本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種基于加權(quán)窄帶搜峰法識(shí)別振動(dòng)頻率的柔性拉索索力測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
：隨著我國(guó)橋梁數(shù)量的迅速增長(zhǎng)和橋梁運(yùn)營(yíng)環(huán)境的日趨復(fù)雜嚴(yán)苛，橋梁工程的安全問(wèn)題日益突出。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1999～2016年期間我國(guó)共發(fā)生橋梁垮塌事故50余起，造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失和惡劣的社會(huì)影響。橋梁結(jié)構(gòu)的安全正受到政府和社會(huì)日益廣泛的關(guān)注。施工監(jiān)控是確保橋梁等大型結(jié)構(gòu)在施工或使用階段完美體現(xiàn)設(shè)計(jì)思路的一種手段，隨著橋梁等大型結(jié)構(gòu)的跨度、結(jié)構(gòu)型式的很大突破，常規(guī)的計(jì)算或測(cè)量手段已經(jīng)很難準(zhǔn)確地得出結(jié)構(gòu)在各種工況下的受力狀況，必須引入監(jiān)控作輔助控制手段，在橋梁等大型結(jié)構(gòu)的施工中起著指導(dǎo)和調(diào)整施工順序的作用。施工監(jiān)控主要有兩個(gè)方面：施工監(jiān)測(cè)和施工控制，施工監(jiān)測(cè)不但可以保證橋梁等大型結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的安全而且施工監(jiān)測(cè)的結(jié)果也為施工控制提供數(shù)據(jù)，而施工控制就是在施工全過(guò)程進(jìn)行有效的控制，保證成結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力滿足設(shè)計(jì)要求。施工監(jiān)測(cè)主要包括撓度觀測(cè)，溫度效應(yīng)觀測(cè)，應(yīng)力觀測(cè)(通過(guò)應(yīng)變片測(cè)應(yīng)變)，橋梁主要參數(shù)觀測(cè)，預(yù)應(yīng)力觀測(cè)(對(duì)于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu))，索力觀測(cè)(包括斜拉橋拉索、懸索橋、吊桿拱橋吊桿張拉力、鋼管拱吊裝扣索索力值)等。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(structurehealthmonitoring，簡(jiǎn)稱shm)是土木工程學(xué)科發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)性能，及其所處環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)或間斷地監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體或局部行為，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷位移和程度進(jìn)行診斷，對(duì)結(jié)構(gòu)的服役情況、可靠度、耐久性和承載能力進(jìn)行智能評(píng)估，為結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件下或結(jié)構(gòu)使用狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為結(jié)構(gòu)的維修、養(yǎng)護(hù)與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是一個(gè)多領(lǐng)域跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，涉及到土木工程、動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)、傳感技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、信號(hào)分析技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)等多個(gè)研究方向。拉索、吊桿等是高效承受拉力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，廣泛地應(yīng)用于斜拉橋、懸索橋、拱橋等大型索承重橋梁中。作為主要承力構(gòu)件，拉索的服役性能直接關(guān)系到橋梁的整體安全性，在橋梁安全服役運(yùn)營(yíng)中扮演著至關(guān)重要的角色。在橋梁使用過(guò)程中，拉索往往由于腐蝕和振動(dòng)等原因受到損害，作為張拉結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，拉索損害將會(huì)給橋梁帶來(lái)災(zāi)難性的后果。索力是評(píng)價(jià)索體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)是否良好的一個(gè)重要指標(biāo)，尤其對(duì)于以拉索為主要受力體的斜拉橋、懸索橋以及一些大型索膜結(jié)構(gòu)。受到損壞的拉索，將發(fā)生索力變化(松弛)，從而影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布和結(jié)構(gòu)線型，拉索的嚴(yán)重銹蝕甚至可能引起斷裂，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)的坍塌。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：技術(shù)問(wèn)題：為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種基于加權(quán)窄帶搜峰法識(shí)別振動(dòng)頻率的柔性拉索索力測(cè)試方法。技術(shù)方案：本發(fā)明提供的一種基于加權(quán)窄帶搜峰識(shí)別振動(dòng)頻率的柔性拉索索力測(cè)試方法，包括以下步驟：步驟1，利用振動(dòng)傳感器測(cè)定柔性拉索的振動(dòng)數(shù)據(jù)，即柔性拉索的時(shí)域振動(dòng)數(shù)據(jù)；步驟2，對(duì)柔性拉索的時(shí)域振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域變換，獲得柔性拉索的振動(dòng)頻譜；步驟3，根據(jù)已知的柔性拉索的各階振動(dòng)頻率，標(biāo)記為fi*，其中i表示振動(dòng)頻率的階數(shù)，i取值為連續(xù)的自然數(shù)，i＝1,2,3······，對(duì)頻譜進(jìn)行窄帶劃分，確定各階振動(dòng)頻率的窄帶鄰域(fi*(1-ε),fi*(1+ε))，其中2ε為窄帶鄰域的寬度；步驟4，在窄帶鄰域(fi*(1-ε),fi*(1+ε))內(nèi)搜索獲得峰值ai，峰值ai對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率fi即為柔性拉索實(shí)際的第i階振動(dòng)頻率；步驟5，計(jì)算柔性拉索連續(xù)兩階振動(dòng)頻率的差值δfi及其權(quán)值wi，其中，δfi＝fi+1-fi，wi＝ai+1*ai；步驟6，計(jì)算柔性拉索的振動(dòng)基頻f1，其中，步驟7，采用公式(i)計(jì)算柔性拉索索力：t＝4ml2f12(i)；其中：t—柔性拉索索力；m—柔性拉索單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，即柔性拉索的線密度；l—索構(gòu)件的名義長(zhǎng)度。公式(i)的依據(jù)下述方法獲得：索力的測(cè)量包括振動(dòng)法、油壓法、應(yīng)力法等，而振動(dòng)法由于其操作簡(jiǎn)單，成本較低等因素在工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域獲得了較快地發(fā)展。振動(dòng)法測(cè)試?yán)魉髁?，先要獲得拉索的振動(dòng)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行頻譜分析，理論上利用基頻(第一階頻率)計(jì)算索力，但在實(shí)際工程中，不一定能夠有效地獲得拉索基頻(受各種噪聲影響)。本發(fā)明利用柔性拉索的倍頻特性，識(shí)別拉索的多階頻率，計(jì)算連續(xù)各階頻率的多個(gè)差值來(lái)等效拉索的基頻，再根據(jù)拉索幾何物理特性計(jì)算拉索索力。振動(dòng)法測(cè)索力的基本原理是通過(guò)測(cè)量拉索的自振頻率，然后根據(jù)弦振動(dòng)理論進(jìn)行計(jì)算分析確定拉索索力。振動(dòng)法采用環(huán)境隨機(jī)激振，測(cè)量拉索的前幾階自振頻率，然后依據(jù)弦振動(dòng)理論分析求解，得到拉索的內(nèi)力。當(dāng)索構(gòu)件兩端的邊界條件可以簡(jiǎn)化為鉸支時(shí)，索力的計(jì)算公式如下：t＝4m(fi2/i2)·l2-eiπ2(i2/l2)(1)其中：t—索構(gòu)件所受的軸向力(索力)；m—索構(gòu)件單位長(zhǎng)度的質(zhì)量(線密度)；ei—索構(gòu)件的彎曲剛度；fi—索構(gòu)件的第n階振動(dòng)頻率(單位：hz)；i—振動(dòng)階次；l—索構(gòu)件的名義長(zhǎng)度。當(dāng)構(gòu)件滿足柔性索類構(gòu)件的定義，即長(zhǎng)細(xì)比足夠大時(shí)，式(1)的第二項(xiàng)可以忽略不計(jì)，則式(1)可以簡(jiǎn)化成：t＝4m(fi2/i2)·l2(2)如果已知索類構(gòu)件的名義長(zhǎng)度l，沿長(zhǎng)度方向的單位質(zhì)量m，再測(cè)出它的前幾階振動(dòng)頻率，則根據(jù)式(2)就可以計(jì)算出索力；在實(shí)際的運(yùn)用中，往往不容易確定某階頻率的階數(shù)，因此一般根據(jù)拉索基頻或頻差進(jìn)行計(jì)算索力，則公式(2)可表示為：t＝4ml2f12(3)本發(fā)明的加權(quán)窄帶搜峰法是指在識(shí)別出的各階頻率的鄰域內(nèi)，識(shí)別多個(gè)頻率峰值，根據(jù)連續(xù)的幾階頻率之間的差值及權(quán)值計(jì)算一個(gè)頻差，根據(jù)倍頻特性，以此頻差代替基頻，在利用公式(3)計(jì)算拉索索力。其中，步驟2中，頻域變換方法為傅里葉變換。其中，步驟3中，窄帶的位置需要根據(jù)已知的柔性拉索的各階振動(dòng)頻率確定，已知的柔性拉索的各階振動(dòng)頻率可以是理論計(jì)算結(jié)果(例如，采用有限元模型方法計(jì)算獲得)，或者是該柔性拉索的歷史振動(dòng)頻率數(shù)據(jù)；而由于有限元模型的簡(jiǎn)化、柔性繩索使用的損耗等原因，已知的柔性拉索的各階振動(dòng)頻率可能會(huì)與當(dāng)前的實(shí)際振動(dòng)頻率有所差異。步驟3中，窄帶的寬度ε取值在3-5％之間，可以根據(jù)實(shí)際情況確定，也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。有益效果：本發(fā)明的加權(quán)窄帶搜峰法以連續(xù)的幾階頻率之間的差值的加權(quán)平均值作為基頻，可利用計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代工具或人工計(jì)算快速獲得柔性拉索的索力，操作簡(jiǎn)單，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，結(jié)果準(zhǔn)確。具體而言，本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下突出的優(yōu)勢(shì)：(1)計(jì)算方法簡(jiǎn)單，操作方便，便于理解，結(jié)果準(zhǔn)確；(2)本方法便于計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，便于計(jì)算機(jī)快速自動(dòng)批處理；(3)本方法能夠搜索柔性拉索的多階振動(dòng)頻率，能夠根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)獲得當(dāng)前實(shí)際的振動(dòng)頻率；(4)本方法能夠有效地描述索力變化情況。附圖說(shuō)明圖1為某座大橋某根拉索15分鐘內(nèi)的加速度時(shí)程曲線；圖2為柔性繩索的振動(dòng)頻譜圖；圖3是本方法和錨索計(jì)同時(shí)識(shí)別某一天的索力變化情況圖；圖4是本方法和錨索計(jì)的誤差情況圖：以錨索計(jì)為準(zhǔn)，描述本方法的誤差特性，包括絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。具體實(shí)施方式下面對(duì)本發(fā)明加權(quán)窄帶搜峰測(cè)量柔性拉索索力的方法做出進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1加權(quán)窄帶搜峰測(cè)量柔性拉索索力，步驟如下：步驟1，利用振動(dòng)傳感器測(cè)定柔性拉索的振動(dòng)數(shù)據(jù)，即柔性拉索的時(shí)域振動(dòng)數(shù)據(jù)，如圖1所示，是某座大橋某根拉索15分鐘內(nèi)的加速度時(shí)程曲線；步驟2，對(duì)步驟1的柔性拉索的時(shí)域振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域變換，獲得柔性拉索的振動(dòng)頻譜，如圖2所示；其中，變換方法利用離散傅里葉變換，變換公式如下：其中，x(n)是離散的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)列，n是加速度數(shù)據(jù)點(diǎn)的序號(hào)，n是加速度時(shí)程數(shù)據(jù)列的數(shù)據(jù)量，即采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，本例中，采樣頻率為20hz，采樣時(shí)長(zhǎng)為15分鐘，則采樣點(diǎn)數(shù)為n＝15*60*20＝18000，j是虛數(shù)，x(k)是變換后的頻域數(shù)據(jù)列，k是頻域數(shù)據(jù)點(diǎn)的序號(hào)；步驟3，根據(jù)已知的柔性拉索的各階振動(dòng)頻率，標(biāo)記為fi*，其中i＝1,2,3……，其中，i表示頻率的階數(shù)，對(duì)頻譜進(jìn)行窄帶劃分，確定各階頻率的窄帶鄰域(fi*(1-ε),fi*(1+ε))，其中2ε為窄帶鄰域的寬度，ε可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，本例中取5％；本例中，已知的柔性拉索的各階振動(dòng)頻率根據(jù)歷史振動(dòng)數(shù)據(jù)分析得到，fi*見(jiàn)表1所示；步驟4，利用計(jì)算機(jī)軟件在窄帶鄰域(fi*(1-ε),fi*(1+ε))內(nèi)搜索獲得峰值ai，峰值對(duì)應(yīng)的頻率fi即為柔性拉索實(shí)際的第i階振動(dòng)頻率；本例中，峰值ai和fi見(jiàn)表1所示；步驟5，計(jì)算柔性拉索連續(xù)兩階頻率的差值δfi，及其權(quán)值wi，其中，δfi＝fi+1-fi，wi＝ai+1*ai；本例中，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析得到的權(quán)值wi和頻差δfi見(jiàn)表1所示。表1階數(shù)fi*(hz)fi(hz)δfi(hz)aiwi10.35010.35000.35113.010226.445820.70030.70110.35008.785463.616831.05011.05110.34777.241235.446441.39211.39880.34684.895129.166551.74911.74560.34775.958331.889462.09162.09330.35895.352150.123572.45622.45220.34119.365276.928682.79532.79330.35458.2143105.588393.14533.14780.351112.8542117.3126103.49813.49890.35259.126476.3460113.85653.85140.34898.365470.4308124.20164.20030.34868.419369.1671134.54294.54890.35448.215364.5484144.90324.90330.35117.857153.1541155.25985.25440.34786.765145.3153165.61095.60220.35006.698451.5388175.95115.95220.33897.694246.0667186.28996.2911——5.9872——………………………………步驟6，計(jì)算柔性拉索的振動(dòng)基頻f1，其中，步驟7，采用公式(i)計(jì)算柔性拉索索力：t＝4ml2f12＝4606.1043kn(i)；其中：m＝72.125kg/m；l＝361.123m。本發(fā)明方法的準(zhǔn)確性和可靠性通過(guò)了實(shí)橋試驗(yàn)驗(yàn)證：本發(fā)明首先測(cè)量了某橋某根索的振動(dòng)時(shí)域曲線(見(jiàn)圖1)，再根據(jù)振動(dòng)時(shí)域曲線獲得了該索的振動(dòng)頻譜(見(jiàn)圖2)，并利用本發(fā)明方法識(shí)別到各階振動(dòng)頻率及其幅值，計(jì)算了加權(quán)平均頻差替代了基頻。利用錨索計(jì)和本發(fā)明方法同時(shí)測(cè)量某橋某根索在一天之內(nèi)的索力變化情況(見(jiàn)圖3)，從圖3中可以看出，兩種方法測(cè)到的索力變化趨勢(shì)一致；圖4給出了這兩種方法測(cè)量索力的誤差情況，以錨索計(jì)測(cè)量的索力為基準(zhǔn)，本發(fā)明方法測(cè)量的索力絕對(duì)誤差在20kn之內(nèi)，相對(duì)誤差在0.4％之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)12