一种利用正弦激振器和视频仪并引入振动位移的振动法拉索索力测量方法与流程

本发明涉及一种结合振动位移的的振动法拉索索力测量方法，属于土木工程技术领域。

背景技术：

索体系桥梁主要通过拉索进行力的传递和分配，拉索是索体系桥梁的主要受力构件。拉索的索力是索体系桥梁施工控制以及评估桥梁正常使用状态的重要指标。

振动法的索力测试在运用时需要解决两个关键问题：1)拉索自振频率的识别，2)索力-自振频率对应关系的确定。在现有的测量仪器及分析手段条件下，测定频率的精度可达到0.005hz。因此，频率法索力测试的精确性主要取决于索力与自振频率关系的准确性，即模型的精度。

现有索力测量方法的主要问题有：

a)对于简单边界条件下的细长索，索力计算比较准确，但是对于短索、直径很大的中长索来说，由于其刚度较大、边界条件复杂而不能直接套用；

b)如果采用分段拟合法则在分段处不连续，必须对长短索区别处理，根据无量纲参数分段给出计算公式，分段计算；

在工程实践中，往往一座桥梁的拉索系统中实际索的边界条件是未知的，而边界条件未知时，无论是弦理论还是梁理论的振动方程均无法求解。所以对于边界条件对索力影响较大的情况下，现有的振动法索力测量方法无法满足索力精准的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述技术问题，进而提供一种利用正弦激振器和视频仪并引入振动位移的振动法拉索索力测量方法。

本发明的技术方案：

一种利用正弦激振器和视频仪并引入振动位移的振动法拉索索力测量方法包括以下步骤：

步骤a：根据图纸和现场观察情况，采用理论公式估算被测索的基本自振频率f1可能范围[fd，fu]，其中fd为基频f1可能范围下界，fu为基频f1可能范围上界；

步骤b：在需要测量的索二分之一长度处安装激振器，并在固定地面上架设视频仪观测记录某一瞬间某一段索的位移；

步骤c：启动激振器，将激振器的激振频率f固定在[fd，fu]范围内的某一值，将激振器放置在合适的位置上，并让激振器激振频率由小到大扫频，当索发生共振时，记录此时激振频率即为索自振频率f1；

步骤d：保持让索稳定共振，用视频仪照射索二分之一处长度约2m的一段索，记录该段索振动变形的时程，选取该段索振动变形较大的一个时刻，通过视频仪软件读取该段索上等间距点的振动位移数值

步骤e：将视频仪测量得到的位移数值代入振型索力识别模型求得索力，识别模型表达式为：

式中：t为拉索索力值，ei为索截面抗弯刚度(n·m²)，h为振动位移观测点间距(m)，f1为索自振频率，为通过视频仪软件读取的等间距点的振动位移数值，g0、g2、g4分别为0阶导系数、2阶导系数以及4阶导系数。

进一步地、步骤a中的理论公式为：

式中fd为被测索的基本自振频率f1范围下界，fu为被测索的基本自振频率f2范围上界，l为索长(m)，ei为索截面抗弯刚度(n·m²)，m为单位长度质量(kg/m)，t1为预估的索张力(n)下限值，t2为预估的索张力(n)上限值。

进一步地、步骤b中的激振器为正弦激振器。

进一步地、步骤d中通过视频仪软件读取该段索上等间距点的振动位移数值，所需点数不少于16个，点间距h取值范围0.01～0.1m。

本发明具有以下有益效果：本发明方法首先估算索的基频范围，在索二分之一长度处安装激振器，让激振器在估算基频范围内扫频激振，利用视频仪观测索某段长度拉索的振动位移。提取此段索长中等间距点的振动位移数值将视频仪测量到的位移数值代入振型索力识别模型求得索力。通过引入自振频率f1相应振型，提出一种在边界条件未知的情况下获得精准拉索索力的测量方法。

附图说明

图1是本发明的测量方法示意图；

图中1-被测索，2-索锚固端，3-正弦激振器，4-视频仪，5-视频仪测量索长段。

具体实施方式

下面对本发明具体实施例进一步详细描述。

本实施例的一种利用正弦激振器和视频仪，引入振动位移的振动法拉索索力测量方法，包括以下步骤：

步骤a：根据图纸和现场观察情况，采用理论公式和对比已有经验的方式估算被测索的基本自振频率(以下简称基频)f1可能范围[fd，fu]。其中fd为基频f1可能范围下界，fu为基频f1可能范围上界。其中范围[fd，fu]，可由下式计算

式中l为索长(m)，ei为索截面抗弯刚度(n·m²)，m为单位长度质量(kg/m)，t1为预估的索张力(n)下限值，t2为预估的索张力(n)上限值。

在本实施例中，索长l＝10m，索截面抗弯刚度ei＝3342000n·m⁴，索张力t＝1800～2200kn，单位长度质量m＝75kg/m。根据经典梁振动理论，以及对比其他实测结果，该索的基频应在[8.4hz，13.0hz]区间内。

步骤b：在需要测量的索二分之一长度处安装激振器，并在固定地面上架设视频仪观测记录某一瞬间某一段索的位移。

在本实施例中在索二分之一长度处安装正弦激振器，激振力幅值为1.0kn。在距离索约5m处架设视频仪，如图1所示。

步骤c：启动激振器，将激振器的激振频率f固定在[fd，fu]范围内的某一值，将激振器放置在合适的位置上，并让激振器激振频率由小到大扫频，当索发生共振时，记录此时激振频率即为索自振频率f1。

本实施例中，在区间[8.4hz，13.0hz]内最终取f1＝11.7hz。

步骤d：保持让索稳定共振，用视频仪照射索二分之一处长度约2m的一段索，记录该段索振动变形(位移)的时程。选取该段索振动变形(位移)较大的一个时刻，通过视频仪软件读取该段索上等间距点的振动位移数值所需点数不少于16个，点间距h取值范围0.01～0.1m。

本实施例中，启动激振器后等待索振动稳定，利用视频仪观测某一时刻在索二分之一处出现一段。本例中观测时长为1s，位移采样频率为100hz，位移观测精度为0.001mm。从距索1端3.9m至5.9m一段处，按间距h＝0.1m读取21个点位移，读取结果表1所示。

表1振型位移读取结果单位：mm

步骤e：将视频仪测量得到的位移数值代入振型索力识别模型求得索力，识别模型表达式为：

式中：t为拉索索力值，ei为索截面抗弯刚度(n·m²)，h为振动位移观测点间距(m)，f1为索自振频率，为通过视频仪软件读取的等间距点的振动位移数值，g0、g2、g4为

本实施例中将表1数据代入识别模型表达式可以求出识别索力t1，对照识别索力与实际值，如表2。

表2识别索力误差

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。