基于比弦模型的拉索截面抗弯刚度识别方法技术

本发明专利技术公开了基于比弦模型的拉索截面抗弯刚度识别方法，属于土木工程技术领域。方法特征在于：根据拉索受拉后频率分布的比值特征识别拉索的抗弯刚度。具体步骤为：(1)在拉索张拉校准中，给定拉索拉力作用下测量拉索固有振动频率。(2)由比弦模型确定拉索各阶无量纲约束方程关系，选择实测频率及相关的频阶，代入约束方程后求解相对刚度。基于此相对刚度和给定拉力、以及拉索无应力索长反算抗弯刚度。(4)变更拉索拉力，反复执行(1)‑(3)步骤3‑5次，将每次校准试验得到的抗弯刚度识别数值平均即可作为抗弯刚度估计值用于桥梁施工阶段或运营阶段索力测量。

【技术实现步骤摘要】
基于比弦模型的拉索截面抗弯刚度识别方法
本专利技术涉及一种拉索参数(截面抗弯刚度)识别方法，属于土木工程

技术介绍
振动法(亦称频率法)因概念明晰、操作简便是目前工程中应用最为普遍的索力测量方法。该方法的误差来源主要有模型误差和参数误差，其中参数误差较少被重视。本文此处所论是影响振动法索力测量的重要参数——截面抗弯刚度。抗弯刚度是导致拉索有别于张紧弦模型的主要因素，也使得频率分布不再服从“倍频关系”。所谓倍频关系，系指在张紧弦模型中，各阶频率之比与阶数之比相等，即：式中：fi和fj分别为拉索受拉时第i阶和第j阶振动频率。然而在实际工程中的拉索中截面抗弯刚度的存在导致上述关系不复存在。在索力测量中，抗弯刚度参数的误差亦会使索力估计值产生不可忽视的误差。截面抗弯刚度参数如此重要，却不可以直接由直径和钢绞线的弹模推算。原因如下：如图1所示为典型拉索的截面实拍照片，图中显示拉索截面由钢绞线、填充防腐材料、HDPE套管组成。在某些复杂拉索截面中，还有内外层HDPE护套、高强聚脂带等材料。这说明拉索截面是复合材料构成的。同时，图中所见截面中的纲绞线可能是离散布置的。显然，拉索截面抗弯刚度是不能通过截面直径换算出抗弯截面模量的。
技术实现思路
基于上述分析，为提升振动法索力测量的精度，较为准确的识别拉索截面抗弯刚度是非常必要的。HiroshiZui等在1996年提出了固接边界振动法索力估计的实用估计公式(PracticalFormulasforEstimationofCableTensionbyVibrationMethod,JournalofStructuralEngineering,Vol.122,No.6，1996)，该文献中给出一种类比张紧弦模型的无量纲约束方程。这一方程虽然在提出时用于索力测量，但为本文提出的抗弯刚度识别提供了一个便捷的理论基础。由于类比张紧弦模型，本文称此类方法为“比弦模型”。在比弦模型中，有无量纲约束方程为：式中：和T为拉索拉力(N)；EI为拉索抗弯刚度(N·m2)；l为拉索无应力长度(m)；fn为第n阶固有振动频率(Hz)；为同质同长拉索在共同拉力作用下张紧弦模型的第n阶固有振动频率(Hz)。之所以称式(2)为无量纲约束方程，是因为式中的ηn与ξ在固接边界下需满足该方程，它体现了二者之间的约束关系。本专利技术借助式(2)所体现的ηn与ξ之间的关系，给出了张拉校准条件下拉索截面抗弯刚度的识别方法。通常在拉索出厂前，都需要进行试张拉试验，以确保拉索在预定荷载作用下的工作安全性。此时便具备了张拉校准试验的条件，即在给定张拉力条件下测量拉索的固有振动频率。假定在某级张拉荷载T条件下，测得振动频率分别为fi、fj、fk、fl等，并识别出相应的频阶分别为i、j、k、l。记实测频率向量f＝{fifj···fkfl}，并记最小和最大频率值分别为fnb＝min.f，fnt＝max.f，并记相应的频阶为nb和nt。由式(2)可得第nb和第nt阶的无量纲约束方程为：无量纲约束方程的系数取值见于专利《基于比弦模型的拉索截面抗弯刚度识别方法》(201711428338.7)：表1:实用模型系数(20≤ξ≤50)注：n为频阶，在本专利技术方法中对应nb和nt。不同于专利201711428338.7中的索力识别问题，在张拉校准中索力可控，故可选择将ξ控制在[20,50]间的张拉力，使本表系数适用于本专利技术方法。其中涉及对EI的初步估值以估算ξ，此时只需按拉索全截面为匀质钢截面计算EI即可。将式(3)和(4)作比得：式中：Ktb＝(ηntanb)/(ηnbant)。式(6)右侧仅与实测频率及频阶有关系，故可由实测信息推知实测相对刚度ξtb。在Zui模型中，该值仅作为预测公式的区间判断依据，而在本专利技术方法中，该参数却成为实测值，其根本原因在于，在张拉校准实验中，拉力T可控已知。当相对刚度已知后，即可由ξ定义推得拉索截面抗弯刚度值EI：在本专利技术方法中，无量纲约束方程的系数适用于两端固接边界，故在张拉校准的工装中需严格控制拉索两端的边界为固接工作状态。附图说明图1为拉索典型截面(实拍照片)；图2为拉索截面抗弯刚度识别流程。具体实施方式本专利技术实施方式流程如图所示，包括：步骤一：确定张拉校准实验中在给定拉力张拉拉索；步骤二：实测加速度信号后处理获取得若干频率，并识别出相应所属的频阶；步骤三：选择最小频阶和最大频阶的频率；步骤四：基于实测频率推算相对刚度；步骤五：将相对刚度代入与抗弯刚度关系式推知拉索截面抗弯刚度值；步骤六：变化校准张力重复步骤一到步骤五3-5次，将每次推测出的截面抗弯刚度值取平均作为最终的识别结果。方法应用示例某斜拉桥某根拉索索长l＝19.905m，拉索线密度m＝51.914kg/m，实际抗弯刚度EI＝702960.59N·m2，现依照本专利技术方法推测截面抗弯刚度值。步骤一：将拉索安装到校准试验工装上，确保拉索两端固接。给定加载拉力T＝3152kN；步骤二：实测各阶频率分别为：f1＝6.51Hz，f2＝13.14Hz，f5＝34.66Hz，f7＝51.24Hz，f10＝80.72Hz。步骤三：选出最大阶频率f10＝80.72Hz与最小阶频率f1＝6.51Hz，且nt＝10、nb＝1。步骤四：计算实测相对刚度：式中：ant和anb系数取自表2：式中：bnt和bnb系数取自表2：表2:实用模型系数(20≤ξ≤50)步骤五：将实测ξ代入(7)推知拉索截面抗弯刚度值：式中所识别出的截面抗弯刚度相对误差为+1.60％。步骤六：按上述步骤重复进行张校准识别，此处略去。方法实施效果通过以上示例可以说明本专利技术的拉索截面抗弯刚度识别方法简便高效，识别精度高。经过厂内张拉校准试验识别拉索截面抗弯刚度后，将有效提升现场拉索振动法索力测量的精度和可靠性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于比弦模型的拉索截面抗弯刚度识别方法，其特征在于，其测量方法如下：步骤一：确定张拉校准实验中在给定拉力张拉拉索；步骤二：实测加速度信号后处理获取得若干频率，并识别出相应所属的频阶；步骤三：选择最小频阶和最大频阶的频率；步骤四：基于实测频率推算相对刚度；步骤五：将相对刚度代入与抗弯刚度关系式推知拉索截面抗弯刚度值；步骤六：变化校准张力重复步骤一到步骤五3‑5次，将每次推测出的截面抗弯刚度值取平均作为最终的识别结果。

【技术特征摘要】
1.基于比弦模型的拉索截面抗弯刚度识别方法，其特征在于，其测量方法如下：步骤一：确定张拉校准实验中在给定拉力张拉拉索；步骤二：实测加速度信号后处理获取得若干频率，并识别出相应所属的频阶；步骤三：选择最小频阶和最大频阶的频率；步骤四：基于实测频率推算相对刚度；步骤五：将相对刚度代入与抗弯刚度关系式推知拉索截面抗弯刚度值；步骤六：变化校准张力重复步骤一到步骤五3-5次，将每次推测出的截面抗弯刚度值取平均作为最终的识别结果。2.根据权利要求1所述基于比弦模型的拉索截面抗弯刚度识别方法，其特征在于，步骤四中的相对刚度计算公式为：式中：Ktb＝(ηntanb)/(ηnbant)，其中为第n阶比弦相对频率系数，fn为拉索第n阶振动频率，为第n阶弦模型振动频率，a...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨大伟，吕大刚，周文松，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23