[发明专利]基于导波模态分叉角的钢绞线预应力检测方法

说明书

本发明涉及一种基于导波模态分叉角的钢绞线预应力检测方法，属于钢绞线预应力领域。该方法采用二维傅里叶变换提取纵向导波模态，分析钢丝间接触力对导波模态分布的影响，提出基于模态分叉角的在役结构钢绞线预应力检测方法。纵向导波在有应力钢绞线中会出现明显的模态变化，受钢丝间法向接触力影响，一阶纵波模态在500KHz频率处出现模态缺失，而切向摩擦力使得一阶纵波模态在300KHz附近出现模态分叉重叠；考虑钢绞线螺距及钢丝摩擦系数的影响，建立钢绞线预应力计算模型。本发明优点为根据不同张拉力条件下导波在钢绞线中传播的模态变化规律，建立了轴向张拉力与一阶纵波模态分叉角之间的数学关系式，适用于在役结构钢绞线预应力水平检测。

技术领域

本发明属于钢绞线预应力领域，涉及一种基于导波模态分叉角的钢绞线预应力检测方法。

背景技术

在役结构钢绞线应力水平检测长期以来都是工程界面临的技术难题，现有针对已运营结构钢绞线的预应力水平检测研究成果，均有其适用范围。如邓年春，兰春光等采用光纤光栅监测钢绞线预应力，需要在钢绞线制作阶段预埋光纤。庞国英等采用磁通量检测法对钢绞线中的预应力水平进行检测，一般仅适用于体外预应力结构。张奔牛等将钢绞线考虑为振荡电路的一部分，通过振荡频率与钢绞线中应力的关系，来检测钢绞线的预应力水平，但振荡频率随预应力变化不明显，且检测时干扰信号较大。超声导波是近年来研究较多的一种结构无损检测方法，相比于传统超声波检测使用的体波，导波是由波导介质边界多次反射形成，其模态求解需要考虑到应力边界条件，不同应力状态产生不同的导波模态分布。Kwun等通过试验研究了加载钢绞线中超声导波的频散特性，加载后钢绞线的纵向模态部分频段会出现缺失。Claudio Nucera等研究了钢绞线轴向张拉力与激励导波倍频能量比之间的关系，并考虑了有粘结混凝土的影响。何存富等根据波动理论和声弹性理论，建立了钢绞线中最低阶纵向模态群速度与钢绞线应力之间的对应关系，当钢绞线应力小于500MPa时呈现较好的线性关系，但是在役结构钢绞线预应力水平检测方面却寥寥无几。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于导波模态分叉角的钢绞线预应力检测方法，基于柱波导理论，通过有限元ABAQUS模拟了导波在钢绞线中的传播过程，采用二维傅里叶变换对波动过程进行模态分析；对比钢丝间法向作用和切向作用对导波模态分布的影响，分析轴向张拉力作用下钢绞线中导波模态变化的原因；根据不同张拉力条件下导波在钢绞线中传播的模态变化规律，建立了轴向张拉力与一阶纵波模态分叉角之间的数学关系式，适用于在役结构钢绞线预应力水平检测。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于导波模态分叉角的钢绞线预应力检测方法，该方法包括以下步骤：

S1：采集钢绞线不同位置的导波波形；

S2：由采集到的多点信号的导波波形进行信号处理，获得导波模态；

S3：提取导波模态中的模态分叉角，由模态分叉角与钢绞线张力之间的关系，确定该钢绞线的实时张拉力。

进一步，所述步骤S2具体为：

通过提取导波传播路径上一系列节点振动时程组成二维的时间-空间矩阵，通过对单一节点的时程信号进行傅里叶变换，得到每一位置的频率谱；每一位置的谱信息用列矩阵表示，将这些列矩阵组成一个阵列，则给定频率处的元素形成的行向量的空间傅里叶变换给出了波数谱，最终得到频率-波数-幅值谱；采用等高线图将三维矩阵投影到频率-波数平面，即得到计算结果的频率-波数图；

所述二维傅里叶变换计算过程为：H(k,f)＝∫∫a(z,t)e^-i(ωt+kz)dzdt；H(k,f)＝∫∫a(z,t)e^-i(ωt+kz)d_ad_t，式中，a(z,t)为钢绞线中心钢丝各点的轴向加速度时程，ω＝2πf为圆频率，为波数，λ为波长。

进一步，所述步骤S3中具体为：