专利名称：基于模态分析高精度的拉索索力测试方法
技术领域：
本发明涉及拉索张力的检测，尤其是一种基于模态分析高精度的拉索索力测试方法。
背景技术：
伴随社会发展，越来越多的新结构形式和新材料进入社会建设当中，其中含索空 间结构以其独有的诸多优点，被广泛地应用于斜拉桥、悬索桥、拱桥、桅杆结构、大跨屋面、 玻璃幕墙等结构中。对于缆索承重桥梁，索是重要结构组件和主要的承力构件，而新旧索的 张力测量是其可靠性和承载状态的主要评价依据。对于建筑结构中索应用，索力的变化会 使整体结构的形状和内力分布发生变化，并且可能给整体结构带来灾难性的后果，因此必 须准确实时进行索力识别。传统的索力检测可采取油压表法、力传感器法、磁通量法和三点弯曲法等，但适用 范围极其有限。现在最常用的对索力测定方法是振动法，也称为“频率法”，即通过测定斜拉 索自振频率，再由此实测频率依据计算公式反算出索力。“频率法”以其方便实用而被工程界广泛采用，但其适用性以及结果的精度、可靠 性却有待商榷。原因就在于该方法是建立在理想两端铰接弦的振动模型基础上，对于大跨 度缆索桥梁，其拉索长度足够长，索自身的弯曲刚度和边界约束等因素的影响很小，是可以 近似将索等效成理想的弦考虑。但在城市桥梁以及建筑结构中使用的拉索长度往往较短， 不仅索自身的刚度大小对索自身振动频率有不小的影响，而且随着索力大小的改变，拉索 两端的边界形式也将改变，或者说相应的等效计算索长将变化，如果依然按照铰接考虑计 算索力其结果将是不可信的。然而频率法本身是无法考虑到这些问题的，除非根据实际情 况建立一个合适的计算模型重新推导索力计算式，因而所谓结果修正只能借助足够丰富的 经验判断，或一个更为可靠的检测方法。此外，诸如索网等新型含索空间结构体系开始进入结构建设中，索力测试的影响 因素越加复杂多样，以往建立于理想模型的方法也越显局促。因此需要一种更少影响因素 的高精度索力测试新方法。而本发明人经过研究，提供了一种可以满足这一系列要求的索 力测试方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于模态分析高精度的拉索索力测试方法，其适用范 围广泛，计算结果可靠。为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是一种基于模态分析高精度的拉索索力测试方法，其包括以下步骤将两个或两个以上的加速度传感器沿拉索表面固定在拉索上测量获得拉索模态 fn息；对拉索模态进行初步判断，并根据模态识别结果细化测点布置，继续测量完善拉索振动形态，判断拉索模态振型测试结果是否形成完备振型模态；对形成完备振型模态的测试结果进行灵敏度修正，灵敏度修正时根据加速度灵敏 度的差异将识别结果乘以灵敏度修正系数，得到相应的模态圆频率ω，并将最终获得的振
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型曲线进行拟合获得相应的振型函数，根据S = --L-=^-计算实
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际索力，其中，S为实际张拉索力；ω为所计算阶振型圆频率；y(x)为所计算阶振型拟合曲 线函数；m(x)为沿索长索质量分布线密度；EI。为拉索弯曲刚度；L为拉索计算长度。进一步，其还包括按照常用的频率反算索力法，采集规格、布置形式相同或近似
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的拉索的频率，根据S = (2·/·/)2· m-^—φ计算规格、布置形式相同或近似的拉索的索
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力，其中，S为计算张拉索力；f为所计算阶振型频率；1为拉索计算长度；EI。为拉索弯曲刚 度；m为沿索长索均布质量。所述加速度传感器超过一定数量较多时，通过一次测量获得拉索模态信息。所述传感器的布置采用等间距布置或不等间距布置，采用不等间距布置时靠近拉 索端部间距较密，靠近拉索中点间距较疏。所述加速度传感器少于一定数量时，通过多次测量获得拉索模态信息，具体是保 留一个传感器位置不变，称之为参考传感器，将其他传感器位置改变；每次测量获得某一个 模态的其他传感器位置与参照传感器位置的模态幅值比；通过多次测量获得拉索的模态信 肩、ο所述完备振型模态是所测得的模态准确的反应真实模态的峰值及其位置、变号点 位置、以及曲线形状信息，当判断得出拉索模态为不完备振型模态，则在模态峰值位置、变 号点附近位置、以及形状突变较大附近位置补充测点。所述拟合具体是对振型曲线进行平滑处理，即以样条曲线进行拟合，或者以多个 双曲函数、多个三角函数或多个高次函数进行拟合。在模态测试过程中，对拉索可根据实际情况进行人工激振、环境激振或其他适合 的激振方式以获所需数据，其中，人工激励可以选用锤击、用绳索牵引后放松等；环境激励 可以利用自然风环境激振。所述传感器超过一定数量或者少于一定数量是根据具体形状确定的，一般而言， 一定数量可以确定为8个。本发明的方法，具体来说，首先，在现场采集以张拉的拉索相关数据，将两个或两 个以上的加速度传感器沿拉索表面固定在拉索上。当传感器数量较多时，可通过一次测量 获得拉索模态信息，传感器的布置可以采用等间距布置，也可以选择不等间距布置，采用不 等间距布置原则是靠近拉索端部间距较密，靠近拉索中点间距较疏。当采用传感器较少时， 如仅采用两个加速度传感器，可以通过多次测量获得拉索模态信息，具体做法是保留一个 传感器位置不变，称之为参考传感器，可将其他传感器位置改变；每次测量都可以获得某一 个模态的其他传感器位置与参照传感器位置的模态幅值比；通过多次测量，也可以获得拉 索的模态信息。对所测拉索模态有一定了解后，所获初步模态进行判断，并根据模态识别结 果细化测点布置，如在模态变化较大的区域多布置传感器、或者在该区域布置传感器增加测量次数，继续测量完善拉索振动形态，直至模态振型测试结果能够形成完备振型形态为 止。完备的模态是所测得的模态能够准确的反应真实模态的峰值及其位置、变号点位置、以 及曲线形状等信息，不完备的模态则不能完全反应真实模态的峰值及其位置、变号点位置 或者曲线形状等信息。针对不完备模态振型测试结果，可以在模态峰值位置、变号点附近位 置、以及形状突变较大附近位置补充测点。其中，对拉索可根据实际情况进行人工激振、环 境激振或其他适合的激振方式以获所需数据。一般将拉索模拟为具有张力S两端固结的梁。则运动方程表示为，
权利要求
一种基于模态分析高精度的拉索索力测试方法，其特征在于其包括以下步骤将两个或两个以上的加速度传感器沿拉索表面固定在拉索上测量获得拉索模态信息；对拉索模态进行初步判断，并根据模态识别结果细化测点布置，继续测量完善拉索振动形态，判断拉索模态振型测试结果是否形成完备振型模态；对形成完备振型模态的测试结果进行灵敏度修正，灵敏度修正时根据加速度灵敏度的差异将识别结果乘以灵敏度修正系数，得到相应的模态圆频率ω，并将最终获得的振型曲线进行拟合获得相应的振型函数，根据计算实际索力，其中，S为实际张拉索力；ω为所计算阶振型圆频率；y(x)为所计算阶振型拟合曲线函数；m(x)为沿索长索质量分布线密度；EIc为拉索弯曲刚度；L为拉索计算长度。FSA00000205616700011.tif
2.如权利要求1所述的基于模态分析高精度的拉索索力测试方法，其特征在于其 还包括按照常用的频率反算索力法，采集规格、布置形式相同或近似的拉索的频率，根据/
3.如权利要求1所述的基于模态分析高精度的拉索索力测试方法，其特征在于所述 加速度传感器超过一定数量时，通过一次测量获得拉索模态信息。
4.如权利要求3所述的基于模态分析高精度的拉索索力测试方法，其特征在于所述 传感器的布置采用等间距布置或不等间距布置，采用不等间距布置时靠近拉索端部间距较 密，靠近拉索中点间距较疏。
5.如权利要求1所述的基于模态分析高精度的拉索索力测试方法，其特征在于所述 加速度传感器少于一定数量时，通过多次测量获得拉索模态信息，具体是保留一个传感器 位置不变，称之为参考传感器，将其他传感器位置改变；每次测量获得某一个模态的其他传 感器位置与参照传感器位置的模态幅值比；通过多次测量获得拉索的模态信息。
6.如权利要求1所述的基于模态分析高精度的拉索索力测试方法，其特征在于所述 完备振型模态是所测得的模态准确的反应真实模态的峰值及其位置、变号点位置、以及曲 线形状信息，当判断得出拉索模态为不完备振型模态，则在模态峰值位置、变号点附近位 置、以及形状突变较大附近位置补充测点。
7.如权利要求1所述的基于模态分析高精度的拉索索力测试方法，其特征在于所述 拟合具体是对振型曲线进行平滑处理，即以样条曲线进行拟合，或者以多个双曲函数、多个 三角函数或多个高次函数进行拟合。
8.如权利要求1所述的基于模态分析高精度的拉索索力测试方法，其特征在于在模 态测试过程中，对拉索根据实际情况进行人工激振或环境激振。
9.如权利要求3或4所述的基于模态分析高精度的拉索索力测试方法，其特征在于 所述一定数量为8个。
全文摘要
本发明一种基于模态分析高精度的拉索索力测试方法，将两个或两个以上的加速度传感器沿拉索表面固定在拉索上测量获得拉索模态信息；对拉索模态进行初步判断，并根据模态识别结果细化测点布置，继续测量完善拉索振动形态，判断拉索模态振型测试结果是否形成完备振型模态；对形成完备振型模态的测试结果进行灵敏度修正，灵敏度修正时根据加速度灵敏度的差异将识别结果乘以灵敏度修正系数，得到相应的模态圆频率ω，并将最终获得的振型曲线进行拟合获得相应的振型函数，根据计算实际索力。本发明将控制计算的影响因素均依靠实际测量获得，限制测试误差在一定范围内，其计算结果必然拥有极高的可靠度。
文档编号G01L5/04GK101936795SQ20101023718
公开日2011年1月5日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者张振, 李承宬, 王达磊, 胡晓红, 陈艾荣, 马如进 申请人:同济大学