基于索网模型的悬索桥双吊索参数识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于索网模型的悬索桥双吊索参数识别方法，包括以下步骤：采集索网结构中已知的基本参数；计算索网结构的频率方程；对索网结构进行振动频率测试并采集各阶实测频率；定义目标函数；迭代求解索网结构实际参数。本发明专利技术目标函数明确，识别方法简单直观，识别精度高，能够完全考虑此类吊索的振动参数，包括吊索的索力、抗弯刚度、计算长度、单位索长质量、减振器所处的位置以及减振器的刚度等，适用于任意条件下的双吊索索网。适用于任意条件下的双吊索索网。适用于任意条件下的双吊索索网。

【技术实现步骤摘要】
基于索网模型的悬索桥双吊索参数识别方法


[0001]本专利技术属于桥梁安全评估
，具体涉及一种基于索网模型的悬索桥双吊索参数识别方法。

技术介绍

[0002]吊索是悬索桥的重要受力构件，在施工或运营过程中，吊索的索力、抗弯刚度、长度、单位质量、减振器刚度等参数的实际状态跟设计状态不完全一致，识别出吊索真实的参数对准确评估桥梁的安全可靠性尤为重要。而悬索桥吊索由于减振器的作用形成索网结构，导致其与单根拉索的振动特性并不一样，在吊索同相整体振动振型之间会出现单根吊索单独振动振型(减振器位于吊索中点时成对出现)及反相振动振型，同相整体振动模态的自振频率值不受减振器影响，反相振动模态的频率值、振型均受减振器位置及刚度影响。以往的单根拉索参数识别方法无法全部利用索网结构的各阶频率，以致不能准确的识别吊索的全部参数。因此，需要一种准确的悬索桥吊索参数识别方法，对桥梁的施工及安全状态评估具有重要的意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于索网模型的悬索桥双吊索参数识别方法，方法基于索网模型，能够识别双吊索索网的所有参数。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]基于索网模型的悬索桥双吊索参数识别方法，包括以下步骤：
[0006]采集索网结构中已知的基本参数；
[0007]计算索网结构的频率方程；
[0008]对索网结构进行振动频率测试并采集各阶实测频率；
[0009]定义目标函数；
[0010]迭代求解索网结构实际参数。
[0011]进一步的，所述基本参数包括吊索的索力、材料的弹性模量、材料的截面积、吊索结构的计算长度、单位索长的质量、减振器所处的位置以及减振器的刚度。
[0012]进一步的，所述计算索网结构的频率方程具体为：
[0013]假设两根等长吊索L，吊索索力T、抗弯刚度EI以及单位索长质量m均相等，通过一个刚度为K的减振器进行连接，减振器在吊索1/2处，则其频率方程为：
[0014][0015]若减振器刚度K为无限大，减振器在吊索1/2处，则频率方程为：
[0016][0017]其中，频率方程(1)和(2)均在边界为固结的条件下计算得出。
[0018]进一步的，所述基于索网模型的悬索桥双吊索参数识别方法亦适用于减振器不位于吊索1/2处或索网两吊索参数不相同的情况。
[0019]进一步的，所述目标函数具体为：
[0020][0021]其中，分别为计算所得和实测所得的吊索第j阶频率值，w
j
是对应各阶频率误差的权重，n是实测中所得的频率最高阶次；
[0022]当计算频率等于实际频率时，即目标函数J＝0时，计算的吊索参数即为实际吊索参数，但是，实际工程中存在误差，因此，使目标函数J达到极小值，把目标函数导数的模控制在一个预设的范围内，即认为求解的吊索参数为实际吊索参数。
[0023]进一步的，所述迭代求解索网结构实际参数具体为：
[0024]通过公式(3)对吊索索网实际参数进行优化，采用优化迭代求解方法进行求解，包括单参数识别以及多参数识别。
[0025]进一步的，所述单参数识别具体为：
[0026]由公式(3)得，当吊索索网只有一个未知参数时，测量频率最高阶数n包括1和大于1两种情况；当n＝1时为单频率识别吊索索网单参数，当n＞1时为多频率识别吊索索网单参数；
[0027]当n＝1时，具体为：
[0028]设
[0029][0030]得j为任意频率阶次；
[0031]当通过吊索振动测试得到实测频率后，则得到
[0032]由于未知参数x为T、EI、L、m以及K中的一个，频率方程(1)或(2)中只有一个未知参数，通过迭代法求出未知参数，具体为：
[0033]令代入频率方程(1)或(2)，定义频率方程左边为f(x)；
[0034]确定x的范围为a≤x≤b，并令迭代轮次k＝0，给定所求未知参数初始值为x
(0)
＝a，求解f(x
(0)
)；迭代步长为t，迭代次数N＝(b
‑
a)/t；
[0035]令k＝k+1，x
(k)
＝x
(0)
+kt；
[0036]若f(x
(k
‑
1)
)
×
f(x
(k)
)＜0成立，输出x
(k)
，判断x
(k)
≥x
(N)
，若x
(k)
≥x
(N)
成立，则结束迭代，否则返回令k＝k+1，x
(k)
＝x
(0)
+kt步骤，继续迭代；若f(x
(k
‑
1)
)
×
f(x
(k)
)＜0不成立，判断x
(k)
≥x
(N)
，若x
(k)
≥x
(N)
成立，结束迭代，否则返回令k＝k+1，x
(k)
＝x
(0)
+kt步骤，继续迭代。
[0037]进一步的，当n>1时，具体为：
[0038]确定x的范围为a≤x≤b，并令迭代轮次k＝0，给定所求未知参数初始值为x
(0)
＝a，迭代步长为t，迭代次数N＝(b
‑
a)/t；ε表示目标函数的模的允许误差；
[0039]目标函数设为：
[0040][0041]其中，j为任意频率阶次，w
j
为各频率阶次下的权重系数，为第j阶计算频率，为第j阶实测频率；
[0042]设计算频率的目标方程为g(f
CAL
,x)＝0；
[0043]计算|F'(x)|的解析式，对目标方程求导得
[0044][0045]令
[0046][0047]其中，g
x
为频率方程左端对x求导，g
f
为频率方程左端对f求导；
[0048]将x
(k)
代入方程g(f
CAL
,x)＝0中，通过二分法计算出
[0049]将x
(k)
，代入F'(x)，计算出|F'(x)|；
[0050]设定目标函数极小值判定条件为|F'(x
(k)
)|＜ε；若条件|F'(x
(k)
)|＜ε成立，输出x
(k)
，判断x
(k)
≥x
(N)
，若x
(k)
≥x
(N)
成立，则结束迭代，否则令k＝k+1，x
(k)
＝x
(0)
+kt，返回将x
(k)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于索网模型的悬索桥双吊索参数识别方法，其特征在于，包括以下步骤：采集索网结构中已知的基本参数；计算索网结构的频率方程；对索网结构进行振动频率测试并采集各阶实测频率；定义目标函数；迭代求解索网结构实际参数。2.根据权利要求1所述的基于索网模型的悬索桥双吊索参数识别方法，其特征在于，所述基本参数包括吊索的索力、材料的弹性模量、材料的截面积、吊索结构的计算长度、单位索长的质量、减振器所处的位置以及减振器的刚度。3.根据权利要求1所述的基于索网模型的悬索桥双吊索参数识别方法，其特征在于，所述计算索网结构的频率方程具体为：假设两根等长吊索L，吊索索力T、抗弯刚度EI以及单位索长质量m均相等，通过一个刚度为K的减振器进行连接，减振器在吊索1/2处，则其频率方程为：若减振器刚度K为无限大，减振器在吊索1/2处，则频率方程为：其中，频率方程(1)和(2)均在边界为固结的条件下计算得出。4.根据权利要求3所述的基于索网模型的悬索桥双吊索参数识别方法，其特征在于，所述基于索网模型的悬索桥双吊索参数识别方法亦适用于减振器不位于吊索1/2处或索网两吊索参数不相同的情况。5.根据权利要求1所述的基于索网模型的悬索桥双吊索参数识别方法，其特征在于，所述目标函数具体为：
其中，分别为计算所得和实测所得的吊索第j阶频率值，w
j
是对应各阶频率误差的权重，n是实测中所得的频率最高阶次；当计算频率等于实际频率时，即目标函数J＝0时，计算的吊索参数即为实际吊索参数，但是，实际工程中存在误差，因此，使目标函数J达到极小值，把目标函数导数的模控制在一个预设的范围内，即认为求解的吊索参数为实际吊索参数。6.根据权利要求5所述的基于索网模型的悬索桥双吊索参数识别方法，其特征在于，所述迭代求解索网结构实际参数具体为：通过公式(3)对吊索索网实际参数进行优化，采用优化迭代求解方法进行求解，包括单参数识别以及多参数识别。7.根据权利要求6所述的基于索网模型的悬索桥双吊索参数识别方法，其特征在于，所述单参数识别具体为：由公式(3)得，当吊索索网只有一个未知参数时，测量频率最高阶数n包括1和大于1两种情况；当n＝1时为单频率识别吊索索网单参数，当n＞1时为多频率识别吊索索网单参数；当n＝1时，具体为：设得j为任意频率阶次；当通过吊索振动测试得到实测频率后，则得到由于未知参数x为T、EI、L、m以及K中的一个，频率方程(1)或(2)中只有一个未知参数，通过迭代法求出未知参数，具体为：令代入频率方程(1)或(2)，定义频率方程左边为f(x)；确定x的范围为a≤x≤b，并令迭代轮次k＝0，给定所求未知参数初始值为x
(0)
＝a，求解f(x
(0)
)；迭代步长为t，迭代次数N＝(b
‑
a)/t；令k＝k+1，x
(k)
＝x
(0)
+kt；若f(x
(k
‑
1)
)
×
f(x
(k)
)＜0成立，输出x
(k)
，判断x
(k)
≥x
(N)
，若x
(k)
≥x
(N)
成立，则结束迭代，否则返回令k＝k+1，x
(k)
＝x
(0)
+kt步骤，继续迭代；若f(x
(k
‑
1)
)
×
f(x
(k)
)＜0不成立，判断x
(k)
≥x
(N)
，若x
(k)
≥x
(N)
成立，结束迭代，否则返回令k＝k+1，x
(k)
＝x
(0)
+kt步骤，继续迭代。8.根据权利要求7所述的基于索网模型的悬索桥双吊索参数识别方法，其特征在于，当n>1时，具体为：确定x的范围为a≤x≤b，并令迭代轮次k＝0，给定所求未知参数初始值为x
(0)
＝a，迭代步长为t，迭代次数N＝(b
‑
a)/t；ε表示目标函数的模的允许误差；目标函数设为：其中，j...

【专利技术属性】
技术研发人员：甄晓霞，陈炜，张卓杰，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：