專利名稱：一種桿件絕對軸力測試方法
技術領域：
本發明涉及結構檢測與監測方法，尤其是涉及一種桿件絕對軸力測試方法。
背景技術：
桿件是指長度遠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構，特別是土木工程結構， 如斜拉橋的拉索、索桿結構的張拉索、支護結構的錨桿、張弦結構的弦桿以及各類空間桿系結構的桿件。在結構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、了解整體結構的內力分布、檢驗結構施工是否達到設計要求、診斷結構的健康狀況并評價其安全性具有重要意義。現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，然后根據索力與磁通量變化的關系推算索力。振動法主要通過拾取桿件的動力響應信號，識別桿件的模態參數，進而利用索力與模態參數的關系計算索力。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形的傳感器才能達到良好的測試效果，該方法僅適合新的或正在施工的結構，在既有結構的桿件上實施比較困難。此外，磁通量法的精度、準確性、穩定性仍有待提高。(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桿件兩端邊界為簡支或固定，對多數實際工程結構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，這在一些實際情況中(如桿件節點復雜、桿件可視長度有限等)很難準確測量。(3)盡管振動法在發展過程中逐漸改善，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施或者結果精度不高，而且一般情況下都必須已知桿件的有效振動長度。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術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。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現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桿件；(2)確立參考傳感器；(3)傳感器信號解調采集子系統采集傳感器信號，并將其傳輸給數據處理及軸力識別子系統，數據處理及軸力識別子系統中的數據處理模塊對數據有效性進行判斷，若有效，并執行步驟⑷；(4)數據處理及軸力識別子系統中的數據處理模塊按照模態分析方法求得特征參數，包括頻率、位移振型或應變振型；(5)數據處理模塊繪制I S I與qi關系圖；(6)數據處理及軸力識別子系統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、位移傳感器或應變傳感
ο所述的步驟(1)中傳感器的數量滿足以下要求若桿件兩端平動自由度或轉動自由度已知且桿件的有效振動長度即桿件兩端點之間的全長距離有條件測量時，傳感器個數應大于或等于3，其他情況下傳感器個數ns應大于或等于5。所述的步驟(1)中傳感器的響應頻率滿足桿件動態測試要求，其判斷標準為傳感器的響應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域不要落在桿件的模態節點上。所述的步驟(5)中的數據處理模塊繪制|S|與qi關系圖步驟如下(a)傳感器定位①若ns ^ 5，以最靠近桿件一端節點的傳感器為原點，以桿件長度方向為x軸，原點到桿件另一端節點的方向為正，確定傳感器坐標(X1,…xs，…Xns)，其中X1S原點；②若ns = 3或4，以桿件一端的節點為原點，以桿件長度方向為x軸，原點到桿件另一端節點的方向為正，確定傳感器坐標(XB，X1, -Xs,…Xns，XE)，其中傳感器的總數為 ns+2，其中xB為原點，xE等于有效振動長度，設有效傳感器總數為nr，nr = ns或nr = ns+2， 且nr彡4 ；(b)根據步驟(4)得到的模態振型，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為Xi、參考傳感器的坐標為Xj，即①當傳感器采用加速度、速度或位移傳感器，模態位移比々=|"，當桿件兩端的平動自由度已知時，以上⑷得到的模態振型分量應增加ΦΕ兩個分量；②當傳感器采用應變傳感器，模態應變比A=^，當桿件兩端的轉動自由度已
知時，以上(4)得到的模態振型分量應增加δ Ε兩個分量；nr個有效傳感器可以得到(nr_l)個獨立的模態位移比或模態應變比；(c)確定特征矩陣[S。]，該矩陣的每一行由四個元素構成，分別為①當采用加速度、速度或位移傳感器時，矩陣[S。]對應于模態位移比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當采用應變傳感器時，矩陣[S。]對應于模態應變比β 的某行各元素分別為
權利要求
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桿件；(2)確立參考傳感器；(3)傳感器信號解調采集子系統采集傳感器信號，并將其傳輸給數據處理及軸力識別子系統，數據處理及軸力識別子系統中的數據處理模塊對數據有效性進行判斷，若有效，并執行步驟⑷；(4)數據處理及軸力識別子系統中的數據處理模塊按照模態分析方法求得特征參數， 包括頻率、位移振型或應變振型；(5)數據處理模塊繪制|S|與Q1關系圖；(6)數據處理及軸力識別子系統中的軸力識別模塊識別桿件絕對軸力。
2.根據權利要求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、位移傳感器或應變傳感器。
3.根據權利要求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)中傳感器的數量滿足以下要求若桿件兩端平動自由度或轉動自由度已知且桿件的有效振動長度即桿件兩端點之間的全長距離有條件測量時，傳感器個數應大于或等于3，其他情況下傳感器個數ns應大于或等于5。
4.根據權利要求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)中傳感器的響應頻率滿足桿件動態測試要求，其判斷標準為傳感器的響應頻率大于桿件的一階自振頻率。
5.根據權利要求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域不要落在桿件的模態節點上。
6.根據權利要求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)中的數據處理模塊繪制|s|與qi關系圖步驟如下(a)傳感器定位①若ns^ 5，以最靠近桿件一端節點的傳感器為原點，以桿件長度方向為χ軸，原點到桿件另一端節點的方向為正，確定傳感器坐標(Xl，…xs，…xns)，其中X1為原點；②若ns= 3或4，以桿件一端的節點為原點，以桿件長度方向為χ軸，原點到桿件另一端節點的方向為正，確定傳感器坐標(XB，X1，-xs,…xns，xE)，其中傳感器的總數為ns+2， 其中xB為原點，xE等于有效振動長度，設有效傳感器總數為nr，nr = ns或nr = ns+2，且 nr ^ 4 ；(b)根據步驟(4)得到的模態振型，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為Xi、參考傳感器的坐標為Xj，即①當傳感器采用加速度、速度或位移傳感器，模態位移比；巧，當桿件兩端的平動自由度已知時，以上⑷得到的模態振型分量應增加ΦΕ兩個分量；②當傳感器采用應變傳感器，模態應變比慫=|，當桿件兩端的轉動自由度已知時，0J以上(4)得到的模態振型分量應增加δ Ε兩個分量；nr個有效傳感器可以得到(nr-Ι)個獨立的模態位移比或模態應變比； (c)確定特征矩陣[S。]，該矩陣的每一行由四個元素構成，分別為 ①當采用加速度、速度或位移傳感器時，矩陣[SJ對應于模態位移比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當采用應變傳感器時，矩陣[SJ對應于模態應變比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每個模態位移比λ u或模態應變比β u對應于矩陣的一行，故基于nr個有效傳感器即 (nr-Ι)個獨立模態位移比λ u或模態應變比β ,j的矩陣[Sc]的維數為(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|，其中該表達式中包含兩個未知數qi和q2。(e)桿件的幾何和材料參數確定根據實際測量及原設計確定桿件的基本幾何和材料參數，包括彈性模量E、截面慣性矩I和單位長度的質量歷；(f)根據步驟(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，按下式計算α 2 I γγ^I γγγa1 = ω.——=2π f Λ—— \ EI EIQ1和％的關系可以寫成α2h =一 h將其代入步驟(d)中得到的秩ISi，則該表達式中僅包含一個未知數qi，來繪制Isl與 Q1的關系曲線圖。
7.根據權利要求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)中的數據處理及軸力識別子系統中的軸力識別模塊識別桿件絕對軸力具體步驟如下根據步驟(5)得到的Isl與1關系曲線，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桿件；(2)確立參考傳感器；(3)傳感器信號解調采集子系統采集傳感器信號，并將其傳輸給數據處理及軸力識別子系統，數據處理及軸力識別子系統中的數據處理模塊對數據有效性進行判斷，若有效，并執行步驟(4)；(4)數據處理及軸力識別子系統中的數據處理模塊按照模態分析方法求得特征參數，包括頻率、位移振型或應變振型；(5)數據處理模塊繪制|S|與q1關系圖；(6)數據處理及軸力識別子系統中的軸力識別模塊識別桿件絕對軸力。與現有技術相比，本發明具有適用范圍廣、測量精度高等優點。
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 優先權日2010年5月18日
發明者李素貞 申請人:同濟大學