專利名稱：一種桿件絕對軸力測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)檢測與監(jiān)測方法，尤其是涉及一種桿件絕對軸力測試方法。
背景技術(shù)：
桿件是指長度遠(yuǎn)大于其他兩個方向尺寸的變形體，其形狀和尺寸可由桿的橫截面和軸線兩個主要幾何元素來描述。桿件廣泛地用于各類工程結(jié)構(gòu)，特別是土木工程結(jié)構(gòu)， 如斜拉橋的拉索、索桿結(jié)構(gòu)的張拉索、支護(hù)結(jié)構(gòu)的錨桿、張弦結(jié)構(gòu)的弦桿以及各類空間桿系結(jié)構(gòu)的桿件。在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中快速、正確地識別桿件的絕對軸力對于鑒定桿件本身的性能、了解整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布、檢驗結(jié)構(gòu)施工是否達(dá)到設(shè)計要求、診斷結(jié)構(gòu)的健康狀況并評價其安全性具有重要意義?，F(xiàn)有的桿件絕對軸力識別方法主要分為兩類磁通量法和振動法。磁通量法主要是利用裝在桿件上的電磁(EM)傳感器測量磁通量，然后根據(jù)索力與磁通量變化的關(guān)系推算索力。振動法主要通過拾取桿件的動力響應(yīng)信號，識別桿件的模態(tài)參數(shù)，進(jìn)而利用索力與模態(tài)參數(shù)的關(guān)系計算索力。目前這兩類方法都存在著各自的局限性(1)磁通量法采用的EM傳感器必須環(huán)繞緊套在桿件的外表面，一般只適用于圓截面的索纜，對于其他橫截面的桿件有局限性。而且，由于桿件必須穿過圓環(huán)形的傳感器才能達(dá)到良好的測試效果，該方法僅適合新的或正在施工的結(jié)構(gòu)，在既有結(jié)構(gòu)的桿件上實(shí)施比較困難。此外，磁通量法的精度、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性仍有待提高。(2)早期的振動法主要是通過振動測試獲得桿件的頻率，然后基于弦振動理論得到的頻率和弦張力關(guān)系推算桿件軸力。由于弦振動理論不考慮桿件的剛度且假設(shè)桿件兩端邊界為簡支或固定，對多數(shù)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)桿件而言都是過于理想的假定。另外，弦振動理論需要明確知道桿件的有效振動長度，這在一些實(shí)際情況中(如桿件節(jié)點(diǎn)復(fù)雜、桿件可視長度有限等)很難準(zhǔn)確測量。(3)盡管振動法在發(fā)展過程中逐漸改善，一些新的算法和思路(如有限元模型更新)相繼提出以考慮桿件的剛度甚至垂度，但在桿件邊界條件未知的情況下絕對軸力的識別往往難以實(shí)施或者結(jié)果精度不高，而且一般情況下都必須已知桿件的有效振動長度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種適用范圍廣、測量精度高的桿件絕對軸力測試方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種桿件絕對軸力測試方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將傳感器安裝在目標(biāo)桿件；(2)確立參考傳感器；(3)傳感器信號解調(diào)采集子系統(tǒng)采集傳感器信號，并將其傳輸給數(shù)據(jù)處理及軸力識別子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理及軸力識別子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行判斷，若有效，并執(zhí)行步驟⑷；(4)數(shù)據(jù)處理及軸力識別子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理模塊按照模態(tài)分析方法求得特征參數(shù)，包括頻率、位移振型或應(yīng)變振型；(5)數(shù)據(jù)處理模塊繪制I S I與qi關(guān)系圖；(6)數(shù)據(jù)處理及軸力識別子系統(tǒng)中的軸力識別模塊識別桿件絕對軸力。所述的步驟(1)中傳感器為加速度傳感器、速度傳感器、位移傳感器或應(yīng)變傳感
ο所述的步驟(1)中傳感器的數(shù)量滿足以下要求若桿件兩端平動自由度或轉(zhuǎn)動自由度已知且桿件的有效振動長度即桿件兩端點(diǎn)之間的全長距離有條件測量時，傳感器個數(shù)應(yīng)大于或等于3，其他情況下傳感器個數(shù)ns應(yīng)大于或等于5。所述的步驟(1)中傳感器的響應(yīng)頻率滿足桿件動態(tài)測試要求，其判斷標(biāo)準(zhǔn)為傳感器的響應(yīng)頻率大于桿件的一階自振頻率。所述的步驟(2)中的確立參考傳感器按照以下原則；參考傳感器所在位置或區(qū)域不要落在桿件的模態(tài)節(jié)點(diǎn)上。所述的步驟(5)中的數(shù)據(jù)處理模塊繪制|S|與qi關(guān)系圖步驟如下(a)傳感器定位①若ns ^ 5，以最靠近桿件一端節(jié)點(diǎn)的傳感器為原點(diǎn)，以桿件長度方向為x軸，原點(diǎn)到桿件另一端節(jié)點(diǎn)的方向為正，確定傳感器坐標(biāo)(X1,…xs，…Xns)，其中X1S原點(diǎn)；②若ns = 3或4，以桿件一端的節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，以桿件長度方向為x軸，原點(diǎn)到桿件另一端節(jié)點(diǎn)的方向為正，確定傳感器坐標(biāo)(XB，X1, -Xs,…Xns，XE)，其中傳感器的總數(shù)為 ns+2，其中xB為原點(diǎn)，xE等于有效振動長度，設(shè)有效傳感器總數(shù)為nr，nr = ns或nr = ns+2， 且nr彡4 ；(b)根據(jù)步驟(4)得到的模態(tài)振型，確定普通傳感器與參考傳感器的振型分量比值，其中普通傳感器的坐標(biāo)為Xi、參考傳感器的坐標(biāo)為Xj，即①當(dāng)傳感器采用加速度、速度或位移傳感器，模態(tài)位移比々=|"，當(dāng)桿件兩端的平動自由度已知時，以上⑷得到的模態(tài)振型分量應(yīng)增加ΦΕ兩個分量；②當(dāng)傳感器采用應(yīng)變傳感器，模態(tài)應(yīng)變比A=^，當(dāng)桿件兩端的轉(zhuǎn)動自由度已
知時，以上(4)得到的模態(tài)振型分量應(yīng)增加δ Ε兩個分量；nr個有效傳感器可以得到(nr_l)個獨(dú)立的模態(tài)位移比或模態(tài)應(yīng)變比；(c)確定特征矩陣[S。]，該矩陣的每一行由四個元素構(gòu)成，分別為①當(dāng)采用加速度、速度或位移傳感器時，矩陣[S。]對應(yīng)于模態(tài)位移比λ u的某行各元素分別為
第一列Cosq1Xi- λ ^cosq1Xj第二列Sinq1Xi- λ ^sinq1Xj第三列Coshq2Xi- λ ^.Coshq2Xj第四列Sinhq2Xi- λ ^sinhq2Xj②當(dāng)采用應(yīng)變傳感器時，矩陣[S。]對應(yīng)于模態(tài)應(yīng)變比β 的某行各元素分別為
權(quán)利要求
1.一種桿件絕對軸力測試方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將傳感器安裝在目標(biāo)桿件；(2)確立參考傳感器；(3)傳感器信號解調(diào)采集子系統(tǒng)采集傳感器信號，并將其傳輸給數(shù)據(jù)處理及軸力識別子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理及軸力識別子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行判斷，若有效，并執(zhí)行步驟⑷；(4)數(shù)據(jù)處理及軸力識別子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理模塊按照模態(tài)分析方法求得特征參數(shù)， 包括頻率、位移振型或應(yīng)變振型；(5)數(shù)據(jù)處理模塊繪制|S|與Q1關(guān)系圖；(6)數(shù)據(jù)處理及軸力識別子系統(tǒng)中的軸力識別模塊識別桿件絕對軸力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種桿件絕對軸力測試方法，其特征在于，所述的步驟(1)中傳感器為加速度傳感器、速度傳感器、位移傳感器或應(yīng)變傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種桿件絕對軸力測試方法，其特征在于，所述的步驟(1)中傳感器的數(shù)量滿足以下要求若桿件兩端平動自由度或轉(zhuǎn)動自由度已知且桿件的有效振動長度即桿件兩端點(diǎn)之間的全長距離有條件測量時，傳感器個數(shù)應(yīng)大于或等于3，其他情況下傳感器個數(shù)ns應(yīng)大于或等于5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種桿件絕對軸力測試方法，其特征在于，所述的步驟(1)中傳感器的響應(yīng)頻率滿足桿件動態(tài)測試要求，其判斷標(biāo)準(zhǔn)為傳感器的響應(yīng)頻率大于桿件的一階自振頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種桿件絕對軸力測試方法，其特征在于，所述的步驟(2)中的確立參考傳感器按照以下原則；參考傳感器所在位置或區(qū)域不要落在桿件的模態(tài)節(jié)點(diǎn)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種桿件絕對軸力測試方法，其特征在于，所述的步驟(5)中的數(shù)據(jù)處理模塊繪制|s|與qi關(guān)系圖步驟如下(a)傳感器定位①若ns^ 5，以最靠近桿件一端節(jié)點(diǎn)的傳感器為原點(diǎn)，以桿件長度方向為χ軸，原點(diǎn)到桿件另一端節(jié)點(diǎn)的方向為正，確定傳感器坐標(biāo)(Xl，…xs，…xns)，其中X1為原點(diǎn)；②若ns= 3或4，以桿件一端的節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，以桿件長度方向為χ軸，原點(diǎn)到桿件另一端節(jié)點(diǎn)的方向為正，確定傳感器坐標(biāo)(XB，X1，-xs,…xns，xE)，其中傳感器的總數(shù)為ns+2， 其中xB為原點(diǎn)，xE等于有效振動長度，設(shè)有效傳感器總數(shù)為nr，nr = ns或nr = ns+2，且 nr ^ 4 ；(b)根據(jù)步驟(4)得到的模態(tài)振型，確定普通傳感器與參考傳感器的振型分量比值，其中普通傳感器的坐標(biāo)為Xi、參考傳感器的坐標(biāo)為Xj，即①當(dāng)傳感器采用加速度、速度或位移傳感器，模態(tài)位移比；巧，當(dāng)桿件兩端的平動自由度已知時，以上⑷得到的模態(tài)振型分量應(yīng)增加ΦΕ兩個分量；②當(dāng)傳感器采用應(yīng)變傳感器，模態(tài)應(yīng)變比慫=|，當(dāng)桿件兩端的轉(zhuǎn)動自由度已知時，0J以上(4)得到的模態(tài)振型分量應(yīng)增加δ Ε兩個分量；nr個有效傳感器可以得到(nr-Ι)個獨(dú)立的模態(tài)位移比或模態(tài)應(yīng)變比； (c)確定特征矩陣[S。]，該矩陣的每一行由四個元素構(gòu)成，分別為 ①當(dāng)采用加速度、速度或位移傳感器時，矩陣[SJ對應(yīng)于模態(tài)位移比λ。_的某行各元素分別為第一列Cosq1Xi- λ ^cosq1Xj第二列Sinq1Xi- λ ^sinq1Xj第三列Coshq2Xi- λ ^.Coshq2Xj第四列Sinhq2Xi- λ ^sinhq2Xj②當(dāng)采用應(yīng)變傳感器時，矩陣[SJ對應(yīng)于模態(tài)應(yīng)變比Pij的某行各元素分別為第一列Q12Cosq1Xi- β ^-Q12Cosq1Xj第二列Q12Sinq1Xi- β ^-Q12Sinq1Xj第三列-Q22Coshq2Xi+ β ^-Q22Coshq2Xj第四列I22Sinhq2Xi+ β ^-Q22Sinhq2Xj每個模態(tài)位移比λ u或模態(tài)應(yīng)變比β u對應(yīng)于矩陣的一行，故基于nr個有效傳感器即 (nr-Ι)個獨(dú)立模態(tài)位移比λ u或模態(tài)應(yīng)變比β ,j的矩陣[Sc]的維數(shù)為(nr-1) X 4 ；(d)基于下式得到一個新的矩陣[S] 4X4 — L^c」4X (nr_D [sc] (nr-1) X 4求該矩陣的秩|S|，其中該表達(dá)式中包含兩個未知數(shù)qi和q2。(e)桿件的幾何和材料參數(shù)確定根據(jù)實(shí)際測量及原設(shè)計確定桿件的基本幾何和材料參數(shù)，包括彈性模量E、截面慣性矩I和單位長度的質(zhì)量歷；(f)根據(jù)步驟(4)得到的同階頻率f和步驟(e)中確定的桿件幾何和材料參數(shù)，按下式計算α 2 I γγ^I γγγa1 = ω.——=2π f Λ—— \ EI EIQ1和％的關(guān)系可以寫成α2h =一 h將其代入步驟(d)中得到的秩ISi，則該表達(dá)式中僅包含一個未知數(shù)qi，來繪制Isl與 Q1的關(guān)系曲線圖。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種桿件絕對軸力測試方法，其特征在于，所述的步驟(6)中的數(shù)據(jù)處理及軸力識別子系統(tǒng)中的軸力識別模塊識別桿件絕對軸力具體步驟如下根據(jù)步驟(5)得到的Isl與1關(guān)系曲線，求出Isl = ο時 的取值，并代入下式計算得到故桿件的絕對軸力可最終由下式求得 N = EIX (qi2-q22)其中N為絕對軸力、E為彈性模量、I截面慣性矩。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種桿件絕對軸力測試方法，包括以下步驟(1)將傳感器安裝在目標(biāo)桿件；(2)確立參考傳感器；(3)傳感器信號解調(diào)采集子系統(tǒng)采集傳感器信號，并將其傳輸給數(shù)據(jù)處理及軸力識別子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理及軸力識別子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行判斷，若有效，并執(zhí)行步驟(4)；(4)數(shù)據(jù)處理及軸力識別子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理模塊按照模態(tài)分析方法求得特征參數(shù)，包括頻率、位移振型或應(yīng)變振型；(5)數(shù)據(jù)處理模塊繪制|S|與q1關(guān)系圖；(6)數(shù)據(jù)處理及軸力識別子系統(tǒng)中的軸力識別模塊識別桿件絕對軸力。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有適用范圍廣、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01L5/00GK102252792SQ20101017738
公開日2011年11月23日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者李素貞 申請人:同濟(jì)大學(xué)