CN113848009A - 拱桥吊杆恒载索力的检测方法及检测设备 - Google Patents

拱桥吊杆恒载索力的检测方法及检测设备 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种拱桥吊杆恒载索力的检测方法及检测设备，该方法包括：获取待测吊杆进行桥梁静载试验时的频率和索力增量；根据第一运算规则、频率以及索力增量，得到待测吊杆的修正计算长度；根据第二运算规则以及修正计算长度，计算出待测吊杆的恒载索力。该方法可提高振动法中吊杆计算长度取值的合理性以及解决拱桥吊杆恒载索力检测中通用性差的问题。

Description

拱桥吊杆恒载索力的检测方法及检测设备
技术领域
本申请涉及桥梁结构检测、监测技术领域，具体而言，涉及一种拱桥吊杆恒载索力的检测方法及检测设备。
背景技术
采用柔性吊杆的拱桥在运营过程，受到荷载、环境作用及自身施工质量的影响，可能造成桥梁构件，包括吊杆自身的损伤，并表现在吊杆恒载索力的变化上。因此准确检测吊杆恒载索力对桥梁结构的安全评估有着重要的意义。
恒载索力检测主要是振动测试法，即已知吊杆的长度、分布质量及抗弯刚度，通过索股的振动频率计算出索的拉力。然而受到吊杆实际锚固构造、吊杆长度及吊杆系统实际技术状况等因素影响，使得吊杆两端边界条件与计算假设可能存在明显不相符，而使得计算出的吊杆索力误差明显偏大。
一般常用的处理方法为对吊杆计算长度进行标定。一般是在成桥前后，利用千斤顶或压力环测试吊杆索力，并测试吊杆的频率，最后标定出吊杆在不同状况下的索力计算长度。该方法仅适用于在建桥梁，而无法应用于旧桥上。因此大量的老旧拱桥检测中，只能依靠经验取值，存在随意性，可能造成吊杆恒载索力的误判。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种拱桥吊杆恒载索力的检测方法及检测设备，用以提高振动法中吊杆计算长度取值的合理性以及解决拱桥吊杆恒载索力检测中通用性差的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种拱桥吊杆恒载索力的检测方法，该方法包括：获取待测吊杆进行桥梁静载试验时的频率和索力增量；根据第一运算规则、所述频率以及所述索力增量，得到所述待测吊杆的修正计算长度；根据第二运算规则以及所述修正计算长度，计算出所述待测吊杆的恒载索力。
在上述实现过程中，本申请通过对待测吊杆进行桥梁静载试验实时获取待测吊杆的频率和索力增量，根据频率与索力增量并利用第一运算规则测得待测吊杆的修正计算长度，然后再将修正计算长度带入第二运算规则中计算出待测吊杆修正后的恒载索力，进而可提高吊杆计算长度取值的合理性，并且桥梁静载试验不仅可适用于新建桥梁还适用于老旧桥梁，可提高该方法的通用性。
在一种可能的实现方式中，所述获取待测吊杆进行桥梁静载试验时的频率和索力增量，包括：对待测吊杆进行桥梁静载试验；在静载试验分级加载过程中，测量所述待测吊杆的长度变化量及频率；根据第三运算规则以及所述长度变化量，计算出所述待测吊杆的索力增量。
在一种可能的实现方式中，所述第三运算规则包括：
Figure BDA0003272482600000021
其中，δl0为待测吊杆的长度变化量，l0为待测吊杆的长度，EA为待测吊杆的轴向刚度，δT为待测吊杆的索力增量。
在一种可能的实现方式中，所述测量待测吊杆的长度变化量，包括：采用挠度计或全站仪测量待测吊杆的长度变化量。
在一种可能的实现方式中，所述测量待测吊杆的频率，包括：采用压阻式加速度传感器测量待测吊杆的频率。
在一种可能的实现方式中，所述根据第一运算规则、所述频率以及所述索力增量，得到所述待测吊杆的修正计算长度，包括：根据所述频率和所述索力增量，计算得到所述索力增量与所述频率的平方差的比例系数；根据所述第一运算规则以及所述比例系数计算得出所述待测吊杆的修正计算长度。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述频率和所述索力增量，计算得到所述索力增量与所述频率的平方差的比例系数，包括：根据所述待测吊杆的所述频率和所述索力增量，利用最小二乘法拟合得到所述索力增量与所述频率的平方差的比例系数。
在一种可能的实现方式中，所述第一运算规则包括：
Figure BDA0003272482600000031
其中：lx为所述待测吊杆的修正计算长度；n为自振频率阶数；ρ为索的线密度，Kn为所述索力增量与所述频率的平方差的比例系数。
在一种可能的实现方式中，所述第二运算规则包括：
Figure BDA0003272482600000032
其中，T为恒载索力；fn为索的第n阶自振频率；EI为索的抗弯刚度。
第二方面，本申请还提供了一种测试拱桥吊杆恒载索力的设备，该设备包括采用第一方面任一实施例所述的拱桥吊杆恒载索力的检测方法检测拱桥吊杆恒载索力。
本申请通过桥梁静载试验的分级加载，实时测量待测吊杆的长度变化量和频率，根据第三运算规则
Figure BDA0003272482600000033
计算出待测吊杆的索力增量。根据待测吊杆的索力增量与频率的平方差成正比，采用最小二乘法拟合得到索力增量与频率平方差的比例系数，并根据第一运算规则
Figure BDA0003272482600000034
计算出待测吊杆的修正计算长度。然后利用修正计算长度替换原吊杆索力计算公式中的计算长度，根据恒载下的吊杆频率可计算得出吊杆的恒载索力，可见，该方法原理简单易懂，可避免复杂的计算分析，技术要求低，并可避免振动法中吊杆计算长度取值的不合理性的缺点，可以一索一标定，适用性较强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种拱桥吊杆恒载索力的检测方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的另一种拱桥吊杆恒载索力的检测方法的流程图；
图3为本申请实施例提供的一种吊杆I的索力增量与频率平方差线性拟合图；
图4为本申请实施例提供的一种吊杆II的索力增量与频率平方差线性拟合图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
恒载索力检测主要是振动测试法，即已知吊杆的长度、分布质量及抗弯刚度，通过索股的振动频率计算出索的拉力。常用计算公式为假设吊杆两端简支且考虑吊杆抗弯刚度的影响，具体为：
Figure BDA0003272482600000051
式中：T为恒载索力；fn为索的第n阶自振频率；EI为索的抗弯刚度；l为索的计算长度；n为自振频率阶数；ρ为索的线密度。
第一方面，本申请实施例提供了一种拱桥吊杆恒载索力的检测方法，请参考图1与图2，图1为本申请实施例提供的一种拱桥吊杆恒载索力的检测方法的流程图；图2为本申请实施例提供的另一种拱桥吊杆恒载索力的检测方法的流程图。该方法包括：
S100：获取待测吊杆进行桥梁静载试验时的频率和索力增量；
具体地，步骤S100包括：
S110：对待测吊杆进行桥梁静载试验；
S120：在静载试验分级加载过程中，测量所述待测吊杆的长度变化量及频率；
S130：根据第三运算规则以及所述长度变化量，计算出所述待测吊杆的索力增量。
静载试验过程中无法直接获取得到待测吊杆的索力增量，但可以直接采用挠度计或全站仪测量得到待测吊杆的长度变化量。具体地，静载试验时在待测吊杆上、下端对应的拱肋、系梁位置分别布置棱镜，采用全站仪观测棱镜在加载前后的位移变化量，计算出待测吊杆的长度变化量。
由第三运算规则根据待测吊杆的长度变化量计算待测吊杆的索力增量δT，第三运算规则包括：
Figure BDA0003272482600000061
其中，δl0为待测吊杆的长度变化量，l0为待测吊杆的长度，EA为待测吊杆的轴向刚度，δT为待测吊杆的索力增量。
因此，将测得的待测吊杆的长度变化量代入第三运算规则中即可计算得到待测吊杆的索力增量δT。
静载试验中可以通过采用压阻式加速度传感器或其它类似传感器直接测量得到待测吊杆的频率，为进一步提高频率的测量准确度，可采用高灵敏度压阻式加速度传感器。
S200：根据第一运算规则、所述频率以及所述索力增量，得到所述待测吊杆的修正计算长度；
具体地，步骤S200包括：
S210：根据所述频率和所述索力增量，计算得到所述索力增量与所述频率的平方差的比例系数；
S220：根据所述第一运算规则以及所述比例系数计算得出所述待测吊杆的修正计算长度。
具体推导过程如下：
根据常用吊杆索力计算公式，具体为：
Figure BDA0003272482600000062
假设待测吊杆恒载索力由T1增加到T2，对应地，吊杆的频率也由fn,1增加到fn,2，则有：
Figure BDA0003272482600000063
因此可推出，恒载索力差值为：
Figure BDA0003272482600000064
由上式可知，吊杆的索力增量与频率的平方差成正比，比例系数Kn为：
Figure BDA0003272482600000071
因此，基于步骤S100获取到的待测吊杆在桥梁静载试验时的频率和索力增量，可得到比例系数Kn，然后根据公式
Figure BDA0003272482600000072
即可推出第一运算规则
Figure BDA0003272482600000073
也即获得待测吊杆的修正计算长度lx。
具体地，在步骤S210可根据所述待测吊杆的所述频率和所述索力增量，采用最小二乘法拟合得到所述索力增量与所述频率的平方差的比例系数，可有效提高比例系数的精确度。
S300：根据第二运算规则以及所述修正计算长度，计算出所述待测吊杆的恒载索力。
具体地，利用修正计算长度替换原吊杆索力计算公式中的计算长度，即可得到修正后的待测吊杆的恒载索力，即第二运算规则，具体为：
Figure BDA0003272482600000074
进一步地，当取待测吊杆的一阶频率时，第二运算规则还可进一步简化为：
Figure BDA0003272482600000075
以某拱桥的两根吊杆为例，进行具体的吊杆恒载索力测试过程阐述，以清楚说明上述测试拱桥吊杆恒载索力的方法可有效提高测试精度，具体如下：
待测吊杆参数如表1：
表1：试验吊杆参数表
Figure BDA0003272482600000076
Figure BDA0003272482600000081
吊杆索截面轴向刚度：EA＝2.46×105kN。
吊杆索的抗弯刚度：EI＝17.25(kN×m2)。
静载试验时在待测吊杆上、下端对应的拱肋、系梁位置分别布置棱镜，采用全站仪观测棱镜在加载前后的位移变化量，计算出待测吊杆的长度变化量。由第三运算规则计算待测吊杆索力增量，具体为：
Figure BDA0003272482600000082
同时采用索力动测仪测试吊杆在加载前后的一阶振动频率。
实测吊杆I、吊杆II长度变化量及一阶振动频率分别如表2、表3。
表2实测吊杆I长度变化量与频率
Figure BDA0003272482600000083
表3实测吊杆II长度变化量与频率
Figure BDA0003272482600000084
对两根吊杆索力增量与频率平方差进行线性拟合，如图3、图4。图3为本申请实施例提供的一种吊杆I的索力增量与频率平方差线性拟合图；图4为本申请实施例提供的一种吊杆II的索力增量与频率平方差线性拟合图。
吊杆I的拟合公式为：
Figure BDA0003272482600000091
R2＝0.9297
吊杆II的拟合公式为：
Figure BDA0003272482600000092
R2＝0.9455
可计算得到吊杆I、吊杆II的修正计算长度如表4。表4显示待测吊杆索力修正计算长度明显小于实际长度。
表4试验吊杆计算参数表
Figure BDA0003272482600000093
分别采用修正计算长度与待测吊杆实际长度进行索力计算，索力误差如表5。采用实际长度进行索力计算时，误差超过了15％，而采用修正计算长度进行计算时，误差不超过5％。因此采用修正计算长度可以明显提高检测精度。
表5吊杆索力误差比较表
Figure BDA0003272482600000094
综上，本申请提供的拱桥吊杆恒载索力的检测方法，通过桥梁静载试验的分级加载，实时测量待测吊杆的长度变化量和频率，根据第三运算规则
Figure BDA0003272482600000101
计算出待测吊杆的索力增量。根据待测吊杆的索力增量与频率的平方差成正比，采用最小二乘法拟合得到索力增量与频率平方差的比例系数，并根据第一运算规则
Figure BDA0003272482600000102
计算出待测吊杆的修正计算长度。然后利用修正计算长度替换原吊杆索力计算公式中的计算长度，根据恒载下的吊杆频率可计算得出吊杆的恒载索力，可见，该方法原理简单易懂，可避免复杂的计算分析，技术要求低，并可避免振动法中吊杆计算长度取值的不合理性的缺点，可以一索一标定，适用性较强。
第二方面，本申请还提供了一种拱桥吊杆恒载索力的检测设备，该设备包采用第一方面任一实施例所述的拱桥吊杆恒载索力的检测方法检测拱桥吊杆恒载索力。
具体地，上述拱桥吊杆恒载索力的检测设备包括：获取模块、第一计算模块与第二计算模块，获取模块用于获取待测吊杆进行桥梁静载试验时的频率和索力增量，第一计算模块用于根据第一运算规则、所述频率以及所述索力增量，得到所述待测吊杆的修正计算长度，第二计算模块用于根据第二运算规则以及所述修正计算长度，计算出所述待测吊杆的恒载索力。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种拱桥吊杆恒载索力的检测方法，其特征在于，包括：
获取待测吊杆进行桥梁静载试验时的频率和索力增量；
根据第一运算规则、所述频率以及所述索力增量，得到所述待测吊杆的修正计算长度；
根据第二运算规则以及所述修正计算长度，计算出所述待测吊杆的恒载索力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取待测吊杆进行桥梁静载试验时的频率和索力增量，包括：
对待测吊杆进行桥梁静载试验；
在静载试验分级加载过程中，测量所述待测吊杆的长度变化量及频率；
根据第三运算规则以及所述长度变化量，计算出所述待测吊杆的索力增量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第三运算规则包括：
Figure FDA0003272482590000011
其中，δl0为待测吊杆的长度变化量，l0为待测吊杆的长度，EA为待测吊杆的轴向刚度，δT为待测吊杆的索力增量。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量所述待测吊杆的长度变化量，包括：采用挠度计或全站仪测量待测吊杆的长度变化量。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量所述待测吊杆的频率，包括：采用压阻式加速度传感器测量待测吊杆的频率。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据第一运算规则、所述频率以及所述索力增量，得到所述待测吊杆的修正计算长度，包括：
根据所述频率和所述索力增量，计算得到所述索力增量与所述频率的平方差的比例系数；
根据所述第一运算规则以及所述比例系数计算得出所述待测吊杆的修正计算长度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述频率和所述索力增量，计算得到所述索力增量与所述频率的平方差的比例系数，包括：
根据所述待测吊杆的所述频率和所述索力增量，利用最小二乘法拟合得到所述索力增量与所述频率的平方差的比例系数。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一运算规则包括：
Figure FDA0003272482590000021
其中：lx为所述待测吊杆的修正计算长度；n为自振频率阶数；ρ为索的线密度，Kn为所述索力增量与所述频率的平方差的比例系数。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二运算规则包括：
Figure FDA0003272482590000022
其中，T为恒载索力；fn为索的第n阶自振频率；EI为索的抗弯刚度。
10.一种拱桥吊杆恒载索力的检测设备，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的拱桥吊杆恒载索力的检测方法检测拱桥吊杆恒载索力。
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