本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)工程監(jiān)測領(lǐng)域，特別涉及一種基于加權(quán)窄帶搜峰法識別振動頻率的柔性拉索索力測試方法。
背景技術(shù)：
：隨著我國橋梁數(shù)量的迅速增長和橋梁運營環(huán)境的日趨復(fù)雜嚴苛，橋梁工程的安全問題日益突出。據(jù)不完全統(tǒng)計，1999～2016年期間我國共發(fā)生橋梁垮塌事故50余起，造成了巨大的生命財產(chǎn)損失和惡劣的社會影響。橋梁結(jié)構(gòu)的安全正受到政府和社會日益廣泛的關(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)的計算或測量手段已經(jīng)很難準確地得出結(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)控主要有兩個方面：施工監(jiān)測和施工控制，施工監(jiān)測不但可以保證橋梁等大型結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全而且施工監(jiān)測的結(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程進行有效的控制，保證成結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力滿足設(shè)計要求。施工監(jiān)測主要包括撓度觀測，溫度效應(yīng)觀測，應(yīng)力觀測(通過應(yīng)變片測應(yīng)變)，橋梁主要參數(shù)觀測，預(yù)應(yīng)力觀測(對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu))，索力觀測(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(structurehealthmonitoring，簡稱shm)是土木工程學(xué)科發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是通過對結(jié)構(gòu)物理力學(xué)性能，及其所處環(huán)境進行監(jiān)測，實時或間斷地監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體或局部行為，對結(jié)構(gòu)的損傷位移和程度進行診斷，對結(jié)構(gòu)的服役情況、可靠度、耐久性和承載能力進行智能評估，為結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件下或結(jié)構(gòu)使用狀況嚴重異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為結(jié)構(gòu)的維修、養(yǎng)護與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一個多領(lǐng)域跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，涉及到土木工程、動力學(xué)、材料學(xué)、傳感技術(shù)、測試技術(shù)、信號分析技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、模式識別技術(shù)等多個研究方向。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，在橋梁安全服役運營中扮演著至關(guān)重要的角色。在橋梁使用過程中，拉索往往由于腐蝕和振動等原因受到損害，作為張拉結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，拉索損害將會給橋梁帶來災(zāi)難性的后果。索力是評價索體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)是否良好的一個重要指標，尤其對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，拉索的嚴重銹蝕甚至可能引起斷裂，進而引起結(jié)構(gòu)的坍塌。技術(shù)實現(xiàn)要素：技術(shù)問題：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)窄帶搜峰法識別振動頻率的柔性拉索索力測試方法。技術(shù)方案：本發(fā)明提供的一種基于加權(quán)窄帶搜峰識別振動頻率的柔性拉索索力測試方法，包括以下步驟：步驟1，利用振動傳感器測定柔性拉索的振動數(shù)據(jù)，即柔性拉索的時域振動數(shù)據(jù)；步驟2，對柔性拉索的時域振動數(shù)據(jù)進行頻域變換，獲得柔性拉索的振動頻譜；步驟3，根據(jù)已知的柔性拉索的各階振動頻率，標記為fi*，其中i表示振動頻率的階數(shù)，i取值為連續(xù)的自然數(shù)，i＝1,2,3······，對頻譜進行窄帶劃分，確定各階振動頻率的窄帶鄰域(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對應(yīng)的振動頻率fi即為柔性拉索實際的第i階振動頻率；步驟5，計算柔性拉索連續(xù)兩階振動頻率的差值δfi及其權(quán)值wi，其中，δfi＝fi+1-fi，wi＝ai+1*ai；步驟6，計算柔性拉索的振動基頻f1，其中，步驟7，采用公式(i)計算柔性拉索索力：t＝4ml2f12(i)；其中：t—柔性拉索索力；m—柔性拉索單位長度的質(zhì)量，即柔性拉索的線密度；l—索構(gòu)件的名義長度。公式(i)的依據(jù)下述方法獲得：索力的測量包括振動法、油壓法、應(yīng)力法等，而振動法由于其操作簡單，成本較低等因素在工程監(jiān)測領(lǐng)域獲得了較快地發(fā)展。振動法測試拉索索力，先要獲得拉索的振動數(shù)據(jù)，再進行頻譜分析，理論上利用基頻(第一階頻率)計算索力，但在實際工程中，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，識別拉索的多階頻率，計算連續(xù)各階頻率的多個差值來等效拉索的基頻，再根據(jù)拉索幾何物理特性計算拉索索力。振動法測索力的基本原理是通過測量拉索的自振頻率，然后根據(jù)弦振動理論進行計算分析確定拉索索力。振動法采用環(huán)境隨機激振，測量拉索的前幾階自振頻率，然后依據(jù)弦振動理論分析求解，得到拉索的內(nèi)力。當(dāng)索構(gòu)件兩端的邊界條件可以簡化為鉸支時，索力的計算公式如下：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階振動頻率(單位：hz)；i—振動階次；l—索構(gòu)件的名義長度。當(dāng)構(gòu)件滿足柔性索類構(gòu)件的定義，即長細比足夠大時，式(1)的第二項可以忽略不計，則式(1)可以簡化成：t＝4m(fi2/i2)·l2(2)如果已知索類構(gòu)件的名義長度l，沿長度方向的單位質(zhì)量m，再測出它的前幾階振動頻率，則根據(jù)式(2)就可以計算出索力；在實際的運用中，往往不容易確定某階頻率的階數(shù)，因此一般根據(jù)拉索基頻或頻差進行計算索力，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別出的各階頻率的鄰域內(nèi)，識別多個頻率峰值，根據(jù)連續(xù)的幾階頻率之間的差值及權(quán)值計算一個頻差，根據(jù)倍頻特性，以此頻差代替基頻，在利用公式(3)計算拉索索力。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頻率確定，已知的柔性拉索的各階振動頻率可以是理論計算結(jié)果(例如，采用有限元模型方法計算獲得)，或者是該柔性拉索的歷史振動頻率數(shù)據(jù)；而由于有限元模型的簡化、柔性繩索使用的損耗等原因，已知的柔性拉索的各階振動頻率可能會與當(dāng)前的實際振動頻率有所差異。步驟3中，窄帶的寬度ε取值在3-5％之間，可以根據(jù)實際情況確定，也可以根據(jù)經(jīng)驗確定。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，可利用計算機等現(xiàn)代工具或人工計算快速獲得柔性拉索的索力，操作簡單，計算方法簡單，結(jié)果準確。具體而言，本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下突出的優(yōu)勢：(1)計算方法簡單，操作方便，便于理解，結(jié)果準確；(2)本方法便于計算機程序?qū)崿F(xiàn)，便于計算機快速自動批處理；(3)本方法能夠搜索柔性拉索的多階振動頻率，能夠根據(jù)先驗知識獲得當(dāng)前實際的振動頻率；(4)本方法能夠有效地描述索力變化情況。附圖說明圖1為某座大橋某根拉索15分鐘內(nèi)的加速度時程曲線；圖2為柔性繩索的振動頻譜圖；圖3是本方法和錨索計同時識別某一天的索力變化情況圖；圖4是本方法和錨索計的誤差情況圖：以錨索計為準，描述本方法的誤差特性，包括絕對誤差和相對誤差。具體實施方式下面對本發(fā)明加權(quán)窄帶搜峰測量柔性拉索索力的方法做出進一步說明。實施例1加權(quán)窄帶搜峰測量柔性拉索索力，步驟如下：步驟1，利用振動傳感器測定柔性拉索的振動數(shù)據(jù)，即柔性拉索的時域振動數(shù)據(jù)，如圖1所示，是某座大橋某根拉索15分鐘內(nèi)的加速度時程曲線；步驟2，對步驟1的柔性拉索的時域振動數(shù)據(jù)進行頻域變換，獲得柔性拉索的振動頻譜，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)是離散的加速度時程數(shù)據(jù)列，n是加速度數(shù)據(jù)點的序號，n是加速度時程數(shù)據(jù)列的數(shù)據(jù)量，即采樣點的個數(shù)，本例中，采樣頻率為20hz，采樣時長為15分鐘，則采樣點數(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)點的序號；步驟3，根據(jù)已知的柔性拉索的各階振動頻率，標記為fi*，其中i＝1,2,3……，其中，i表示頻率的階數(shù)，對頻譜進行窄帶劃分，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)驗確定，本例中取5％；本例中，已知的柔性拉索的各階振動頻率根據(jù)歷史振動數(shù)據(jù)分析得到，fi*見表1所示；步驟4，利用計算機軟件在窄帶鄰域(fi*(1-ε),fi*(1+ε))內(nèi)搜索獲得峰值ai，峰值對應(yīng)的頻率fi即為柔性拉索實際的第i階振動頻率；本例中，峰值ai和fi見表1所示；步驟5，計算柔性拉索連續(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，計算柔性拉索的振動基頻f1，其中，步驟7，采用公式(i)計算柔性拉索索力：t＝4ml2f12＝4606.1043kn(i)；其中：m＝72.125kg/m；l＝361.123m。本發(fā)明方法的準確性和可靠性通過了實橋試驗驗證：本發(fā)明首先測量了某橋某根索的振動時域曲線(見圖1)，再根據(jù)振動時域曲線獲得了該索的振動頻譜(見圖2)，并利用本發(fā)明方法識別到各階振動頻率及其幅值，計算了加權(quán)平均頻差替代了基頻。利用錨索計和本發(fā)明方法同時測量某橋某根索在一天之內(nèi)的索力變化情況(見圖3)，從圖3中可以看出，兩種方法測到的索力變化趨勢一致；圖4給出了這兩種方法測量索力的誤差情況，以錨索計測量的索力為基準，本發(fā)明方法測量的索力絕對誤差在20kn之內(nèi)，相對誤差在0.4％之內(nèi)。當(dāng)前第1頁12