专利名称：一种杆件绝对轴力测试方法
技术领域：
本发明涉及结构检测与监测方法，尤其是涉及一种杆件绝对轴力测试方法。
背景技术：
杆件是指长度远大于其他两个方向尺寸的变形体，其形状和尺寸可由杆的横截面和轴线两个主要几何元素来描述。杆件广泛地用于各类工程结构，特别是土木工程结构， 如斜拉桥的拉索、索杆结构的张拉索、支护结构的锚杆、张弦结构的弦杆以及各类空间杆系结构的杆件。在结构施工和使用过程中快速、正确地识别杆件的绝对轴力对于鉴定杆件本身的性能、了解整体结构的内力分布、检验结构施工是否达到设计要求、诊断结构的健康状况并评价其安全性具有重要意义。现有的杆件绝对轴力识别方法主要分为两类磁通量法和振动法。磁通量法主要是利用装在杆件上的电磁(EM)传感器测量磁通量，然后根据索力与磁通量变化的关系推算索力。振动法主要通过拾取杆件的动力响应信号，识别杆件的模态参数，进而利用索力与模态参数的关系计算索力。目前这两类方法都存在着各自的局限性(1)磁通量法采用的EM传感器必须环绕紧套在杆件的外表面，一般只适用于圆截面的索缆，对于其他横截面的杆件有局限性。而且，由于杆件必须穿过圆环形的传感器才能达到良好的测试效果，该方法仅适合新的或正在施工的结构，在既有结构的杆件上实施比较困难。此外，磁通量法的精度、准确性、稳定性仍有待提高。(2)早期的振动法主要是通过振动测试获得杆件的频率，然后基于弦振动理论得到的频率和弦张力关系推算杆件轴力。由于弦振动理论不考虑杆件的刚度且假设杆件两端边界为简支或固定，对多数实际工程结构杆件而言都是过于理想的假定。另外，弦振动理论需要明确知道杆件的有效振动长度，这在一些实际情况中(如杆件节点复杂、杆件可视长度有限等)很难准确测量。(3)尽管振动法在发展过程中逐渐改善，一些新的算法和思路(如有限元模型更新)相继提出以考虑杆件的刚度甚至垂度，但在杆件边界条件未知的情况下绝对轴力的识别往往难以实施或者结果精度不高，而且一般情况下都必须已知杆件的有效振动长度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用范围广、测量精度高的杆件绝对轴力测试方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种杆件绝对轴力测试方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将传感器安装在目标杆件；(2)确立参考传感器；(3)传感器信号解调采集子系统采集传感器信号，并将其传输给数据处理及轴力识别子系统，数据处理及轴力识别子系统中的数据处理模块对数据有效性进行判断，若有效，并执行步骤⑷；(4)数据处理及轴力识别子系统中的数据处理模块按照模态分析方法求得特征参数，包括频率、位移振型或应变振型；(5)数据处理模块绘制I S I与qi关系图；(6)数据处理及轴力识别子系统中的轴力识别模块识别杆件绝对轴力。所述的步骤(1)中传感器为加速度传感器、速度传感器、位移传感器或应变传感
ο所述的步骤(1)中传感器的数量满足以下要求若杆件两端平动自由度或转动自由度已知且杆件的有效振动长度即杆件两端点之间的全长距离有条件测量时，传感器个数应大于或等于3，其他情况下传感器个数ns应大于或等于5。所述的步骤(1)中传感器的响应频率满足杆件动态测试要求，其判断标准为传感器的响应频率大于杆件的一阶自振频率。所述的步骤(2)中的确立参考传感器按照以下原则；参考传感器所在位置或区域不要落在杆件的模态节点上。所述的步骤(5)中的数据处理模块绘制|S|与qi关系图步骤如下(a)传感器定位①若ns ^ 5，以最靠近杆件一端节点的传感器为原点，以杆件长度方向为x轴，原点到杆件另一端节点的方向为正，确定传感器坐标(X1,…xs，…Xns)，其中X1S原点；②若ns = 3或4，以杆件一端的节点为原点，以杆件长度方向为x轴，原点到杆件另一端节点的方向为正，确定传感器坐标(XB，X1, -Xs,…Xns，XE)，其中传感器的总数为 ns+2，其中xB为原点，xE等于有效振动长度，设有效传感器总数为nr，nr = ns或nr = ns+2， 且nr彡4 ；(b)根据步骤(4)得到的模态振型，确定普通传感器与参考传感器的振型分量比值，其中普通传感器的坐标为Xi、参考传感器的坐标为Xj，即①当传感器采用加速度、速度或位移传感器，模态位移比々=|"，当杆件两端的平动自由度已知时，以上⑷得到的模态振型分量应增加ΦΕ两个分量；②当传感器采用应变传感器，模态应变比A=^，当杆件两端的转动自由度已
知时，以上(4)得到的模态振型分量应增加δ Ε两个分量；nr个有效传感器可以得到(nr_l)个独立的模态位移比或模态应变比；(c)确定特征矩阵[S。]，该矩阵的每一行由四个元素构成，分别为①当采用加速度、速度或位移传感器时，矩阵[S。]对应于模态位移比λ u的某行各元素分别为
第一列Cosq1Xi- λ ^cosq1Xj第二列Sinq1Xi- λ ^sinq1Xj第三列Coshq2Xi- λ ^.Coshq2Xj第四列Sinhq2Xi- λ ^sinhq2Xj②当采用应变传感器时，矩阵[S。]对应于模态应变比β 的某行各元素分别为
权利要求
1.一种杆件绝对轴力测试方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将传感器安装在目标杆件；(2)确立参考传感器；(3)传感器信号解调采集子系统采集传感器信号，并将其传输给数据处理及轴力识别子系统，数据处理及轴力识别子系统中的数据处理模块对数据有效性进行判断，若有效，并执行步骤⑷；(4)数据处理及轴力识别子系统中的数据处理模块按照模态分析方法求得特征参数， 包括频率、位移振型或应变振型；(5)数据处理模块绘制|S|与Q1关系图；(6)数据处理及轴力识别子系统中的轴力识别模块识别杆件绝对轴力。
2.根据权利要求1所述的一种杆件绝对轴力测试方法，其特征在于，所述的步骤(1)中传感器为加速度传感器、速度传感器、位移传感器或应变传感器。
3.根据权利要求1所述的一种杆件绝对轴力测试方法，其特征在于，所述的步骤(1)中传感器的数量满足以下要求若杆件两端平动自由度或转动自由度已知且杆件的有效振动长度即杆件两端点之间的全长距离有条件测量时，传感器个数应大于或等于3，其他情况下传感器个数ns应大于或等于5。
4.根据权利要求1所述的一种杆件绝对轴力测试方法，其特征在于，所述的步骤(1)中传感器的响应频率满足杆件动态测试要求，其判断标准为传感器的响应频率大于杆件的一阶自振频率。
5.根据权利要求1所述的一种杆件绝对轴力测试方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的确立参考传感器按照以下原则；参考传感器所在位置或区域不要落在杆件的模态节点上。
6.根据权利要求1所述的一种杆件绝对轴力测试方法，其特征在于，所述的步骤(5)中的数据处理模块绘制|s|与qi关系图步骤如下(a)传感器定位①若ns^ 5，以最靠近杆件一端节点的传感器为原点，以杆件长度方向为χ轴，原点到杆件另一端节点的方向为正，确定传感器坐标(Xl，…xs，…xns)，其中X1为原点；②若ns= 3或4，以杆件一端的节点为原点，以杆件长度方向为χ轴，原点到杆件另一端节点的方向为正，确定传感器坐标(XB，X1，-xs,…xns，xE)，其中传感器的总数为ns+2， 其中xB为原点，xE等于有效振动长度，设有效传感器总数为nr，nr = ns或nr = ns+2，且 nr ^ 4 ；(b)根据步骤(4)得到的模态振型，确定普通传感器与参考传感器的振型分量比值，其中普通传感器的坐标为Xi、参考传感器的坐标为Xj，即①当传感器采用加速度、速度或位移传感器，模态位移比；巧，当杆件两端的平动自由度已知时，以上⑷得到的模态振型分量应增加ΦΕ两个分量；②当传感器采用应变传感器，模态应变比怂=|，当杆件两端的转动自由度已知时，0J以上(4)得到的模态振型分量应增加δ Ε两个分量；nr个有效传感器可以得到(nr-Ι)个独立的模态位移比或模态应变比； (c)确定特征矩阵[S。]，该矩阵的每一行由四个元素构成，分别为 ①当采用加速度、速度或位移传感器时，矩阵[SJ对应于模态位移比λ。_的某行各元素分别为第一列Cosq1Xi- λ ^cosq1Xj第二列Sinq1Xi- λ ^sinq1Xj第三列Coshq2Xi- λ ^.Coshq2Xj第四列Sinhq2Xi- λ ^sinhq2Xj②当采用应变传感器时，矩阵[SJ对应于模态应变比Pij的某行各元素分别为第一列Q12Cosq1Xi- β ^-Q12Cosq1Xj第二列Q12Sinq1Xi- β ^-Q12Sinq1Xj第三列-Q22Coshq2Xi+ β ^-Q22Coshq2Xj第四列I22Sinhq2Xi+ β ^-Q22Sinhq2Xj每个模态位移比λ u或模态应变比β u对应于矩阵的一行，故基于nr个有效传感器即 (nr-Ι)个独立模态位移比λ u或模态应变比β ,j的矩阵[Sc]的维数为(nr-1) X 4 ；(d)基于下式得到一个新的矩阵[S] 4X4 — L^c」4X (nr_D [sc] (nr-1) X 4求该矩阵的秩|S|，其中该表达式中包含两个未知数qi和q2。(e)杆件的几何和材料参数确定根据实际测量及原设计确定杆件的基本几何和材料参数，包括弹性模量E、截面惯性矩I和单位长度的质量历；(f)根据步骤(4)得到的同阶频率f和步骤(e)中确定的杆件几何和材料参数，按下式计算α 2 I γγ^I γγγa1 = ω.——=2π f Λ—— \ EI EIQ1和％的关系可以写成α2h =一 h将其代入步骤(d)中得到的秩ISi，则该表达式中仅包含一个未知数qi，来绘制Isl与 Q1的关系曲线图。
7.根据权利要求1所述的一种杆件绝对轴力测试方法，其特征在于，所述的步骤(6)中的数据处理及轴力识别子系统中的轴力识别模块识别杆件绝对轴力具体步骤如下根据步骤(5)得到的Isl与1关系曲线，求出Isl = ο时 的取值，并代入下式计算得到故杆件的绝对轴力可最终由下式求得 N = EIX (qi2-q22)其中N为绝对轴力、E为弹性模量、I截面惯性矩。
全文摘要
本发明涉及一种杆件绝对轴力测试方法，包括以下步骤(1)将传感器安装在目标杆件；(2)确立参考传感器；(3)传感器信号解调采集子系统采集传感器信号，并将其传输给数据处理及轴力识别子系统，数据处理及轴力识别子系统中的数据处理模块对数据有效性进行判断，若有效，并执行步骤(4)；(4)数据处理及轴力识别子系统中的数据处理模块按照模态分析方法求得特征参数，包括频率、位移振型或应变振型；(5)数据处理模块绘制|S|与q1关系图；(6)数据处理及轴力识别子系统中的轴力识别模块识别杆件绝对轴力。与现有技术相比，本发明具有适用范围广、测量精度高等优点。
文档编号G01L5/00GK102252792SQ20101017738
公开日2011年11月23日 申请日期2010年5月18日 优先权日2010年5月18日
发明者李素贞 申请人:同济大学