CN115855346A - 悬索桥边主缆索力检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬索桥边主缆索力检测方法及系统，检测系统包括测试模块、钢束索力计算模块和主缆索力计算模块。检测方法包括：首先，测试模块可以通过在主缆锚碇端经过分索器分索后的每根钢束上设置的拾振器采集每根预应力钢束的振动频率。然后，钢束索力计算模块可以通过采集到的振动频率计算每根预应力钢束的钢束索力。最后，主缆索力计算模块可以根据所有预应力钢束对应的计算出整根主缆对应的主缆索力。由于是通过主缆锚碇端测试得到的振动频率计算主缆索力，所以工作人员无需攀爬至主缆上采集振动频率，确保检测安全。
Description
技术领域
本发明涉及测量柔性元件的张力技术领域，具体涉及一种悬索桥边主缆索力检测方法及系统。
背景技术
近年来，桥梁工程的应用范围正逐步由跨越沟谷、江河向跨越海湾、海峡和连接岛屿、大陆等宽广水域发展，由于大跨度多塔悬索桥跨越能力大、受力合理、能最大限度发挥材料强度、造价经济及对地形适应能力强等特点，成为跨越千米以上障碍物最理想的桥型。主缆作为一种极其敏感的柔性构件，除承受自身载荷，还承受加劲梁的恒载和活载作用，是全桥结构受力的生命线。在桥梁检测和监控中对主缆索力的检测成为悬索桥检测中至关重要的一环。
而在边跨主缆索力的测量过程中，试验人员往往需要攀爬至主缆之上绑定拾振器。这种测量主缆频率的方式由于主缆既不准确又存在人员高空施工危险。因此，现亟需一种新型的悬索桥边主缆索力的检测技术。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种悬索桥边主缆索力检测方法及系统，可以通过主缆锚碇端的各根预应力钢束的振动频率计算主缆索力，无需测试人员攀爬到主缆之上。具体技术方案如下：
第一方面，提供了一种悬索桥边主缆索力检测方法，包括：
获取主缆锚碇端中每根预应力钢束的振动频率；
根据相应的振动频率计算每根预应力钢束对应的钢束索力；
基于所有预应力钢束对应的钢束索力计算得到主缆索力。
结合第一方面，在第一方面的第一种可实现方式中，根据相应的振动频率计算预应力钢束对应的钢束索力，包括：
根据获取的所述振动频率确定所述预应力钢束对应的应变时程曲线；
对所述应变时程曲线进行频谱分析，得到所述预应力钢束对应的频率-幅值曲线；
通过所述频率-幅值曲线确定所述预应力钢束对应的钢束基频；
根据所述钢束基频，采用频率-索力计算方法计算所述预应力钢束对应的钢束索力。
结合第一方面的第一种可实现方式，在第一方面的第二种可实现方式中，根据所述频率-幅值曲线中相邻两阶频率差确定所述钢束基频；
或，根据所述频率-幅值曲线的初始峰值频率确定所述钢束基频。
结合第一方面，在第一方面的第三种可实现方式中，所述基于所有预应力钢束对应的钢束索力计算得到主缆索力，包括：
根据相应的钢束索力确定每根所述预应力钢束对应的平行于主缆方向的平行分力；
根据所有所述预应力钢束对应的平行分力计算主缆索力。
结合第一方面，在第一方面的第四种可实现方式中，还包括：
根据桥梁结构数据构建相应的有限元模型进行有限元分析，得到主缆索力计算值；
通过所述主缆索力计算值对计算得到的主缆索力进行验证。
第二方面，提供了一种悬索桥边主缆索力检测系统，包括：
测试模块，配置为获取主缆锚碇端中每根预应力钢束的振动频率；
钢束索力计算模块，配置为根据相应的振动频率计算每根预应力钢束对应的钢束索力；
主缆索力计算模块，配置为基于所有预应力钢束对应的钢束索力计算得到主缆索力。
结合第二方面，在第二方面的第一种可实现方式中，所述钢束索力计算模块包括：
曲线确定单元，配置为根据获取的所述振动频率确定所述预应力钢束对应的应变时程曲线；
频谱分析单元，配置为对所述应变时程曲线进行频谱分析，得到所述预应力钢束对应的频率-幅值曲线；
基频确定单元，配置为通过所述频率-幅值曲线确定所述预应力钢束对应的钢束基频；
钢束索力计算单元，配置为根据所述钢束基频，采用频率-索力计算方法计算所述预应力钢束对应的钢束索力。
结合第二方面的第一种可实现方式，在第二方面的第二种可实现方式中，所述基频确定单元根据所述频率-幅值曲线中相邻两阶频率差确定所述钢束基频；
或，根据所述频率-幅值曲线的初始峰值频率确定所述钢束基频。
结合第二方面，在第二方面的第三种可实现方式中，所述主缆索力计算模块包括：
索力分解单元，配置为根据相应的钢束索力确定每根所述预应力钢束对应的平行于主缆方向的平行分力；
主缆索力计算单元，配置为根据所有所述预应力钢束对应的平行分力计算主缆索力。
结合第二方面，在第二方面的第四种可实现方式中，还包括：
验证模块，配置为根据桥梁结构数据构建相应的有限元模型进行有限元分析，得到主缆索力计算值，并通过所述主缆索力计算值对计算得到的主缆索力进行验证。
有益效果：采用本发明的悬索桥边主缆索力检测方法及系统，可以在主缆底部采集主缆锚碇端中每根预应力钢束的振动频率，通过所有预应力钢束的振动频率计算出主缆索力，从而无需测试人员攀爬至主缆之上采集数据进行计算，确保检测安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明一实施例提供的悬索桥边主缆索力检测方法的流程图；
图2为本发明一实施例提供的预应力钢束的钢束索力计算方法的流程；
图3为本发明一实施例提供的悬索桥边主缆索力检测系统的系统框图；
图4为本发明一实施例提供的钢束索力计算模块、主缆索力计算模块的系统框图；
图5为本发明一实施例提供的悬索桥边主缆索力检测系统的系统框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示的悬索桥边主缆索力检测方法的流程图，该检测方法包括：
步骤1、获取主缆锚碇端中每根预应力钢束的振动频率；
步骤2、根据相应的振动频率计算每根预应力钢束对应的钢束索力；
步骤3、基于所有预应力钢束对应的钢束索力计算得到主缆索力。
具体而言，首先，可以通过在主缆锚碇端经过分索器分索后的每根钢束上设置的拾振器采集每根预应力钢束的振动频率。然后，通过采集到的振动频率计算每根预应力钢束的钢束索力，最后，根据所有预应力钢束对应的计算出整根主缆对应的主缆索力。由于是通过主缆锚碇端测试得到的振动频率计算主缆索力，所以工作人员无需攀爬至主缆上采集振动频率，确保检测安全。
在本实施例中，在步骤2中，根据相应的振动频率计算预应力钢束对应的钢束索力，包括：
步骤2-1、根据获取的所述振动频率确定所述预应力钢束对应的应变时程曲线；
步骤2-2、对所述应变时程曲线进行频谱分析，得到所述预应力钢束对应的频率-幅值曲线；
步骤2-3、通过所述频率-幅值曲线确定所述预应力钢束对应的钢束基频；
步骤2-4、根据所述钢束基频，采用频率-索力计算方法计算所述预应力钢束对应的钢束索力。
具体而言，如图2所示，在计算预应力钢束索力时，可以先通过拾振器采集到的振动频率，确定预应力钢束对应的应变时程曲线。然后，对应变时程曲线进行傅里叶变换，从而得到预应力钢束对应的频率-幅值曲线，之后，即可通过频率-幅值曲线确定预应力钢束的钢束基频。在本实施例中，可以选取所述频率-幅值曲线中相邻两阶频率差确定所述钢束基频，或者选取所述频率-幅值曲线的初始峰值频率确定所述钢束基频。最后，基于预应力钢束的钢束基频，采用现有的频率-索力计算方法计算出预应力钢束对应的钢束索力。
斜拉索可近似看作两头固结、而自重又可忽略不计的理想拉弦形式，根据柔韧弦振动理论，可得出相应无阻尼自由振动方程：
式中：u(x,t)——索上各点在时刻t的横向位移；
ρ——线密度；
T——钢束索力。
由上式可得到索力与频率之间的关系：
式中：l——斜拉索计算长度；
fn——斜拉索第n阶固有频率；
n——振动阶次；
f1——钢束基频。
在本实施例中，在步骤3中，所述基于所有预应力钢束对应的钢束索力计算得到主缆索力，包括：
根据相应的钢束索力确定每根所述预应力钢束对应的平行于主缆方向的平行分力；
根据所有所述预应力钢束对应的平行分力计算主缆索力。
具体而言，在计算主缆索力时，首先，可以先将每根预应力钢束的钢束索力按照投影原理，分解成平行于主缆方向的平行分力，以及垂直于主缆中心线的垂直分力。然后，将所有预应力钢束对应的平行分力叠加起来得到主缆索力。
在本实施例中，可选的，在计算出主缆索力后，为了提高检测的精准度，还包括：根据桥梁结构数据构建相应的有限元模型进行有限元分析，得到主缆锚碇对应的主缆索力计算值。通过所述主缆索力计算值对计算得到的主缆索力进行验证。
如图3所示的悬索桥边主缆索力检测系统的系统框图，该检测系统包括：
测试模块，配置为获取主缆锚碇端中每根预应力钢束的振动频率；
钢束索力计算模块，配置为根据相应的振动频率计算每根预应力钢束对应的钢束索力；
主缆索力计算模块，配置为基于所有预应力钢束对应的钢束索力计算得到主缆索力。
具体而言，检测系统由测试模块、钢束索力计算模块和主缆索力计算模块组成。其中，测试模块可以通过在主缆锚碇端经过分索器分索后的每根钢束上设置的拾振器采集每根预应力钢束的振动频率。钢束索力计算模块可以通过采集到的振动频率计算每根预应力钢束的钢束索力。主缆索力计算模块可以根据所有预应力钢束对应的计算出整根主缆对应的主缆索力。由于是通过主缆锚碇端测试得到的振动频率计算主缆索力，所以工作人员无需攀爬至主缆上采集振动频率，确保检测安全。
在本实施例中，可选的，所述钢束索力计算模块包括：
曲线确定单元，配置为根据获取的所述振动频率确定所述预应力钢束对应的应变时程曲线；
频谱分析单元，配置为对所述应变时程曲线进行频谱分析，得到所述预应力钢束对应的频率-幅值曲线；
基频确定单元，配置为通过所述频率-幅值曲线确定所述预应力钢束对应的钢束基频；
钢束索力计算单元，配置为根据所述钢束基频，采用频率-索力计算方法计算所述预应力钢束对应的钢束索力。
具体而言，如图4所示，所述钢束索力计算模块是由曲线确定单元、频谱分析单元、基频确定单元和钢束索力计算单元组成。其中，曲线确定单元可以通过拾振器采集到的振动频率，确定预应力钢束对应的应变时程曲线。频谱分析单元可以对应变时程曲线进行傅里叶变换，从而得到预应力钢束对应的频率-幅值曲线。基频确定单元可以通过频率-幅值曲线确定预应力钢束的钢束基频。
在本实施例中，基频确定单元可以选取所述频率-幅值曲线中相邻两阶频率差确定所述钢束基频，或者选取所述频率-幅值曲线的初始峰值频率确定所述钢束基频。钢束索力计算单元可以根据预应力钢束的钢束基频，采用现有的频率-索力计算方法计算出预应力钢束对应的钢束索力。
在本实施例中，可选的，所述主缆索力计算模块包括：
索力分解单元，配置为根据相应的钢束索力确定每根所述预应力钢束对应的平行于主缆方向的平行分力；
主缆索力计算单元，配置为根据所有所述预应力钢束对应的平行分力计算主缆索力。
具体而言，主缆索力计算模块是由索力分解单元和主缆索力计算单元组成。其中，索力分解单元可以将每根预应力钢束的钢束索力按照投影原理，分解成平行于主缆方向的平行分力，以及垂直于主缆中心线的垂直分力。主缆索力计算单元可以将所有预应力钢束对应的平行分力叠加起来得到主缆索力。
在本实施例中，可选的，如图5所示，检测系统还包括验证模块，配置为根据桥梁结构数据构建相应的有限元模型进行有限元分析，得到主缆索力主缆索力计算值，并通过所述主缆索力计算值计算主缆索力对测得的主缆索力进行验证。
具体而言，验证模块可以根据桥梁结构数据构建起整座桥梁的实体有限元模型，并将成桥阶段所有恒、活载施加于数值模型之上，通过对有限元模型进行分析，可得到主缆索力计算值，再将主缆索力计算值同主缆索力计算模块计算出的主缆索力进行比较，以达到验证、纠偏的作用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种悬索桥边主缆索力检测方法，其特征在于，包括：
获取主缆锚碇端中每根预应力钢束的振动频率；
根据相应的振动频率计算每根预应力钢束对应的钢束索力；
基于所有预应力钢束对应的钢束索力计算得到主缆索力。
2.根据权利要求1所述的悬索桥边主缆索力检测方法，其特征在于，根据相应的振动频率计算预应力钢束对应的钢束索力，包括：
根据获取的所述振动频率确定所述预应力钢束对应的应变时程曲线；
对所述应变时程曲线进行频谱分析，得到所述预应力钢束对应的频率-幅值曲线；
通过所述频率-幅值曲线确定所述预应力钢束对应的钢束基频；
根据所述钢束基频，采用频率-索力计算方法计算所述预应力钢束对应的钢束索力。
3.根据权利要求2所述的悬索桥边主缆索力检测方法，其特征在于，根据所述频率-幅值曲线中相邻两阶频率差确定所述钢束基频；
或，根据所述频率-幅值曲线的初始峰值频率确定所述钢束基频。
4.根据权利要求1所述的悬索桥边主缆索力检测方法，其特征在于，所述基于所有预应力钢束对应的钢束索力计算得到主缆索力，包括：
根据相应的钢束索力确定每根所述预应力钢束对应的平行于主缆方向的平行分力；
根据所有所述预应力钢束对应的平行分力计算主缆索力。
5.根据权利要求1所述的悬索桥边主缆索力检测方法，其特征在于，还包括：
根据桥梁结构数据构建相应的有限元模型进行有限元分析，得到主缆索力计算值；
通过所述主缆索力计算值对计算得到的主缆索力进行验证。
6.一种悬索桥边主缆索力检测系统，其特征在于，包括：
测试模块，配置为获取主缆锚碇端中每根预应力钢束的振动频率；
钢束索力计算模块，配置为根据相应的振动频率计算每根预应力钢束对应的钢束索力；
主缆索力计算模块，配置为基于所有预应力钢束对应的钢束索力计算得到主缆索力。
7.根据权利要求6所述的悬索桥边主缆索力检测系统，其特征在于，所述钢束索力计算模块包括：
曲线确定单元，配置为根据获取的所述振动频率确定所述预应力钢束对应的应变时程曲线；
频谱分析单元，配置为对所述应变时程曲线进行频谱分析，得到所述预应力钢束对应的频率-幅值曲线；
基频确定单元，配置为通过所述频率-幅值曲线确定所述预应力钢束对应的钢束基频；
钢束索力计算单元，配置为根据所述钢束基频，采用频率-索力计算方法计算所述预应力钢束对应的钢束索力。
8.根据权利要求7所述的悬索桥边主缆索力检测系统，其特征在于，所述基频确定单元根据所述频率-幅值曲线中相邻两阶频率差确定所述钢束基频；
或，根据所述频率-幅值曲线的初始峰值频率确定所述钢束基频。
9.根据权利要求6所述的悬索桥边主缆索力检测系统，其特征在于，所述主缆索力计算模块包括：
索力分解单元，配置为根据相应的钢束索力确定每根所述预应力钢束对应的平行于主缆方向的平行分力；
主缆索力计算单元，配置为根据所有所述预应力钢束对应的平行分力计算主缆索力。
10.根据权利要求6所述的悬索桥边主缆索力检测系统，其特征在于，还包括：
验证模块，配置为根据桥梁结构数据构建相应的有限元模型进行有限元分析，得到主缆索力计算值，并通过所述主缆索力计算值对计算得到的主缆索力进行验证。
Priority Applications (1)
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| CN202211670394.2A CN115855346A (zh) | 2022-12-23 | 2022-12-23 | 悬索桥边主缆索力检测方法及系统 |
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2022
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