拉索运营状态智能判别方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种拉索运营状态智能判别方法及系统，它通过安装在拉索上的传感器分别检测加载前后的振动频率分别进行ＦＦＴ变换及相关计算得到索力、弯曲刚度及两端的转动约束刚度。本发明专利技术具有方法、系统简单，易于实现且精度高，功耗小的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种斜拉桥、悬索桥、拱桥拉索营运状态识别技术，尤其是一种拉索高精度、多变量判别方法及其系统，具体地说是一种拉索运营状态智能判别方法及系统。
技术介绍
众所周知，拉索是索桥的重要传力构件，承受轴向拉力，多采用高轻度平行钢丝束或钢绞线制作。拉索的受力与工作状态是直接反映桥梁是否处于正常运行的重要标志之一。在建桥过程中，必须对桥梁拉索的索力和桥梁内力进行监测和优化，成桥后也需对拉索进行复测以了解拉索的工作状态。 目前有不少关于索力的测试方法，如直接通过压力传感器进行测试，通过测试振动信号得到索的固有频率的振动法，通过动力测试与有限元计算进行对比，通过光纤传感器测试索的应变值得到索力，通过测试磁通量的渗透系数得到索力等。虽然测试方法较多，但是其中振动法还是因为其操作简便易行而且测试结果较为准确，在目前工程中被广泛使用。 振动法的简化公式是将索的两端当做铰支，并且忽略弯曲刚度，利用相邻两主频之差间接识别基频，再通过张力与基频的关系求得索的张力。这样处理导致振动法的精度容易受到一些因素的影响，诸如垂度、刚度、弯曲刚度等，特别是对于短索，这种误差是比较大的。实际上拉索两端支承条件十分复杂，若还采用单一的铰支或者固支边界来模拟，计算结果的偏差会随着索长的减小而急剧增大甚至失真。实际工程中，运营多年的索桥，其拉索的边界条件介于固支和铰支之间，两端有一定的转动刚度，目前尚未有一种方法能够准确、系统地测量和分析运营状态下包括边界约束、弯曲刚度和张力在内的拉索使用参数。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前采用振动法检测拉索运营状态参数时存在的精度低、误差大，不利于正确识别拉索工作状态的问题，提供一种检测效果好、使用范围广、操作简单、功耗低的拉索运营状态智能判别方法及系统。 本专利技术的技术方案是 一种拉索运营状态智能判别方法，其特征是它包括以下步骤 第一步，在需要检测的拉索上安装振动传感器，采集拉索的环境振动信号并送入计算机中； 第二步，利用计算机对第一步采集的数据进行傅里叶变换，得到前8阶振动主频f1，0，f2….f8 第三步，根据第二步计算所得的前8阶振动主频中的偶价频率，按下面公式计算出拉索张力S 其中 ρ——拉索线密度；L——拉索计算长度； 第四步，根据计算所得的索力按以下公式计算弯曲刚度EI 第五步，在距离拉索底部约L/4处粘贴一附加质量块M，再次采集加装附加质量块M后的拉索的环境振动信号，并进行傅里叶变换，得到拉索的自振基频f1，1 第六步，将以上计算所得的索力S、弯曲刚度EI和自振基频f1，1代下以下两个方程中以求解出拉索两端的转动约束刚度k1，k2 其中ω1，0＝2πf1，0，ω1，1＝2πf1，1 第七步，由计算机将求得的索力S、弯曲刚度EI及拉索两端的转动约束刚度k1，k2与设计安全值进行比较，得出拉索是否处于安全运行状态的判断，并进行显示或报警。 所述的附加质量块M的取值为至少应取拉索质量的5％，且质量越大，精度越高。附加质量M越大，加载前后的频率差别越大，越有利于识别两端的约束条件，但附加质量越大，会带来测量上的困难，比如安装很大质量块不容易。一般来说，如果加入10％拉索质量的附加质量，频率的改变是5％，具体的质量应根据频率分辨精度和测试需要来取值。一般来说以质量M取拉索质量的10％为宜，如果小于这个值，只要频率测试精度很高的话也能识别出来。 本专利技术的智能判别系统为 一种拉索运营状态智能判别系统，其特征是它主要由数据采集单元1和数据分析单元10组成，数据采集单元1通过无线方式与数据分析单元10相连；所述的数据采集单元1由传感器2、多通道抗混滤波放大器3、模/数信号转换器4及发送单元5组成，传感器2的输出与多通道抗混滤波放大器3的输入端相连，多通道抗混滤波放大器3的输出端与模/数信号转换器4的输入端相连，模/数信号转换器4的输出端与发送单元5的输入端相连，发送单元5的输出端作为数据采集单元1的输出端与数据分析单元10中的数据接收单元6无线相连，数据分析单元10主要由数据接收单元6、数据分析处理单元11及显示与存储单元9，所述的数据接收单元6将从前述发送单元5接收到的数据先后依次送入数据分析处理单元11中的傅里叶变换模块7、索力计算模块8及拉索两端转动约束刚度计算模块12中进行计算后送入显示与存储单元9中进行存储并显示。 所述的发送单元5为USB接口模块电路或WLAN通讯电路，对应的数据接收单元6设有USB接口或无线接收电路。 本专利技术的有益效果 1、本专利技术首次建立了一种拉索运营状态综合测试方法，能够通过拉索的环境振动响应信号的测试智能分析计算出包括索力、刚度、边界条件在内的参数，并研制了适用于现场采集数据和识别拉索状态的无线测试系统，用先进的数据采集和信号处理方法，结合柔性的模块化的无线技术为拉索的安全监测提供方便实用的手段。 2、本专利技术具有较高的运算精度，其中频率分析精度可达1％，拉索状态参数识别精度能达3％。 3、该无线测试系统的测试范围为100米以内，可同时测试多根(如4根或4根以上)拉索，如果增加采集通道可以同时测试更多的拉索，本专利技术性能可靠，使用方便，且具有很高的精度，适用范围广泛。 4、本专利技术首次通过索力、弯曲刚度及加载自振基频得到了复杂条件下的拉索转动约束刚度值，优化了传统的计算方法，使之更加符合实际运行状态。 5、本专利技术不仅适用于斜拉索、悬索桥的吊索运行状态识别，还可用于拱桥的吊杆运行状态的识别。 6、本专利技术检测效果好、使用范围广、操作简单、运营功耗低。 附图说明 图1是本专利技术的拉索运营状态测试示意图。 图2是本专利技术的智能判别系统框图示意图。 图3是与本专利技术相配的软件流程图。 具体实施例方式 下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。 如图1所示。 一种拉索运营状态智能判别方法，它包括以下步骤 第一步，在需要检测的拉索上安装振动检测用传感器(可采用市售成熟产品，也可采用带有无线发射功能的传感器)，采集拉索的环境振动信号并送入计算机中； 第二步，利用计算机对第一步采集的数据进行傅里叶变换(即FFT变换，可采用现有成熟软件加以实现)，得到前8阶振动主频f1，0，f2….f8 第三步，根据第二步计算所得的前8阶振动主频中的偶价频率，按下面公式计算出拉索张力S 其中 ρ——拉索线密度；L——拉索计算长度； 第四步，根据计算所得的索力按以下公式计算弯曲刚度EI 第五步，在距离拉索底部约L/4处粘贴一附加质量块M，再次采集加装附加质量块M后的拉索的环境振动信号，并进行傅里叶变换，得到拉索的自振基频f1，1所述的附加质量块的质量M的取值至少应取拉索质量的5％，且质量越大，精度越高。附加质量M越大，加载前后的频率差别越大，越有利于识别两端的约束条件，但附加质量越大，会带来测量上的困难，比如安装很大质量块不容易。一般来说，如果加入10％拉索质量的附加质量，频率的改变是5％，具体的质量应根据频率分辨精度和测试需要来取值。一般来说以质量M取拉索质量的10％为宜，如果小于这个值，只要频率测试精度很高的话也能识别出来； 第六步，将以上计算所得的索力S、弯曲刚度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种拉索运营状态智能判别方法，其特征是它包括以下步骤：　第一步，在需要检测的拉索上安装具有无线发射功能的传感器，采集拉索的环境振动信号并送入计算机中；　第二步，利用计算机对第一步采集的数据进行傅里叶变换，得到前８阶振动主频：ｆ↓［１，０］，ｆ↓［２］…．ｆ↓［８］：　第三步，根据第二步计算所得的前８阶振动主频中的偶价频率，按下面公式计算出拉索张力Ｓ：　Ｓ＝＊＊＊　其中Ｓ↓［１］＝（１６ｆ↓［２］↑［２］－ｆ↓［４］↑［２］）ρＬ↑［２］／１２Ｓ↓［２］＝（８１ｆ↓［４］↑［２］－１６↓［６］↑［２］）ρＬ↑［２］／１８０　Ｓ↓［３］＝（２５６ｆ↓［６］↑［２］－８１ｆ↓［８］↑［３］）ρＬ↑［２］／１００８　ρ－－拉索线密度；Ｌ－－拉索计算长度；　第四步，根据计算所得的索力按以下公式计算弯曲刚度ＥＩ：　ＥＩ＝１／４＊Ｌ↑［２］／ｉ↑［２］π↑［２］［４ｆ↓［ｉ］↑［２］ρＬ↑［２］／ｉ↑［２］－Ｓ］　第五步，在距离拉索底部Ｌ／４处粘贴一附加质量块Ｍ所示，再次采集加装附加质量块Ｍ后的拉索的环境振动信号，并进行傅里叶变换，得到拉索的自振基频ｆ↓［１，１］：　第六步，将以上计算所得的索力Ｓ、弯曲刚度ＥＩ和自振基频ｆ↓［１，１］代下以下两个方程中以求解出拉索两端的转动约束刚度ｋ↓［１］，ｋ↓［２］：　＊＊＊　其中ω↓［１，０］＝２πｆ↓［１，０］，ω↓［１，１］＝２πｆ↓［１．１］　第七步，由计算机将求得的索力Ｓ、弯曲刚度ＥＩ及拉索两端的转动约束刚度ｋ↓［１］，ｋ↓［２］与设计安全值进行比较，得出拉索是否处于安全运行状态的判断，并进行显示或报警。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊，刘伟庆，钟建驰，吉林，冯兆祥，陈策，阮静，蒋波，
申请(专利权)人：南京工业大学，江苏省长江公路大桥建设指挥部，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]