大创项目申报书

大连理工大学大学生创新训练项目

申报书

项目名称：安装减振阻尼器的斜拉索的损伤诊断理论与试验研究项目成员：

学部（学院）：建设工程学部

指导教师：安永辉

立项时间：

教务处制表

项目名称安装减振阻尼器的斜拉索的损伤诊断理论与试验研究

负

责

人

姓名学部（院）学号班级电话邮箱

成

员

指导教师姓名安永辉单位土木工程学院职称联系电话

项目来源□学生自选，学生的积累和兴趣学生自选，教师的科研项目□教师帮选，教师的科研项目

项目背景及研究意义（同类研究工作国内外研究现状与存在的问题等）

1、研究背景

目前为止，因斜拉索的振动导致了多起桥梁事故及巨大的经济损失。如建于1960年的委内瑞拉M a r a c i b o桥，是世界著名的预应力混凝土斜拉索桥，由于桥索涂漆层在风雨的侵蚀作用下，拉索剧烈振动，192根的钢索中有25根存在严重隐患，1979年2月，一根拉索突然疲劳断裂，造成桥体局部坍塌，造成经济损失达5000万美元；美国德克萨斯州F r e d H a r t m a n桥于1995年建成，但因风雨激振导致100多个桥面端护筒焊接开裂，出现疲劳裂纹，引发安全事故；荷兰E r a s mu s大桥与1996年建成，开通不到两个月，因钢索的大幅振动被迫关闭；广州海印桥于1988年建成，1995年5月发生9号斜拉索断裂事故，后又发现15号拉索松断，被迫进行全桥换索工程，损失2000多万元；清清的彩虹桥由于振动，发生整体垮塌，桥上全部行人坠入河中，造成40人死亡，14人受伤，直接经济损失达数千万元；四川省宜宾市的南门大桥于2001年11月因斜拉索振动，致使桥梁倒塌，导致巨大的经济损失。如图1为某斜拉桥由于斜拉索断裂造成的事故，这样的事故还有很多。

图1斜拉桥事故

目前，对斜拉索的监测通常有如下几种方法：

[1]索力监测方法

压力传感器测定法：压力传感器材质通常为高强度弹性体，安装在斜拉索张拉

端锚环螺母下，直接测得斜拉索锚下压力。优点：直接测力，精度高，能达到

1%以内；缺点：施工麻烦。需要施工时进行埋设，且不容易更换。

◆加速度传感器测振法：将加速度传感器用索夹或绑带固定在斜拉索上，通过对

振动时程数据进行傅立叶变换获得拉索振动频率，然后根据拉索频率与索力的

理论公式换算索力。优点：容易更换，使用成熟；缺点：考虑拉索垂度、抗弯

刚度、边界条件误差及拉索阻尼器的影响，修正后的精度一般认为在5%以内。

◆激光测振法：通过测得拉索的速度时程进行傅立叶变换获得索的振动频率，最

终获得索力。优点：无接触、无导线、并可长距离监测。缺点：设备价格昂贵，

不适合多点同时监测。

◆E M磁通量索力计：当铁磁性材料受到外力作用时，其内部产生机械应力或应

变，相应地磁导率发生改变，通过测定磁导率变化来反映应力变化。优点：传

感器安装较方便、非接触测量、不损伤结构；缺点：是对不同型号的拉索均需

要各自进行参数标定，需要在斜拉索施工时安装，不易更换。

◆筋式光纤光栅智能拉索：将F R P-O F B G智能复合筋布设到平行钢丝或钢绞线拉

索内，成为拉索的一部分。在索力作用下，智能筋与平行钢丝的协同变形，感

知拉索应力。优点：是测力直接，并可直接进行损伤分析；缺点：传感器的安

装在拉索生产时就需埋入，较为复杂，不易更换。

[2]主梁挠度监测方法

◆测量机器人(自动跟踪的全站仪):通过沿主梁选择适当的点布置反射器，与测量

用的全站仪配合使用，形成光载波通信系统。利用全站仪的红外激光探测功能，

对反射器进行连续监测，测量每个反射器与全站仪的相对角度和距离，计算并

存储主梁的变形情况。优点：高精度；缺点：精度受到环境及天气影响(如海面、

雨、雪、雾)较大。

◆C C D激光挠度监测系统：从发射器给出一道激光束并将其锁定在一个稳定的位

置上，接收器可以接收识别光学目标反射回的光束并以高达100H z的频率精

确测量出该目标的点位。优点：精度高，同步性好，温飘、时飘小。缺点：易

受环境干扰，进行多点测量时费用极其昂贵。

◆G P S系统：采用全球定位系统(G P S)进行主梁挠度的监测，可以避免受环境干

扰的问题。优点：无时漂、温漂。缺点：精度不够，设备价格昂贵。

◆开放式连通管系统（静力水准测量）：静力水准测量变形是采用液位监测的方

式，依据连通管原理，测量每个测点容器内容器底面安装高程与液面的相对变

化，再通过计算求得各点相对于基点的相对变形量。优点：精度高、多点同步

测量、性价比高。缺点：存在严重滞后现象，在活载作用下动态响应相对较慢，

监测过程中容易出现丢失峰值的情况，不适用于动态实时监测。

◆封闭连通管压力监测系统：测量每个测站及基准站处液体压力的变化。液压通

过压力变送器进行监测，再通过计算求得各点相对于基点的相对变形量。优点：

精度高、能够实现多点同步测量、性价比高，避免了静力水准测量在高程改变

时的液体流动造成滞后的问题。压力传感器的时间常数较小，能够获得较好的

动态监测效果。缺点：对传感器及连通管路安装要求较高，对液体质量要求高。

[3]应变模态法

应变是位移的一阶导数，对应于每一阶位移模态，则必有其对应的固有应变分布状态，故应变模态反映了斜拉索结构的固有特征。优点：对结构局部损伤的反映敏感；缺点：反映损伤的应变模态的阶数不固定，需进行大量实验。

[4]神经网络法

输入信号X i通过中间节点（隐层点）作用于输出节点，经过非线形变换，产生输出信号Y k，网络训练的每个样本包括输入向量X和期望输出量t，网络输出值Y与期望输出值t之间的偏差，通过调整输入节点与隐层节点的联接强度取值Wi j和隐层节点与输出节点之间的联接强度T j k以及阈值，使误差沿梯度方向下降。频率加振型的神经网络输入参数，对斜拉索损伤有一定的敏感性，可以取得良好的识别效果。

总之，目前在斜拉桥上使用的拉索损伤识别方法主要有局部法和整体法两种。局部法指的是应用目测法、声发射法、光干涉法和超声波技术法等无损检测技术来进行损伤诊断的方法。而以上诸无损检测技术往往必须要知道结构损伤的大概位置，否则无法检测结构性能的变化。而整体法则是通过监测结构整体特性，诸如频率、振型、刚度和质量等性质来判断结构是否损伤以及损伤程度来判断的。因为我们在工程实际当中无法准确找出斜拉索的损伤部位，所以选择研究安装减振阻尼器（图2）来监测损伤的方法属于整体法。在实际生活中斜拉索的振动分为如下几类：涡激振动，抖振，风雨激振，尾流驰振，参数激振。在斜拉索上增加阻尼器，可以提高斜拉索的模态阻尼，能够对斜拉索的各种类型的振动都起到减振的作用。

图2安装有减振阻尼器的斜拉索

不仅如此，还有风，雨和温度变化等外界环境的影响，有些微小误差就会被这些不定因素抵消而不能及时准确地测量出来。所以，我们认为将微小误差放大之后再进行监控不仅会避开这个问题，而且会使斜拉索的安全得到更好的保障。因此，我们提出安装减振阻尼器对斜拉索进行损伤诊断。

2、研究意义

该项研究通过将微小变量放大，使其对小损伤敏感可以及时发现损伤并及时进行维护，同时可以实时监测并实时预警，诊断结果准确，为斜拉桥的安全运营提供预警和保障；还对人民生命财产安全也会有更好的保障，带来较好的社会效益。此外，这种方法