一种中长索的变边界索力识别方法技术

本发明专利技术公开了一种中长索的变边界索力识别方法，该方法对索进行单元离散，将索分成ｎ个单元，ｎ的取值范围为４０－４００，根据公式（１）－（２）计算每个单元的单元刚度矩阵［Ｋ］ｅ和质量矩阵［Ｍ］ｅ；然后对索加设橡胶垫块构成外加约束，橡胶垫块为２－６块，橡胶垫块安装个数根据测试索的长度确定，在确定总体刚度矩阵［Ｋ］和质量矩阵［Ｍ］，采用迭代法对索结构自振频率的特征值方程｜［Ｋ］－ω２［Ｍ］｜＝０进行求解，得到索力Ｔ。本发明专利技术在索力不变的情况下，改变索的边界条件下，其索的频率发生变化，索的频率与索力关系方程随着索的边界条件变化而变化，解决了由于索在复杂环境下其频率测试不了的情况，同时可以通过调整边界条件，使得索的频率在现有仪器能测试的区间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种受力的中长索的的索力识别方法，更具体地说，是工程应用中的 斜拉桥斜拉索、拱桥吊杆、拱桥系杆、悬索桥主揽等索的索力识别方法。
技术介绍
随着工程建设的大力、快速地发展，索由于其结构形式简单、美观、经济等优势，使 得其大量地应用在工程建筑中，特别在桥梁建设中，如斜拉桥斜拉索、拱桥吊杆、拱桥系杆、 悬索桥主揽等都是索。索的索力大小关系到结构安全，在索的应用中，索的索力一般都很 大，如在斜拉桥中，斜拉索甚至能承受几百吨的力，然后将力传递到索连接的结构上(如主 塔、主梁、端横梁、主拱)，可见，索的索力对于这些连接结构的局部及整体受力都至关重要， 因此，对于索的索力识别是非常重要的。目前，索力测试方法有许多，其主要有电阻应变片测定法、索的伸长量测定法、压 力传感器测定法、张拉千斤顶测定法、磁通量法、频率法。电阻应变片法，是在索上粘贴应变 片，通过测定索在力作用下的应变，并将应变转换成内力的一种方法。这种方法需要破坏索 的保护层，而且只能测试出索力的变化量，对于有初始内力的索，该方法不能够测试出来； 索的伸长量法也有同样的不足；压力传感器测定法是一个较精确的方法，但是需要事先安 装在索的端部，另外，由于压力传感器价格贵，如果每根索都安装压力传感器，很不经济；张 拉千斤顶测定法，这种方法测试难度较大，特别是对于已经安装好的索，该法极难实现；磁 通量法是通过电磁传感器测定磁通量变化，根据索力、温度与磁通量变化的关系推算出索 力。这种方法在我国的应用并不多，如果要精确测量索力，还有待实践应用进一步验证；频 率法是采用高灵敏度适振器测试索的自振频率，由索力与其自振频率的关系推算索力。频 率的识别采用细化FFT技术，细化后索的频率分辨率提高到0. 001HZ以上，可以说自振频率 的测试精度完全满足工程要求，该方法应用广泛，很有应用价值，但是目前的频率法有以下 的不足1)只能考虑简单边界；2)由于其他结构频率的影响，对于一些超低频或超高频的 索的频率不容易测试，即不容易将测试的频率分离出来；3)很难去除索中各影响因素(其 它结构振动、环境、自身参数)的具体影响值。但是，如果考虑到频率与边界条件的关系 如果索力与频率的关系方程改变，在索力不变的情况下，频率必然变化，通过现场对长索进 行测试试验可知，当在索的中间施加约束时，索的频率增加。本专利技术根据频率与边界的关 系，提出了一种中长索的变边界内力识别法。当采用本专利技术进行索力识别时，索的频率能达 到理想测试范围，解决中长索、超长索频率测试问题，同时通过建立复杂边界动态有限元模 型，解决了该类索的复杂边界下频率换算索力的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种成本低、索力测试准确的中 长索的变边界索力识别方法。本专利技术原理在工程实践中，由于环境噪声、其他结构振动等对索的频率测试影响很大，索的基频理想测试范围是0. 5-20HZ，对于基频低于0. 5HZ的长索，频率细微的变化对 索的内力变化影响较大；另外，在工程应用中，索的边界条件复杂，如减震器、连接器、索中 间支撑架、索两端约束等应用，用简单的索振动理论无法满足工程精度。本专利技术提出了一种 变边界索力识别法，可以通过改变索的边界条件，以提高索的频率的目的，实现对该类长索 频率的测试，进而对频率与索力进行转换，得出索力值。⑴ 本专利技术的目的通过如下技术方案实现 ，包括如下步骤 (1)对索进行单元离散，将索分成η个单元，η的取值范围为40 (2)计算每个单元的单元刚度矩阵e和质量矩阵e ；400，根据公式 式中，P为索的材料密度；A为索的截面面积；TX为采用迭代法假定的索力，其中 χ为迭代的次数，取自然数；1为离散单元的长度，为L/n，其中L为索全长；e为离散单元的 编号，其值为1至η;(2)对索加设橡胶垫块构成外加约束，橡胶垫块为2-6块，橡胶垫块安装个数根据 测试索的长度确定，如果索的长度L ( 50m,橡胶模块取2个；如果索的长度50m < L < 75m, 橡胶模块取3个；如果索的长度75m彡L < 100m,橡胶模块取4个；如果索的长度100m ( L < 150m，橡胶模块取5个；如果索的长度L ^ 150m，橡胶模块取6 ；橡胶垫块给索施加的约 束为单向弹簧约束，橡胶垫块抗压刚度k为106N/m 107N/m ；橡胶垫块位置处索对应的单 元刚度矩阵变量用Δ e表示，若外加约束处的离散点编号为Ah，而且该处外约束的刚度 为kh，则外约束所增加的索结构单元刚度为公式(3) 式中，Ah与kh中的h代表外加约束的编号，其值为1 m，m为2-6 ；(3)总体刚度矩阵和质量矩阵如公式(4)与公式(5) (5)(4)计算出索的总体刚度矩阵和总体质量矩阵后，采用迭代法对索结构自振频率 的特征值方程I -ω2 I = 0进行求解，圆频率ω = 2 π fx，fx为第χ次迭代索的频率， χ取自然数；初始索力T1通过原始记录资料中索张拉施工时候的油压表读数，或者根据伸 长量换算得到，将T1代入特征值方程I _ω2 I = 0，得到系杆1次迭代索的频率值f1; 若Ifi-f I ^ η, η为允许误差，那么索力T = T1 ；否则，按以下两种情况进入下一次迭代a、如果f\-f < 0,重新假设Tx+1 = Tx+ ΔΤ, χ为迭代次数，该次迭代χ = 1，每迭代 一次，X增加1，ΔΤ为迭代增量，Δ T取索力精确位数0.01ΚΝ，进入下一次迭代求解特征值 方程I _ω2 I = 0，得到系杆χ次迭代频率值fx，最后通过|fx_f I ( η判断系杆索力 τ = τχ；b、如果fff > 0，再重新假设Tx+1 = Tx-Δ Τ,进入下一次迭代求解特征值方程 -ω2 I = 0，得到系杆χ次迭代频率值fx，最后通过|fx_f I彡η判断系杆索力T = Tx0为进一步实现本专利技术目的，所述橡胶垫块由第一钢板和第二钢板之间夹着橡胶构 成，第一钢板和第二钢板与橡胶之间采用万能胶粘结。所述橡胶垫块的抗压刚度为106N/m 107N/m，大小为5cmX 5cmX 5cm。所述橡胶垫块之间或者橡胶垫块与最近的中长索一个端点之间的长度为0. IL 0. 3L，L为索的全长。橡胶垫块与索的接触力需要大于0. 25KN,小于5KN，使得橡胶垫块在弹性范围内。所述允许误差η为仪器测试精度10_4。相对于现有技术，本专利技术具有如下优点和有益效果(1)变边界索力识别方法通过改变索的边界条件，以达到调整索频率的目的，充分 发挥了频率法的优点，同时又改进了频率法，突破了频率测试的盲区，只要对索施加或者减 少部分边界条件，使得索的频率达到理想测试范围，实现索频率的良好测试，就可以根据测 试模型建立考虑各种约束的索计算模型，同时推导索的振动方程，编制简单的计算程序，最 后将索的频率转换成索力。更为重要的是，当索力测试完后，索的边界条件可以恢复，测试 成本低、测试结果精确。(2)变边界索力识别方法相对于压力传感器法、油压表法、应变片法等，其应用范 围更加广阔，如在索端锚固良好或者索有保护套等情况，只有采用变边界索力识别方法才 能在不损坏索的情况下测试索力，可见，本专利技术测试成本相对较低；(3)变边界索力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中长索的变边界索力识别方法，其特征在于包括如下步骤：（１）对索进行单元离散，将索分成ｎ个单元，ｎ的取值范围为４０～４００，根据公式（１）～（２）计算每个单元的单元刚度矩阵［Ｋ］↓［ｅ］和质量矩阵［Ｍ］↓［ｅ］；［Ｋ］↓［ｅ］＝ＥＩ／ｌ↑［３］＊＊＊（１）［Ｍ］↓［ｅ］＝ρＡｌ／４２０＊＊＊（２）式中，ρ为索的材料密度；Ａ为索的截面面积；Ｔ↓［ｘ］为采用迭代法假定的索力，其中ｘ为迭代的次数，取自然数；ｌ为离散单元的长度，为Ｌ／ｎ，其中Ｌ为索全长；ｅ为离散单元的编号，其值为１至ｎ；（２）对索加设橡胶垫块构成外加约束，橡胶垫块为２－６块，橡胶垫块安装个数根据测试索的长度确定，如果索的长度Ｌ≤５０ｍ，橡胶模块取２个；如果索的长度５０ｍ≤Ｌ＜７５ｍ，橡胶模块取３个；如果索的长度７５ｍ≤Ｌ＜１００ｍ，橡胶模块取４个；如果索的长度１００ｍ≤Ｌ＜１５０ｍ，橡胶模块取５个；如果索的长度Ｌ≥１５０ｍ，橡胶模块取６；橡胶垫块给索施加的约束为单向弹簧约束，橡胶垫块抗压刚度ｋ为１０↑［６］Ｎ／ｍ～１０↑［７］Ｎ／ｍ；橡胶垫块位置处索对应的单元刚度矩阵变量用Δ［Ｋ］↓［ｅ］表示，若外加约束处的离散点编号为Ａ↓［ｈ］，而且该处外约束的刚度为ｋ↓［ｈ］，则外约束所增加的索结构单元刚度为公式（３）：Δ［Ｋ］↓［ｅ］＝｛＊＊＊｝其中ｅ＝Ａ↓［ｈ］（３）式中，Ａ↓［ｈ］与ｋ↓［ｈ］中的ｈ代表外加约束的编号，其值为１～ｍ，ｍ为２－６；（３）总体刚度矩阵［Ｋ］和质量矩阵［Ｍ］如公式（４）与公式（５）：［Ｋ］＝＊［Ｋ］↓［ｅ］＋＊＊Δ［Ｋ］↓［ｅ］（４）［Ｍ］＝＊［Ｍ］↓［ｅ］（５）（４）计算出索的总体刚度矩阵和总体质量矩阵后，采用迭代法对索结构自振频率的特征值方［Ｋ］－ω↑［２］［Ｍ］｜＝０进行求解，圆频率ω＝２πｆ↓［ｘ］，ｆ↓［ｘ］为第ｘ次迭代索的频率，ｘ取自然数；初始索力Ｔ↓［１］通过原始记录资料中索张拉施工时候的油压表读数，或者根据伸长量换算得到，将Ｔ↓［１］代入特征值方程｜［Ｋ］－ω↑［２］［Ｍ］｜＝０，得到系杆１次迭代索的频率值ｆ↓［１］，若｜ｆ↓［１］－ｆ｜≤η，η为允许误差，那么索力Ｔ＝Ｔ↓［１］；否则，按以下两种情况进入下一次迭代：ａ、如果ｆ↓［１］－ｆ＜０，重新假设Ｔ↓［ｘ＋１］＝Ｔ↓［ｘ］＋ΔＴ，ｘ为迭代次数，该次迭代ｘ＝１，每迭代一次，ｘ增加１，ΔＴ为迭代增量，ΔＴ取索力精确位数０．０１ＫＮ，进入下一次迭代求解特征值方程｜［Ｋ］－ω↑［２］［Ｍ］｜＝０，得到系杆ｘ次迭代频率值ｆ↓［ｘ］，最后通过｜ｆ↓［ｘ］－ｆ｜≤η判断系杆索力Ｔ＝Ｔ↓［ｘ］；ｂ、如果ｆ↓［１］－ｆ＞０，再重新假设Ｔ↓［ｘ＋１］＝Ｔ↓［ｘ］－ΔＴ，进入下一次迭代求解特征值方程｜［Ｋ］－ω↑［２］［Ｍ］｜＝０，得到系杆ｘ次迭代频率值ｆ↓［ｘ］，最后通过｜ｆ↓［ｘ］－ｆ｜≤η判断系杆索力Ｔ＝Ｔ↓［ｘ］。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王荣辉，李平杰，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81