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复杂质量条件下拉索的索力测试方法

阅读：299发布：2022-10-02

专利汇可以提供复杂质量条件下拉索的索力测试方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种复杂质量条件下拉索的索力测试方法，基于频率法的索力测试是拱桥吊杆索力测试中最常用的方法，为了吊杆更换方便拉索端部经常安装锚具，并且张拉时绑扎的千斤顶进一步改变拉索的动力特性，这将导致拉索的索力‑频率关系发生较大改变，从而影响常规频率法测量索力的精度。本发明结合实际工程，研究拉索端部装置和索上绑扎的千斤顶质量作用对其振动特性的影响，拟合了该复杂质量及刚度条件下的索力‑频率关系。工程试验结果表明，张拉索力与实测频率的关系与考虑复杂质量及刚度条件下索力‑频率关系较为吻合，与常规索力‑频率关系则差异较大，验证了本发明存在一定的工程价值。，下面是复杂质量条件下拉索的索力测试方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种复杂质量条件下拉索的索力测试方法，其特征在于，所述的索力测试方法包括下列步骤：
S1、分别建立非均质吊杆在张拉阶段和非张拉阶段的两个模型，得到相应的索力频率关系，其中，该步骤过程如下：
把模型参数输入与输出结果以数组形式存储，使用ARRAY数值型数组定义，利用*DIM命令定义数组参数，使用*SET命令输入数组参数赋值；
拉索几何模型建立和网格划分，在非张拉阶段，对于端部有锚具装置的非均质拉索，锚具装置段单元的质量和刚度需根据实际工程设定；在张拉阶段，对于非均质拉索除了锚具装置段考虑外，千斤顶段因只增加了质量作用，故千斤顶段单元只需要增加线密度；
施加边界条件和索力，索力范围利用解析法的使用公式初步估计；
索力静力效应下初始内力计算，因拉索在承受自重和预应力作用下存在自平衡状态，故需要考虑几何非线性；
索力频率关系计算，动力分析采用集中质量矩阵，指定方程求解器，打开预应力开关，进行循环索力下的频率求解；
S2、将振动传感器绑扎在拉索上，对振动信号进行频域分析，拾取频谱图各阶峰值频率即可得到拉索的各阶自振频率；
S3、通过插值原理由实测频率确定实测索力。
2.根据权利要求1所述的复杂质量条件下拉索的索力测试方法，其特征在于，所述的S1中，利用有限元软件ANSYS分别建立非均质吊杆在张拉阶段和非张拉阶段的两个模型，得到相应的索力频率关系。
3.根据权利要求1所述的复杂质量条件下拉索的索力测试方法，其特征在于，所述的S2中，在拉索张拉时，绑扎千斤顶时测得其振动的频率f1，在拉索张拉完成后，千斤顶卸掉时测得其振动的频率f2，有限元建立拉索在有无千斤顶下采用不同的模型，无千斤顶时建模考虑端部锚具装置的直径和线密度，有千斤顶除考虑锚具装置外，还需考虑千斤顶段增加的线密度，从而计算得到不同的索力频率关系。
4.根据权利要求1所述的复杂质量条件下拉索的索力测试方法，其特征在于，所述的S2中，采用动态信号测试分析仪，其中，动态信号测试分析仪对于不同的测试环境，可预先设置采样频率和通道信息参数，试验现场采用多台同时测量；
传感器采用压电式传感器，拉索张拉时根据千斤顶台数进行同时对称张拉。
5.根据权利要求1所述的复杂质量条件下拉索的索力测试方法，其特征在于，所述的S3中，事先通过步骤S1得到索力频率的对应关系：(ω0,F0)与(ω1,F1)，然后得到[ω0,ω1]区间内某一实测值ω在直线上的F值，即F＝(ω-ω0)/(ω1-ω0)*(F1-F0)+F0，其中，ω指实测频率，ω0、ω1指有限元计算的频率，F指实测索力，F0、F1指有限元施加的索力。

说明书全文

复杂质量条件下拉索的索力测试方法

技术领域

[0001] 本发明涉及拉索索力测试技术领域，具体涉及一种复杂质量条件下拉索的索力测试方法，涉及拉索端部锚具装置和绑扎的千斤顶的频率法测量索力，即针对非均质吊杆(非张拉阶段锚具装置作用，张拉阶段千斤顶质量作用和锚具装置作用)。

背景技术

[0002] 在我国成为世界桥梁大国的今天，中、下承式拱桥得到了广泛的应用。而吊杆作为重要的传力构件，因被锈蚀或拉断等引起不少桥梁安全事故。基于此不少学者进行了研究，龙跃对拉索的病害作了总结并提出了相应的维护措施。张秀成对吊杆检测、养护进行了研究，提出对危险的吊杆进行更换的建议。孙振海对吊杆的锚具装置进行了研究，提出对于吊杆的更换快捷性而言挤压式锚具更适用。随后翁辉等人研究了挤压锚具对于拱桥吊杆更换的特殊优势。而随着锚具装置在吊杆上的广泛使用，解析法太过繁复实际应用性较低，不同学者对频率法研究多年，虽然有多种实用公式，却多是针对规范的拉索；现有有限元法考虑端部性质的拉索索长在30m下的索力计算偏差较大。此外两者都未考虑千斤顶的作用。

[0003] 目前，该研究领域的现状以及不足总结如下：

[0004] 1、现有文献针对非均质吊杆也只是考虑了锚具装置的作用，并未考虑张拉阶段绑扎千斤顶的质量作用。

[0005] 2、现有非均质吊杆的有限元法对于短索的索力测量误差较大，而吊杆的长度多数较短。

[0006] 3、解析法和常规有限元法难以得到准确的索力频率关系，而索力频率关系的准确性直接影响实测索力的准确性。

发明内容

[0007] 本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种复杂质量条件下拉索的索力测试方法，该方法结合实际工程，利用有限元软件模拟拉索端部的刚度和质量突变。首先在有限元软件中建立非均质吊杆得到修正的索力频率关系，随后通过实测频率得到实测索力，大大提高了索力测试的准确性。

[0008] 本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

[0009] 一种复杂质量条件下拉索的索力测试方法，该索力测试方法包括下列步骤：

[0010] S1、利用有限元软件ANSYS建立非均质吊杆(张拉阶段和非张拉阶段)的两个模型，得到相应的索力频率关系。

[0011] S2、将振动传感器绑扎在拉索上，对振动信号进行频域分析，拾取频谱图各阶峰值频率即可得到斜拉索的各阶自振频率。

[0012] S3、通过插值原理由实测频率确定实测索力。

[0013] 进一步地，所述的步骤S1，具体操作过程如下所示：

[0014] (1)为了方便输入输出，需要把模型参数输入与输出结果以数组形式存储，使用ARRAY数值型数组定义，利用*DIM命令定义数组参数，使用*SET命令输入数组参数赋值。

[0015] (2)拉索几何模型建立和网格划分，对于非均质拉索(非张拉阶段)端部有锚具装置的拉索，锚具装置段单元的质量和刚度需根据实际工程设定，结构如图1所示；对于非均质拉索(张拉阶段)除了锚具装置段考虑外，千斤顶段因只增加了质量作用，故千斤顶段单元只需要增加线密度，模型如图2所示。

[0016] (3)施加边界条件和索力，索力的数值需考虑拉索。

[0017] (4)索力静力效应下初始内力计算，因索在承受自重和预应力作用下存在自平衡状态，故需要考虑几何非线性。

[0018] (5)索力频率关系计算，动力分析采用集中质量矩阵，指定方程求解器(EQSLV命令)，打开预应力开关，进行循环索力下的频率求解。

[0019] 非均质拉索的两种不同张拉状态的有限元模型如图3和图4所示。

[0020] 进一步地，所述的步骤S2中，现场频率采集如图5所示，采用动态信号测试分析仪(东华DHDAS5906)，传感器采用压电式传感器，拉索张拉时一般根据千斤顶台数进行对称同时张拉，这样可最大限度的避免相互影响，本文所采用的动态测试仪对于不同的测试环境，可预先设置采样频率和通道信息等参数，试验现场可多台同时测量的特点。此外频谱分析可进行实时分析或事后分析，高效的获取张拉阶段拉索频率。

[0021] 进一步地，所述的步骤S3中，线性插值原理是数学、计算机图形学等领域广泛使用的一种简单插值方法。通过步骤S1得到索力频率的对应关系，如(ω0,F0)与(ω1,F1),要得到[ω0,ω1]区间内某一实测值ω在直线上的F值即F＝(ω-ω0)/(ω1-ω0)*(F1-F0)+F0。(注：ω指实测频率，ω0、ω1指有限元计算的频率，F指实测索力，F0、F1指有限元施加的索力)。

[0022] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

[0023] 1)有限元软件计算的索力频率关系速度快，大大提高了索力测试的效率；

[0024] 2)本技术应用考虑拉索或吊杆端部锚具装置和绑扎千斤顶作用，索力计算准确性较高。附图说明

[0025] 图1是非均质吊杆(非张拉阶段)示意图；

[0026] 图2是非均质吊杆(张拉阶段)示意图；

[0027] 图3是非均质吊杆(非张拉阶段)的有限元模型示意图；

[0028] 图4是非均质吊杆(张拉阶段)的有限元模型示意图；

[0029] 图5是非均质吊杆张拉阶段频率测试示意图；

[0030] 图6是有限元索力-频率关系循环计算流程图；

[0031] 图7是吊杆在不同状态下多种方式索力计算结果对比示意图。

具体实施方式

[0032] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0033] 实施例

[0034] 本实施例主要依据有限元软件ANSYS建立非均质拉索，考虑端部刚度和质量突变下的索力测量方法，具体步骤如下所示：

[0035] R1、在拉索张拉时，绑扎千斤顶时测得其振动的频率f1；

[0036] R2、在拉索张拉完成后，千斤顶卸掉时测得其振动的频率f2；

[0037] R3、有限元建立拉索在有无千斤顶下不同的模型，无千斤顶时建模考虑端部锚具装置的直径和线密度，有千斤顶除考虑锚具装置外，还需考虑千斤顶段增加的线密度，从而计算得到不同的索力频率关系；

[0038] R4、根据实测的频率f1和f2代入不同的索力频率关系计算索力值，由于千斤顶绑扎前后的索力值不变，故计算的索力值偏差不会很大。

[0039] 现以兴旺大桥的非均质吊杆为例对本发明作进一步验证，吊杆参数如表1所示。

[0040] 表1.非均质吊杆参数表

[0041]

[0042] 针对步骤R1、R2，现以兴旺大桥非均质吊杆张拉前后的索力实测值进行分析，非均质吊杆在有无千斤顶张拉下的实测频率如表2所示

[0043] 表2.兴旺大桥吊杆参数

[0044]

[0045] 针对步骤R4，以非均质拉索不同张拉状态相同索力状态下的本技术有限元索力计算结果作对比，不同计算方法在不同张拉状态下实测频率的索力计算值如表3所示。

[0046] 表3.兴旺大桥实测索力值

[0047]

[0048] 其中△1＝(T1-T2)/T2，△2＝(T3-T4)/T4，△3＝(T3-T1)/T1，△4＝(T4-T2)/T2，T1为f1频率基于非均质拉索(张拉阶段)有限元计算的索力；T2为f2频率基于非均质拉索(非张拉阶段)有限元计算的索力；T3为f1频率基于均匀拉索计算的索力；T4为f2频率基于均匀拉索计算的索力。

[0049] 上表在拉索不同状态下两种实测频率基于不同模型有限元计算结果对比如图7所示，可以看到：1)基于本文模型计算的索力T1和T2结果接近，偏差在±10％以内，最大偏差为9.8％；2)实测频率基于均匀拉索索力-频率关系计算得到的索力T3和T4偏差较大，偏差在
12％～86％范围，其中短索的偏差最大，wd1的索力偏差达到了85.8％，随着索长从5.481m逐步增长到13.460m，索力的偏差比例有明显的下降；3)基于拉索张拉阶段测得f1的所用本文方法与均匀拉索索力-频率刮泥计算的索力结果偏差在22％～92％范围，短索的索力受到的影响较为显著，最大偏差达到91.1％，随着索长的增大，偏差比例有所下降，但最小偏差比例也达到22.8％，对于实际工程中的索力测量仍是不可接受的偏差幅度；4)基于拉索张拉阶段测得f2的所用本文方法与均匀拉索模型索力计算结果偏差在6％～45％范围，均随着索长的增大偏差减小。

[0050] 通过非均质拉索的两个不同阶段(有无千斤顶)建立的有限元模型计算得到的索力值偏差较小，表明在相同的索力、不同的边界条件下，本文提供的计算方法的偏差较小，计算结果闭合程度较高，有一定的应用价值；使用均质拉索的索力频率关系计算的有无千斤顶情况下的索力结果偏差范围变化大，表明千斤顶及锚具的存在与否对拉索的索力-频率关系有较大改变，尤其是针对短索，如果使用传统的均匀拉索的索力-频率关系对其进行计算，不能满足工程中的精度要求；基于在非均质拉索张拉阶段(有千斤顶)测得的频率利用本文方法与均质拉索模型计算的索力结果偏差变化大，而基于在非均质拉索非张拉阶段(无千斤顶)测得的频率利用本文方法与均质拉索模型计算的索力结果偏差在相比稍小，表明对于短索，必须考虑端部锚具装置和千斤顶作用，才能得到准确可靠的索力测试结果，锚具装置对长索的端部影响较小，但千斤顶作用仍不可忽略。

[0051] 综上所述，有限元软件ANSYS在索的索力-频率分析上具有方便、迅速的特性，可以直接读取编程的文件，并把计算结果写入文件，既方便了原程序的修改，又方便了对计算数据的处理。模态分析的结果可以通过简单的循环把需要的频率写入数组中，每次索力改变或者索长的改变都可以通过删除模型重新加载计算而获得，因为每次分析速度较快，几根不同长度的索的不同索力-频率关系(几千个数据)也只要十几分钟就能计算完成。基于有限元软件ANSYS的循环一组索力得到一组频率，循环一组索长得到一组索力，并把得到的数据以固定格式输出到‘命令’文件，如图6所示。

[0052] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

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