桥有限元模型；

S2、根据所述全桥有限元模型建立吊杆所受振动激励的频率与吊杆的索力之间的关系模型；

S3、获取待测拱桥在不同多阶实验频率下的索力值；

S4、根据不同多阶实验频率对应的索力值对所述关系模型进行拟合，得到索力计算公式；

S5、根据所述索力计算公式计算待测拱桥的索力值。

本实施例在建立频率与索力之间的关系模型之前建立全桥有限元模型，使得建立的关系模型与拱桥结构更为贴合，也使得本实施例得以适用于不同类型拱桥结构的索力值计算，全桥有限元模型采用MIDAS Civil软件建立。关系模型建立以后，又根据实际的实验数据，也就是多阶实验频率下的对应的索力值，采用数值拟合的方式，拟合得到具体的索力计算公式，使得索力计算公式与待测拱桥的实际频率-索力关系更为接近，从而提高索力计算精度。实验数据的获取，通过人工或者环境振动激励待测吊杆，在吊杆上安装振动频谱采集装置进行频谱图采集，在频谱图上获得吊杆振动时的n阶频率f_n，采集到频率阶数尽量多。拟合得到索力计算公式后，对于待测拱桥而言，只需要将参数值代入索力计算公式即可计算出索力值，计算方便。

本发明能适用于采用频率法测绝大多数拱桥吊杆索力，本发明中索力计算公式是以待测拱桥的全桥有限元模型吊杆索力关系模型、张拉控制力、实验测得的张拉实测索力三种不同方式得到的索力作为标准对不同模型条件、边界条件下的频率-索力公式进行数值分析，最后确定的误差最小、精确度最高的频率-索力关系函数公式，能够将误差控制在5％左右。

优选的，根据所述全桥有限元模型建立吊杆所受振动激励的频率与吊杆的索力之间的关系模型，具体为：

为解决拱桥吊杆的常规频率-索力计算公式无法很好适用于不同类型拱桥的问题，本实施例在采集吊杆频率与索力建立的函数关系模型中，综合考虑了有关频率一次项和二次项，即f_n项和(f_n)²项，从而提高拱桥吊杆索力计算的准确性。当n取1时，f₁为吊杆基频，系数b是与吊杆线密度m、抗弯刚度EI相关的参数，系数c是与吊杆抗弯刚度EI相关的参数。

优选的，根据所述全桥有限元模型建立吊杆所受振动激励的频率与吊杆的索力之间的关系模型，还包括：

未简化的模型中第二项与第三项，即

通常与吊杆简化模型有关，当吊杆长细比较大且锚固端减震器、横梁和拱肋等效质量较小时，吊杆模型接近弦模型，索力计算结果受抗弯刚度EI因素影响较小，因此b、c均取0。本实施例中a取为4。

优选的，根据不同多阶实验频率对应的索力值对所述关系模型进行拟合，得到索力计算公式，具体为：

通过吊杆张拉时千斤顶油表记录的实测索力和吊杆锚固后对应频率代入关系模型进行待定系数确定，得到具体计算公式。

优选的，根据所述索力计算公式计算待测拱桥的索力值，具体为：

得到索力计算公式后，在拱桥吊杆之后的健康监测中可以直接在测得吊杆的振动频率后，代入公式，间接得到吊杆索力值，简化运营期拱桥吊杆索力测量过程。由于索力计算公式中还包括吊杆长度，因此计算时还需要获取吊杆长度。

由于拱桥同一型号吊杆的长细比差距较小，在吊杆定期更换过程中做好张拉实测索力和频率记录，累积数据对同规格吊杆公式进行不断修正。

优选的，计算吊杆长度，具体为：

实际使用过程中，吊杆长度与吊杆设计图中的理论长度是有区别的，只有确保吊杆沿计算长度内刚度均一、受力连贯、无其他支点，才能认为吊杆长度等于理论长度。因此本实施例可以通过公式L₀＝L-L_x进行修正，L₀为吊杆长度，L为理论长度，L_x为修正值，L_x的取值根据吊杆实际安装情况进行定义。例如采用有限元软件进行模拟时，吊杆两端的减震器(索导管内的拱端减震器和梁端减震器，相当于一种阻尼元件，使得刚度大于吊杆中间段刚度，其约束作用减小了吊杆自由振动长度)相对(锚固端)安装长度较小，对吊杆模态频率的影响远低于实际环境/人工误差的影响，L_x可取值为0。

为了更清楚的解释本发明，以某单侧双吊杆中承式拱桥的同一规格吊杆为例，进行具体的索力计算过程阐述。吊杆结构具体如图2所示，吊杆的理论长度L＝L₁+L₂+L₃，L₁为下导管长度，L₂为不锈钢套管长度，L₃为上导管长度，吊杆一端连接下锚垫板21，下锚垫板21上安装上保护罩11，上保护罩11为张拉端；吊杆另一端连接上锚垫板22，上锚垫板22上安装下保护罩12，下保护罩12为固定端。吊杆线密度m＝24.504kg/m，抗弯刚度EI＝3.36E+0.2KN·m²，关系模型建立以后，索力计算过程包括如下步骤：

1、由于吊杆在安装过程中需要用千斤顶在锚固端张拉，待吊杆张拉完成后，记录千斤顶的张拉力数值作为实测索力的初始值T₀，如下表：

表1：

吊杆编号	1	2	3	4
					实测索力T<sub>0</sub>(kN)	792.5	749.2	753	749

2、采用环境激励吊杆的方式，在吊杆计算长度内绑扎固定加速度传感器，配合对应产品的数据采集分析软件，频率分辨率至少达0.01Hz，采集得到的频谱图如图3所示。通过平均处理法求得n阶频率，各阶频率满足关系式：

得到吊杆基频f₁如下表所示：

表2：

吊杆编号	1	2	3	4
					吊杆基频f<sub>1</sub>(Hz)	13.75	13.375	13.5	13.1875

振动频谱采集装置的安装位置应优先置于吊杆平面外振幅最大处。

3、将张拉后记录的吊杆索力和对应的频率值使用数学软件对关系模型进行拟合，得到待定系数a、b、c的数值，确定不含未知参数的拱桥吊杆索力计算公式如下：

4、根据计算公式计算索力，为验证计算误差，将根据公式算得的吊杆索力与实际索力进行比较，得到的误差率结果如下表，实际索力采用常规方法计算即可，此处采用梁模型简单边界条件下两端简支时公式

计算：

表3：

吊杆编号	1	2	3	4
					本方法误差率(％)	-1.144	-1.053	0.2939	-3.777
常规方法误差率(％)	10.151	10.773	24.1	13.597

从上表中可以看出，本发明计算的索力最大误差控制在5％以内，说明本发明提供的吊杆频率-索力计算公式较为全面的考虑了频率的一次项、二次项在拱桥吊杆索力中的影响，通过数值拟合的方法使得获得的索力更加准确，并且解决了吊杆边界条件复杂、难以识别找到对应具体公式的问题。

实施例2

本发明的实施例2提供了拱桥吊杆索力计算装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现实施例1提供的拱桥吊杆索力计算方法。

本发明实施例提供的拱桥吊杆索力计算装置，用于实现拱桥吊杆索力计算方法，因此，拱桥吊杆索力计算方法所具备的技术效果，拱桥吊杆索力计算装置同样具备，在此不再赘述。

实施例3

本发明的实施例3提供了计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现实施例1提供的拱桥吊杆索力计算方法。

本发明实施例提供的计算机存储介质，用于实现拱桥吊杆索力计算方法，因此，拱桥吊杆索力计算方法所具备的技术效果，计算机存储介质同样具备，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种拱桥吊杆索力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

针对待测拱桥建立全桥有限元模型；

获取待测拱桥在不同多阶实验频率下的索力值；

根据所述索力计算公式计算待测拱桥的索力值。

2.根据权利要求1所述的拱桥吊杆索力计算方法，其特征在于，根据所述全桥有限元模型建立吊杆所受振动激励的频率与吊杆的索力之间的关系模型，具体为：

3.根据权利要求2所述的拱桥吊杆索力计算方法，其特征在于，根据所述全桥有限元模型建立吊杆所受振动激励的频率与吊杆的索力之间的关系模型，还包括：

4.根据权利要求2所述的拱桥吊杆索力计算方法，其特征在于，根据不同多阶实验频率对应的索力值对所述关系模型进行拟合，得到索力计算公式，具体为：

5.根据权利要求1所述的拱桥吊杆索力计算方法，其特征在于，根据所述索力计算公式计算待测拱桥的索力值，具体为：

6.根据权利要求5所述的拱桥吊杆索力计算方法，其特征在于，计算吊杆长度，具体为：

7.一种拱桥吊杆索力计算装置，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-6任一项所述的拱桥吊杆索力计算方法。

8.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如权利要求1-6任一项所述的拱桥吊杆索力计算方法。