一种频率法测量索力的精确算法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及斜拉桥、悬索桥及中、下承式系杆拱桥的拉索或吊杆的索力检测技术 领域，是频率法测量索力中的一种精确算法，具体地，当索类构件两端边界条件能简化为铰 支时，由拉索的前几阶自振频率，求索类构件轴向拉力的精确方法。
【背景技术】
[0002] 利用振动频率法测量索类构件的轴向拉力，在国内外得到普遍应用。对于可以不 考虑弯曲刚度的索类构件，一般用简化的计算方式就可以由实测的前几阶振动频率求得有 足够准确度的索类构件的轴向拉力，对需要考虑弯曲刚度的索类构件，两端的边界条件不 能简化为铰支时，其轴向拉力，一般要用考虑构件几何刚度的有限元求特征值的程序求解； 对于边界条件可以简化为铰支的索类构件，其轴向力可以由解析公式求得。
[0003] 然而无论是用有限元法，还是用解析式计算，都涉及到索类构件的弯曲刚度EI，因 为绝大多数索类构件都是由一定捻度的平行钢丝束制成，这种有捻度的平行钢丝束，其弯 曲刚度与单根钢丝之间的摩擦力有关，而钢丝间的摩擦力又与索类构件所受轴向拉力的大 小有关。轴向拉力越大，钢丝间的摩擦力就越大，索类构件的弯曲刚度也随之增大。所以， 索类构件的弯曲刚度是一个不易精确确定的量，这就会影响轴向拉力的精确计算。
[0004] 目前，并没有一种能够简单、方便、精确计算索类构件轴向拉力的方法。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中计算拉索索力的计算方法存在的技术缺陷，本发明的目的是提供 一种更为精确计算拉索索力的计算方法。
[0006] 本发明提供的一种频率法测量索力的精确算法，包括如下步骤：获取所述拉索的 振动信号；对所述拉索振动信号进行分析，得出前η阶的振动频率f\、f2、…、fn，其中，1 ; 确定所述拉索的第η阶振动频率fn与只考虑几何刚度时的第η阶频率f。"和只考虑弯曲刚 度时的第η阶频率fbn之间的第一关系函数；基于第一关系函数确定所述拉索的第η阶振动 频率fn与只考虑几何刚度时的第一阶频率f d和只考虑弯曲刚度时的第一阶频率f bl之间 的第二关系函数；确定所述拉索在只考虑几何刚度时的第一阶频率L与索力T之间的第三 关系函数：T = F(fJ ;基于所述第二关系函数以及所述第三关系函数，计算所述索力T。
[0007] 优选地，在所述步骤a中通过一组检测装置获取所述振动信号。
[0008] 优选地，所述检测装置包括振动传感器、信号采集仪及存储装置，且所述振动传感 器被固定于所述拉索上，所述振动传感器以及所述信号采集仪通过相关信号线与所述存储 装置连接。
[0009] 优选地，在所述步骤C中，所述第一关系函数的确定主要包括如下步骤：Cl.确定 只考虑几何刚度时拉索的频率的计算公式；C2.确定只考虑弯曲刚度时拉索的频率计算公 式；C3.确定拉索索力的计算公式；C4.得出第一关系函数。
[0010] 优选地，所述几何刚度是指与拉索所受轴向拉力有关的拉索抵抗横向变形的能 力；所述弯曲刚度是指与拉索的材料性质及截面尺寸有关的拉索抵抗横向变形的能力，其 中，
[0011] 只考虑几何刚度时索的第η阶频率：
只考虑弯曲刚度时索的第η阶频 率
其中，
[0012] T为索力，m为拉索的单位长质量，L为所述拉索的计算长度，η为振动频率阶次， EI为所述拉索的抗弯刚度。
[0013] 优选地，在所述拉索两端的边界条件可以简化为铰支的情况下，所述拉索索力的 计算公式为
[0014] 优选地，基于上述计算公式，所述第一关系函数为
[0015] 优选地，在所述步骤d中，基于第一关系函数，所述第二关系函数为：
[0016] fn2= n 2fcl2+n4fbl 2,
[0017] 其中，η为振动频率的阶次，fn为第η阶振动频率，fcl为第一阶只考虑几何刚度 的拉索振动频率，fbl为第一阶只考虑弯曲刚度的拉索振动频率。
[0018] 优选地，所述振动频率阶次η的取值范围通常在1~4之间。
[0019] 优选地，所述每阶之间的频率关系是基本呈算术级数增加。
[0020] 优选地，所述第三关系函数T = F(f J为：
[0021] T = 4mL2fcl2，
[0022] 其中，m为所述拉索单位长度的质量，L为所述拉索的计算长度，η为振动频率阶 次。
[0023] 优选地，在所述步骤f中，所述L值通过如下公式计算获得：
[0025] 优选地，所述振动频率阶次η为1和2。
[0026] 本发明提出了一种由实测的前几阶振动频率，精确计算拉索索力的方法，由于拉 索的振动频率受弯曲刚度和几何刚度的影响，通过确定拉索振动频率与几何刚度和弯曲刚 度之间的函数关系，消去弯曲刚度对振动频率的影响，进而精确计算拉索的索力，提高了拉 索索力的计算精度。利用振动频率法测定索力便捷实用，精度能满足工程应用的要求，且所 有仪器都可以重复利用，经济环保。
【附图说明】
[0027] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0028] 图1示出根据本发明的【具体实施方式】，一种频率法测量索力的精确算法的流程示 意图；以及
[0029] 图2示出根据本发明的【具体实施方式】，在所述精确计算拉索的索力的计算方法 中，确定第一关系函数的流程示意图。
【具体实施方式】
[0030] 为了更好的使本发明的技术方案清晰的表示出来，下面结合附图对本发明作进一 步说明。
[0031] 图1示出根据本发明的【具体实施方式】，一种频率法测量索力的精确算法的流程示 意图，本领域技术人员理解，所述计算方法基于工程力学界熟知的拉索振动机理，采用巧妙 计算思路，达到了一种既能规避掉弯曲刚度的不确定性，又能精确计算出索力的效果，具体 地，在这样的实施例中，主要包括如下步骤：
[0032] 首先，执行步骤S101，获取所述拉索的振动信号，进一步地，所述振动信号的获取 可以使用一组检测装置，所述检测装置在工作状态下固定于待测拉索上，进一步地，获取拉 索的振动信号。
[0033] 进一步地，本领域技术人员理解，所述检测装置包括振动传感器、信号采集仪及存 储装置，且所述振动传感器被固定于所述拉索上，所述振动传感器以及所述信号采集仪通 过相关信号线与所述存储装置连接。所述存储装置可以为一信号采集终端，比如笔记本电 脑等等，当所述信号采集后，优选地通过所述存储装置进行存储
[0034] 具体地，本领域技术人员理解，被测拉索在风、桥振动的激励下，一直在作随机振 动，所述振动传感器可以获取所述拉索在环境振动激励下的振动信号，并将所述拉索的机 械振动信号转换成电信号，经放大后显示和记录。进一步地，通过信号采集分析系统将所述 拉索的电信号转化为数字信号进行数据分析，从而得到前n阶振动频率，这将在后述的具体 实施方式中作详细描述，在此不予赘述。
[0035] 在一个优选的实施例中，在所述检测过程中为了更准确地获取振动信号，采用高 灵敏的超低频加速度传感器进行加速度测量，进一步地，获取所述拉索的随机振动信号。本 领域技术人员理解，上述中提到的振动传感器以及信号采集、分析均属于目前成熟技术，在 此不予赘述。
[0036] 然后，执行步骤S102,对所述拉索振动信号进行分析，得出前η阶的振动频率f\、 f2、…、fn，其中，η彡1。具体地，主要通过频域分析获取拉索的频谱图，进一步地，以所述 频谱图识别出拉索的各阶振动频率，更为具体地，将获取到的索力振动信号进行离散傅立 叶变换得到功率谱，并由功率谱的峰值对应的频率测得前η阶的振动频率f\、f2、…、fn，本 领域技术人员理解，所述通过频域分析获取所述拉索的频谱图以及通过离散傅里叶变换得 到功率谱的方式属于目前现有技术，这并不影响本发明的技术方案，在此不予赘述。
[0037] 进一步地，所述获得的前η阶的振动频率将用于后述中对只考虑几何刚度时的振 动频率的计算，从而获取只考虑几何刚度时第一阶的振动频率，这将在后述【具体实施方式】 中作详细描述，在此不予赘述。
[0038] 执行步骤S103,确定所述拉索的第η阶振动频率fn与只考虑几何刚度时的第η阶 频率4和只弯曲刚度时的第η阶频率f bn2间的第一关系函数。
[0039] 具体地，本领域技术人员理解，根据现有技术记载，所述只考虑几何刚度的拉索的 CN 105181200 A m "P 4/6 贞
第n阶频率计算公式为 所述只考虑弯曲刚度的拉索的第η阶频率计算公式 j
为 以及索力公式为通过上述三个公式，进一步
、 ^
， 地，获得其变化式 从而推导出第一关系函数fn2 = 4 + fb2n。 f 其中，所述T为索力，m为所述拉索单位长度的质量，L为所述拉索的计算长度，η为振动频 率阶次，fn为第η阶振动频率，EI为所述拉索的弯曲刚度。
[0040] 本领域技术人员理解，所述几何刚度是指与拉索所受的轴向拉力有关的拉索抵抗 横向变形的能力。
[0041] 所述弯曲刚度是指与拉索的材料及截面尺寸有关的拉索抵抗横向变形的能力。
[0042] 接下来，执行步骤S104,基于第一关系函数确定所述拉索的第η阶振动频率fn与 只考虑几何刚度时的第一阶频率L和只考虑弯曲刚度时的第一阶频率fbl之间的第二关系 函数。本领域技术人员理解，基于第一关系函数，所述拉索的第η阶振动频率匕是与只考 虑弯曲刚度时的第η阶频率fbn和只考虑几何刚度时的第η阶频率f。"存在函数关系的。更 进一步地，在上述第一关系函数中，所述每阶振动频率之间也存在一定关系，更为具体地， 所述第二关系函数可以表现为：
[0043] 再然后，执行步骤S105,确定所述拉索几何刚度的第一阶频率L与索力T之 间的第三关系函数：T = F(f J。根据所述只考虑几何刚度的拉索的第η阶频率公式：
当η = 1时，可得出索力计算公式：进一步地，根据上述公式， 9 我们只需要得知第一阶只考虑所述几何刚度时的振动频率，即可求得所述索力。而在步骤 SlOl以及步骤S102中，可以得知所述拉索的前几阶频率，进一步地，所