專利名稱：懸索橋主纜狀態(tài)快速識(shí)別方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種橋梁安全監(jiān)測(cè)方法及裝置，尤其是一種能快速對(duì)懸索類橋梁上的 主纜受力狀態(tài)進(jìn)行快速識(shí)別的方法及裝置，具體地說是一種懸索橋主纜狀態(tài)快速識(shí)別方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，纜索是懸索橋最主要的承重構(gòu)件。主纜對(duì)懸索橋的結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要， 而且難以更換。以往由于主纜的安全系數(shù)一般都很大，往往認(rèn)為主纜不會(huì)發(fā)生受力破壞。實(shí) 際上越靠近主塔，纜索的張力越大，也越容易發(fā)生破壞，而位于靴跟處的纜索段又處于最易 被雨水侵蝕的部位，也易發(fā)生腐蝕，進(jìn)而影響其使用性能。主纜的工作狀態(tài)是衡量懸索橋是 否處于正常營運(yùn)狀態(tài)的重要標(biāo)志之一，精確識(shí)別運(yùn)營狀態(tài)下主纜張力、彎曲剛度、線密度等 參數(shù)對(duì)于了解懸索橋的工作狀態(tài)十分重要。懸索橋主纜上掛有一根根吊索，吊索的張力要傳到主纜，而且主纜是大垂度構(gòu)件， 傳統(tǒng)測(cè)量張緊拉索的索力識(shí)別方法無法應(yīng)用于主纜。目前測(cè)量主纜張力的方法見表1所 示，這些方法均有局限性，在成橋之后的懸索橋上很少應(yīng)用。表1已有纜索張力識(shí)別方法比較 目前，識(shí)別橋梁剛度等物理參數(shù)的方法主要基于有限元模型修正思想，通過修正 模型使其自振頻率與實(shí)測(cè)頻率相吻合，認(rèn)為有限元模型的參數(shù)便是實(shí)際結(jié)構(gòu)的參數(shù)。該方 法計(jì)算繁瑣，而且有限元建模本身就有很多簡(jiǎn)化，尤其是對(duì)于受到吊索約束的主纜，吊索下 端隨著橋面和主梁一起振動(dòng)，邊界條件十分復(fù)雜導(dǎo)致用有限元對(duì)主纜建模進(jìn)行參數(shù)識(shí)別幾 乎無能為力。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的懸索橋主纜狀態(tài)識(shí)別方法無法在橋梁運(yùn)營過程中進(jìn) 行識(shí)別以及現(xiàn)有的識(shí)別方法計(jì)算繁瑣，準(zhǔn)確性不高等問題，發(fā)明的一種能在橋梁運(yùn)營全過 程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)識(shí)別的方法及裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案之一是一種懸索橋主纜狀態(tài)快速識(shí)別方法，其特征是它包括以下步驟首先，通過測(cè)試與分析，得到吊索對(duì)單位長(zhǎng)度主纜的豎向約束剛度k (1)測(cè)試主纜和橋面的線形，確定每根吊索上端和下端的位移Vi、V；；(2)用振動(dòng)法測(cè)出各根吊索的索力隊(duì)，且⑴和⑵的測(cè)試要求同步；(3)計(jì)算單根吊索對(duì)主纜的豎向約束剛度
(1)(4)計(jì)算吊索對(duì)單位長(zhǎng)度主纜的豎向約束剛度k
(2) 式中，n為單根主纜下掛的吊索根數(shù)，L為主纜的長(zhǎng)度。第二，在每根待檢測(cè)的主纜上對(duì)稱安裝兩個(gè)三向加速度傳感器，一個(gè)三向加速度 傳感器作為測(cè)試點(diǎn)，另一個(gè)作為參考點(diǎn)，如果其中一個(gè)三向加速度傳感器的某階主頻信號(hào) 弱，則利用另一個(gè)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)充；第三，利用所安裝有三向加速度傳感器采集主纜環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，對(duì)采集到的 信號(hào)進(jìn)行功率譜和相干函數(shù)分析，得到主纜的前三階自振頻率《i、《2、；第四，將測(cè)出主纜前三階自振頻率分別代入以下公式
4 得到三個(gè)聯(lián)立方程，分別得到信號(hào)采集時(shí)刻主纜的張力S、彎曲剛度EI、線密度；第五，定期重復(fù)第一 四步即可繪制出主纜的張力S、彎曲剛度EI、線密度m、吊 索對(duì)單位長(zhǎng)度主纜的豎向約束剛度k隨時(shí)間的變化曲線，供橋梁養(yǎng)護(hù)部門進(jìn)行主纜狀態(tài)識(shí) 別。所述的每根主纜上的三向加速度傳感器的安裝位置相對(duì)于橋梁中心點(diǎn)對(duì)稱，且對(duì) 稱位于主纜的奇數(shù)等分點(diǎn)上。本發(fā)明的技術(shù)方案之一是—種懸索橋主纜狀態(tài)快速識(shí)別裝置，其特征是它主要由數(shù)據(jù)采集單元1和數(shù)據(jù)分 析單元2組成，數(shù)據(jù)采集單元1通過無線WLAN網(wǎng)絡(luò)或USB設(shè)備5與數(shù)據(jù)分析單元2相連， 所述的數(shù)據(jù)采集單元1主要由三向加速度傳感器2、多通道抗混濾波放大器3、A/D轉(zhuǎn)換模塊 4和無線WLAN網(wǎng)絡(luò)或USB設(shè)備5組成，所述的數(shù)據(jù)分析單元2主要由數(shù)據(jù)接收模塊6、功率 譜和相關(guān)分析模塊7、索力計(jì)算模塊8和結(jié)果顯示與存儲(chǔ)模塊9組成，三向加速度傳感器2 的輸出與多通道抗混濾波放大器3的輸入端相連，多通道抗混濾波放大器3的輸出端接A/ D轉(zhuǎn)換模塊4，A/D轉(zhuǎn)換模塊4將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)通過無線WLAN網(wǎng)絡(luò)或USB設(shè)備5輸 送至數(shù)據(jù)分析單元2中的數(shù)據(jù)接收模塊6中，數(shù)據(jù)接收模塊6將接收到的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)分 析單元10中功率譜和相關(guān)分析模塊7及索力計(jì)算模塊8中進(jìn)行計(jì)算后送入結(jié)果顯示與存 儲(chǔ)模塊9中進(jìn)行顯示并存儲(chǔ)。本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明首次建立了一種復(fù)雜約束條件、大垂度主纜狀態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，僅通過 測(cè)試?yán)|索環(huán)境振動(dòng)下前3階主頻，智能識(shí)別包括張力、剛度、線密度在內(nèi)的參數(shù)，并研制了 適用于現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)和識(shí)別主纜狀態(tài)的無線測(cè)試系統(tǒng)，用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理方 法，結(jié)合柔性的模塊化的無線技術(shù)為主纜的安全監(jiān)測(cè)提供方便實(shí)用的手段；2、本發(fā)明首次建立了吊索對(duì)主纜豎向約束剛度的測(cè)試與分析方法，不僅明確了主 纜的邊界約束條件，而且能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)吊索一主纜整體的運(yùn)營狀態(tài)；2、本發(fā)明具有較高的運(yùn)算精度，其中頻率分析精度可達(dá)1%，主纜狀態(tài)參數(shù)識(shí)別精 度能達(dá)5% ；3、本發(fā)明可在1000米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線測(cè)試，可以同時(shí)測(cè)試多根纜索，隨著無線傳 輸技術(shù)的發(fā)展還能向擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍。4、本發(fā)明性能可靠，使用方便，且具有很高的精度，適用范圍廣泛。5、本發(fā)明檢測(cè)效果好、使用范圍廣泛、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，既可用于橋梁健康監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)對(duì)主纜的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也可用于未裝健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的橋梁對(duì)主纜的狀態(tài)檢測(cè)。
圖1是本發(fā)明的主纜模型示意圖。圖2是本發(fā)明的主纜上的傳感器布置示意圖。圖3是本發(fā)明的快速識(shí)別裝置的組成原理圖。圖4是與本發(fā)明相配的主纜狀態(tài)識(shí)別軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。實(shí)施例一。一種懸索橋主纜狀態(tài)快速識(shí)別方法，它包括以下步驟首先，啟動(dòng)監(jiān)測(cè)用計(jì)算機(jī)后，開始監(jiān)測(cè)主纜與橋面線形，確定每根吊索上端和下端
的位移\、<，同時(shí)測(cè)出各吊索的張力隊(duì)，根據(jù)公式(1)計(jì)算單根吊索對(duì)主纜的豎向約束剛
度k”根據(jù)公式(2)計(jì)算吊索對(duì)單位長(zhǎng)度主纜的豎向約束剛度k N t 式中，n為單根主纜下掛的吊索根數(shù)，L為主纜的長(zhǎng)度。第二，在每根待檢測(cè)的主纜上對(duì)稱安裝兩個(gè)三向加速度傳感器，一個(gè)三向加速度 傳感器作為測(cè)試點(diǎn)，另一個(gè)作為參考點(diǎn)，如果其中一個(gè)三向加速度傳感器的某階主頻信號(hào) 弱，則利用另一個(gè)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)充；第三，利用所安裝有三向加速度傳感器采集主纜環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，對(duì)采集到的 信號(hào)既可利用現(xiàn)有的公知的公式和方法進(jìn)行功率譜和相干函數(shù)分析，也可利用申請(qǐng)人在先 申請(qǐng)的相關(guān)專利中使用的計(jì)算分析方法進(jìn)行功率譜和相干函數(shù)分析，得到主纜的前四階自 振頻率“!> "2、；其次，在每根待檢測(cè)的主纜上對(duì)稱安裝兩個(gè)三向加速度傳感器，一個(gè)三向加速度 傳感器作為測(cè)試點(diǎn)，另一個(gè)作為參考點(diǎn)，如果其中一個(gè)三向加速度傳感器的某階主頻信號(hào) 弱，則利用另一個(gè)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)充；每根主纜上的三向加速度傳感器的安裝位 置相對(duì)于橋梁中心點(diǎn)對(duì)稱，且對(duì)稱位于主纜的奇數(shù)等分點(diǎn)上。如圖2所示。第三，利用所安裝有三向加速度傳感器采集主纜環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，對(duì)采集到的 信號(hào)進(jìn)行功率譜和相干函數(shù)分析，得到主纜的前三階自振頻率《i、《2、；第四，將計(jì)算所得的主纜的豎向剛度k和所得的三個(gè)自振頻率分別代入以下公 式 得到三個(gè)聯(lián)立方程，分別得到信號(hào)采集時(shí)刻主纜的張力S、彎曲剛度EI和線密度m 的值；第五，定期重復(fù)第一 四步即可繪制出主纜的張力S、彎曲剛度EI、線密度m、吊 索對(duì)單位長(zhǎng)度主纜的豎向約束剛度k隨時(shí)間的變化曲線，供橋梁養(yǎng)護(hù)部門進(jìn)行主纜狀態(tài)識(shí) 別。實(shí)施例二如圖3、4所示。一種懸索橋主纜狀態(tài)快速識(shí)別裝置，它主要由數(shù)據(jù)采集單元1和數(shù)據(jù)分析單元2組成，數(shù)據(jù)采集單元1通過無線WLAN網(wǎng)絡(luò)或USB設(shè)備5與數(shù)據(jù)分析單元2相連，所述的數(shù) 據(jù)采集單元1主要由三向加速度傳感器2、多通道抗混濾波放大器3、A/D轉(zhuǎn)換模塊4和無線 WLAN網(wǎng)絡(luò)或USB設(shè)備5組成，所述的數(shù)據(jù)分析單元2主要由數(shù)據(jù)接收模塊6、功率譜和相關(guān) 分析模塊7、索力計(jì)算模塊8和結(jié)果顯示與存儲(chǔ)模塊9組成，三向加速度傳感器2的輸出與 多通道抗混濾波放大器3的輸入端相連，多通道抗混濾波放大器3的輸出端接A/D轉(zhuǎn)換模 塊4，A/D轉(zhuǎn)換模塊4將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)通過無線WLAN網(wǎng)絡(luò)或USB設(shè)備5輸送至數(shù)據(jù) 分析單元2中的數(shù)據(jù)接收模塊6中，數(shù)據(jù)接收模塊6將接收到的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)分析單元10 中功率譜和相關(guān)分析模塊7及索力計(jì)算模塊8中進(jìn)行計(jì)算后送入結(jié)果顯示與存儲(chǔ)模塊9中 進(jìn)行顯示并存儲(chǔ)。如圖3所示，本發(fā)明快速識(shí)別裝置由數(shù)據(jù)采集單元1(包括振動(dòng)傳感器2、濾波放大 電路3、AD轉(zhuǎn)換器4、USB或WLAN通訊電路5)和數(shù)據(jù)分析單元10 (包括數(shù)據(jù)通訊6、功率譜 和相關(guān)分析7、主纜參數(shù)計(jì)算8和顯示存儲(chǔ)單元9)組成。傳感器2檢測(cè)到的模擬信號(hào)，經(jīng) 過抗混濾波放大器3后進(jìn)行高精度24BHA/D轉(zhuǎn)換4，得到數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)由USB傳輸 單元5或使用無線WLAN進(jìn)行信號(hào)傳輸。數(shù)據(jù)分析單元通過USB或無線網(wǎng)絡(luò)6接收數(shù)據(jù)，接 收的數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜和相關(guān)分析7，得到前三階頻率，實(shí)時(shí)計(jì)算出主纜的張力、彎曲剛度、線 密度等參數(shù)，并繪制參數(shù)隨時(shí)間變化曲線8，得到結(jié)果通過顯示與存儲(chǔ)模塊9顯示并保存數(shù) 據(jù)。與圖3硬件相配的軟件由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)瀏覽與分析模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、參數(shù)設(shè) 定等組成；在纜索狀態(tài)智能識(shí)別無線系統(tǒng)軟件流程圖中(圖4)，首先輸入吊索的彈性模量 EpApli主纜的長(zhǎng)度L等參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算單位長(zhǎng)度主纜受到吊索的約束豎向剛度k。采 集儀啟動(dòng)后先自檢，然后開始采集信號(hào)，采集得到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)功率譜和相關(guān)分析， 得到頻域參數(shù)，計(jì)算纜索張力、彎曲剛度和線密度，然后繪制參數(shù)的日變化、月變化、年變化 曲線，結(jié)果顯示并保存。本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種懸索橋主纜狀態(tài)快速識(shí)別方法，其特征是它包括以下步驟首先，通過測(cè)試與分析，得到吊索對(duì)單位長(zhǎng)度主纜的豎向約束剛度k(1)測(cè)試主纜和橋面的線形，確定每根吊索上端和下端的位移vi、(2)用振動(dòng)法同步測(cè)出各根吊索的索力Ni；(3)計(jì)算單根吊索對(duì)主纜的豎向約束剛度 <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>N</mi><mi>i</mi> </msub> <mrow><mo>|</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><msubsup> <mi>v</mi> <mi>i</mi> <mo>′</mo></msubsup><mo>|</mo> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>(4)計(jì)算吊索對(duì)單位長(zhǎng)度主纜的豎向約束剛度k <mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>k</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow> <mi>L</mi></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中，n為單根主纜下掛的吊索根數(shù)，L為主纜的長(zhǎng)度。第二，在每根待檢測(cè)的主纜上對(duì)稱安裝兩個(gè)三向加速度傳感器，一個(gè)三向加速度傳感器作為測(cè)試點(diǎn)，另一個(gè)作為參考點(diǎn)，如果其中一個(gè)三向加速度傳感器的某階主頻信號(hào)弱，則利用另一個(gè)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)充；第三，利用所安裝有三向加速度傳感器采集主纜環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行功率譜和相干函數(shù)分析，得到主纜的前三階自振頻率ω1、ω2、ω3、；第四，將測(cè)出主纜前三階自振頻率分別代入以下公式 <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mi>S</mi><mrow> <mn>2</mn> <mi>EI</mi></mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <msqrt><mfrac> <msup><mi>S</mi><mn>2</mn> </msup> <mrow><mn>4</mn><msup> <mrow><mo>(</mo><mi>EI</mi><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <mrow><mi>m</mi><msubsup> <mi>ω</mi> <mi>i</mi> <mn>2</mn></msubsup><mo>-</mo><mi>k</mi> </mrow> <mi>EI</mi></mfrac> </msqrt> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>L</mi> <mn>2</mn></msup><mo>=</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><msup> <mi>π</mi> <mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1,2,3</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>得到三個(gè)聯(lián)立方程，分別得到信號(hào)采集時(shí)刻主纜的張力S、彎曲剛度EI、線密度；第五，定期重復(fù)第一～四步即可繪制出主纜的張力S、彎曲剛度EI、線密度m、吊索對(duì)單位長(zhǎng)度主纜的豎向約束剛度k隨時(shí)間的變化曲線，供橋梁養(yǎng)護(hù)部門進(jìn)行主纜狀態(tài)識(shí)別。FSA00000140057600011.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸索橋主纜狀態(tài)快速識(shí)別方法，其特征是所述的每根主纜 上的三向加速度傳感器的安裝位置相對(duì)于橋梁中心點(diǎn)對(duì)稱，且對(duì)稱位于主纜的奇數(shù)等分點(diǎn) 上。
3.一種懸索橋主纜狀態(tài)快速識(shí)別裝置，其特征是它主要由數(shù)據(jù)采集單元(1)和數(shù)據(jù)分 析單元(2)組成，數(shù)據(jù)采集單元(1)通過無線WLAN網(wǎng)絡(luò)或USB設(shè)備(5)與數(shù)據(jù)分析單元(2)相連，所述的數(shù)據(jù)采集單元(1)主要由三向加速度傳感器(2)、多通道抗混濾波放大器(3)、A/D轉(zhuǎn)換模塊(4)和無線WLAN網(wǎng)絡(luò)或USB設(shè)備(5)組成，所述的數(shù)據(jù)分析單元(2)主 要由數(shù)據(jù)接收模塊(6)、功率譜和相關(guān)分析模塊(7)、索力計(jì)算模塊(8)和結(jié)果顯示與存儲(chǔ) 模塊(9)組成，三向加速度傳感器(2)的輸出與多通道抗混濾波放大器(3)的輸入端相連， 多通道抗混濾波放大器(3)的輸出端接A/D轉(zhuǎn)換模塊(4)，A/D轉(zhuǎn)換模塊(4)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號(hào)通過無線WLAN網(wǎng)絡(luò)或USB設(shè)備(5)輸送至數(shù)據(jù)分析單元(2)中的數(shù)據(jù)接收模 塊(6)中，數(shù)據(jù)接收模塊(6)將接收到的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)分析單元(10)中功率譜和相關(guān)分析 模塊(7)及索力計(jì)算模塊(8)中進(jìn)行計(jì)算后送入結(jié)果顯示與存儲(chǔ)模塊(9)中進(jìn)行顯示并存 儲(chǔ)。
全文摘要
一種懸索橋主纜狀態(tài)快速識(shí)別方法及裝置，其特征是它包括豎向剛度k計(jì)算，在每根待檢測(cè)的主纜上對(duì)稱安裝兩個(gè)用于信號(hào)采集的三向加速度傳感器，將傳感器采集的信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集單元處理后再通過有線或無線送入數(shù)據(jù)分析單元計(jì)算出主纜的前三階自振頻率ω1、ω2、ω3，通過三個(gè)聯(lián)立公式最終計(jì)算出主纜信號(hào)采集時(shí)刻主纜的張力S、彎曲剛度EI和線密度m的值；重復(fù)測(cè)量計(jì)算即可繪制出主纜的張力S、彎曲剛度EI和線密度m與時(shí)間之間的變化曲線，供橋梁養(yǎng)護(hù)部門進(jìn)行主纜狀態(tài)識(shí)別。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確率高且可在橋梁運(yùn)營全過程中進(jìn)行檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01L5/04GK101839781SQ20101018518
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者馮兆祥, 劉偉慶, 吉林, 徐秀麗, 段欣, 王俊, 羅韌, 鐘建馳, 阮靜, 陳策 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué);江蘇省長(zhǎng)江公路大橋建設(shè)指揮部