[发明专利]一种索张力的高精度动测法

说明书

本发明公开了一种索张力的高精度动测法，包括以下步骤：步骤一，由斜拉索的振动模型，建立结合垂度效应、刚度效应和倾斜角因素的拉索振动方程；步骤二，采用有限差分法对振动方程进行离散，得到其矩阵表达式；计算矩阵特征值，得到给定索张力下的振动频率；步骤三，基于特征值矩阵进行迭代求解，获得给定振动频率下包括索张力、抗弯刚度和轴向刚度的系统参数。本发明的振动方程中考虑了刚度、垂度、倾斜角和边界转动刚度的影响，采用了多阶频率进行计算，可以对多个系统参数进行识别，无需对索的抗弯刚度和边界条件等进行粗略的假设，提高测试的精度。

技术领域

本发明涉及一种高精度的索张力动测法，属于桥梁工程技术领域。

背景技术

斜拉索是斜拉桥的主要承载构件之一，其张力的大小直接关系到斜拉桥主梁及塔柱的受力状况，因此，斜拉索张力测试的准确与否直接关系到斜拉桥施工控制的顺利进行和斜拉桥建成投入使用后的安全运营。

索力测试方法有油压表法、压力传感器法、振动频率法和磁通量传感器法等。其中振动频率法因其简单、快速以及适于斜拉桥建成投入使用后的索力测试而获得广泛应用。其原理是索的自振频率和刚度主要由索的张力决定，并与索张力有定量的关系。通过测定拉索自振频率，可计算出索张力。但实践证明，已有的振动法得到的索力与实际索力经常存在一定误差，主要原因是对索抗弯刚度、垂度效应、倾斜角和边界条件等考虑不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种索张力的高精度动测法，解决了现有技术中振动频率法没有考虑抗弯刚度、垂度效应和倾斜角因素影响其测量结果准确性的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种索张力的高精度动测法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一，由斜拉索的振动模型，建立结合垂度效应、刚度效应和倾斜角因素的拉索振动方程；

步骤二，采用有限差分法对振动方程进行离散，得到其矩阵表达式；计算矩阵特征值，得到给定索张力下的振动频率；

步骤三，基于特征值矩阵进行迭代求解，获得给定振动频率下包括索张力、抗弯刚度和轴向刚度的系统参数。

进一步的，在步骤一中，所述结合垂度效应、刚度效应和倾斜角因素的拉索振动方程为：

其中，EI为拉索弯曲刚度，φ表示振型，H表示拉索静止状态下的索张力沿x方向的分量，y为拉索静止状态下的挠度；L表示索在x方向的投影长度，EA表示轴向刚度，m为单位长度索的质量；ds＝(dx²+dy²)^1/2是拉索微元的长度，ω为无阻尼频率。

进一步的，在步骤二中，有限差分法对振动方程进行离散后得到其矩阵表达式为：

(K-ω²M)w＝0

K＝K₁+K₂；w^T＝{w₁,w₂,...,w_n}

其中，n表示划分的拉索节点数目，拉索n等分，每个节段的在x方向的投影长度为记为a，w是非零的列向量，因此，振动频率系数矩阵的行列等于零，即|K-ω²M|＝0，对此式进行特征值求解可解得拉索的振动频率；其中K₁表示线性的刚度矩阵，其表达式如下：

其中：