斜拉索索力识别精度的提高方法

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0 引 wk.baidu.com言
拉索作为一种高效构件 , 被广泛应用于斜拉桥 、 系杆拱桥 、悬索桥等各种桥梁结构中 。 斜拉索作为 斜拉桥结构中的主要承载构件 , 其索力测定准确与 否直接关系到斜拉桥施工控制是否可以顺利实施 , 以及成桥后各构件的受力性能和整个桥梁线形是否 接近设计状态[ 1] 。 在工程实际中 , 常用的索力测定 方法有压力表法 、压力传感器法以及频率法 。 前 2 种方法一般仅适用于斜拉索张拉阶段的索力测定 , 故当需要对已施工完毕的斜拉索进行索力复核时 , 频率法几乎是惟一的选择[ 2] 。
作是受拉弦或水平直梁来进行模拟 , 利用不同边界
条件下拉索的振动偏微分方程 , 推导频率方程 , 而不 同的边界 可能导致频率 方程成为隐 式形式[ 4] 。 为
此 , 有些学者用拟合的方法建立了一些考虑多因素
影响的实用公式 , 但采用不同的拟合函数得到的实
用公式也各不相同[ 5] 。 鉴于工程技术人员应用的简
限于篇幅 , 本文 中仅给 出拉 索 C13 的分 析结
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建筑科学与工程学报 2008 年
图 2 振动信号采集和分析设备 Fig.2 Acquisition and Analysis Devices for Vibration Signal
果 , 其他拉索的平滑处理结果也都比较理想 。 拉索 C13 的加速度时程曲线如图 3 所示 。
次最小二乘多项式平滑处理的方法 , 其基本公式为
M
∑ y i = hn x i-n i =1 , 2 , …, p n =-N
(1)
式中 :x 为采样数据 ;y 为平滑 处理后的结果 ;p 为
数据点数 ;h 为加权平均因子 ;M 为滑动阶次 ;N 为
采样点数 。
1 .2 频率法
在推导斜拉索索力计算公式时 , 通常将拉索看
Spectrum of Cable C13
由图 4 可以看出 , 通过五点三次平滑法处理后 , 频谱曲线变得比较平滑 , 有效地克服了实测信号中 随机噪声的影响 , 提高了斜拉索的频率识别精度 , 使 得频点处的局部多峰变为单峰 。
为进一步确定斜拉索各阶频率值及位置 , 本文 中采用求极值的方法 , 将频谱曲线中的各局部峰值 点进行连线 , 进而可得拉索 C13 的各阶频率值及其 对应位置的曲线 , 如图 5 所示 。
收稿日期 :2008-09-06 基金项目 :国家自然科学基金重点项目(50338020) 作者简介 :李凤臣(1980-), 男 , 吉林长春人 , 工学博士研究生 , E-mai l :fcli 1980 @163 .com 。
第 4 期 李凤臣 , 等 :斜拉索索力识别精度的提高方法
频率法作为索力测试的一种间接方法 , 其测试 精度主要取决于拾振器精度和 拉索频率的准 确识 别 , 而基于环境激励的拉索随机振动信号往往呈现 出非平稳性和非平滑性, 利用快速傅里叶变换 (FF T )得到的频谱图往往出现毛刺 , 使频率识别精 度降低甚至难以准确识别 。笔者以实际工程中的拉 索实测信号作为分析对象 , 采用五点三次平滑法对 FF T 得到的频域数据进行平滑处理分析 , 利用求极 值的方法确定拉索各阶频率值 , 并进行了采样时间 和采样点数对 FF T 谱中拉索频率识别精度的影响 分析 , 比较了基频法 、频差法和峰值法确定拉索索力 的计算精度 , 最后对实际工程中的索力测试精度及 误差进行了分析 。
图 1 主桥布置(单 位 :m) Fig.1 Layout of Main Bridge (Unit :m)
2 .2 斜拉索实测信号平滑处理 2 .2 .1 现场试验
笔者于 2007 年 6 月对该斜拉桥的拉索进行了 现场索力测试试验 。取图 1 中编号为 C1 ～ C13 的 拉索作为 测试 对象 。本 次测 量的采 样频 率为 100 Hz , 拉索 C7 ～ C13 采样时间为 900 s , 拉索C1 ～ C6 采样时间为 600 s 。 拉索振动信号采集和分析设 备如图 2 所示 。 2 .2 .2 平滑分析
则方程式(2)的解为
T
=4mn2L2
f
2 n
(3)
式中 :L 为索的锚固点间的弦长度 ;n 为索的振动阶
次 ;f n 为索的第 n 阶振动频率 。
2 工程实例
2 .1 工程概况 本文中以某高速 公路斜拉桥工程为例进行分
析 。该桥型结构系主跨 336 m 的双塔双索面钢-混 凝土组合梁斜拉桥 , 主桥桥面全宽 33 .2 m , 斜拉索 索面呈空间扇形分布 , 每个索面 由 26 根斜拉索组 成 , 主桥布置如图 1 所示 。
图 3 拉索 C13 的加速度时程曲线 Fig.3 Time History Curve of Acceleration of Cable C13
利用五点三次平滑法对加速度信号的 FF T 谱 进行平滑处理 , 拉索 C13 平滑前后的幅值比较如图 4 所示。
图 4 拉索 C13 FFT 谱的平滑处理比较 Fig.4 Comparisons on Smooth Process of FFT
(哈尔滨工业大学 土木工程学院 , 黑龙江 哈尔滨 150090)
摘要 :针对基于环境激励的斜拉索实测信号由于环境干扰而呈现出非平稳性和非平滑性的问题 , 提 出了利用五点三次平滑法对快速傅里叶变换(F F T)得到的频域数据进行平滑处理 , 即考虑多因素 影响来提高斜拉索索力识别精度 。 以实际斜拉桥工程中的拉索实测信号为研究对象 , 应用五点三 次平滑法对拉索信号进行平滑消噪处理 , 考虑采样时间和采样点数对拉索频率识别精度的影响 , 利 用求极值方法确定拉索各阶频率值及其位置 , 比较了基频法 、频差法和峰值法确定拉索索力的计算 精度 , 进行了索力测试的误差分析 。结果表明 :五点三次平滑法结合极值处理可以很好地识别拉索 各阶频率 , 各因素对拉索频率的识别精度影响也有所不同 , 为频率法更加准确识别斜拉索索力提供 了方便 ;同时也为开发高精度的索力测试仪器提供了有效依据 。 关键词 :索力测试 ;识别精度 ;平滑消噪 ;斜拉索 ;误差分析 中图分类号 :T U208 .5 文献标志码 :A
Tension Identification Precision Enhancement Method for Stay Cable
L I Feng-chen , L IU Qing , WANG Da-peng , T IAN Shi-zhu
(Scho ol o f Civil Engineering , Har bin Institute of T echnology , Har bin 150090 , Heilongjiang , China)
第 25 卷 第 4 期 2008 年 12 月
建筑科学与工程学报
Journal of A rchitecture and Civil Engineering
Vol .25 No .4 Dec .2008
文章编号 :1673-2049(2008)04-0042-05
斜拉索索力识别精度的提高方法
李凤臣 , 刘 青 , 王大鹏 , 田石柱
1 基于拉索实测信号的索力识别
1 .1 五点三次平滑法 由于外界环境的干扰 , 通过拾振器采集到的振
动信号数据往往叠加有噪声信号 , 使得数据分析曲
线出现很多毛刺 , 影响分析结果 。为了削弱干扰信
号的影响 , 需要对采样数据进行平滑处理 , 而五点三 次平滑法[ 3] 是利用最小二乘原理对离散数据进行三
便性,本文中以弦振动理论为基础, 对张紧的斜拉
索 , 考虑其抗弯刚度 , 建 立拉索微元的 动力平衡方
程[ 6-8] , 即
m
2y t2
+E
I
4y x4
-T
2y x2
=0
(2)
式中 :y 为横向坐标 ;x 为纵向坐标 ;m 为单位索长
的质量 ;g 为重力加速度 ;T 为索的张力 ;t 为时间 ;
E 为索的弹性模量 ;I 为索的截面惯性矩 。 如果索的两端是铰支的 , 并且不考虑拉索刚度 ,
Abstract :Based o n t he m easured sig nal of stay cable under am bient exci tat ion , the method wi th five points and three t imes w as put fo rw ard to smoo thly process the f requency-domain data obtained f rom f ast Fo urier t ransfo rm (FF T )because of the no n-st abilit y and no n-sm oot hness resulting f rom ambient interfe rence .T hi s met ho d w as used to enhance the i dentification precision fo r stay cable t ensio n by considering some inf luencing f act ors .Using the measured signal of st ay cable i n practical engineering , the met ho d w it h five poi nt s and three tim es w as used to process smo ot h denoise .By co nsideri ng t he eff ect of sam pling time and sam pling numbers o n the ident ification precisio n fo r stay cable tension , t he met hod t o calculate ext reme m ethod w as used to de termine t he f requency and i ts locatio n o f st ay cable at various ranks .T he precisions of basic f requency method , f requency dif fe rence met hod and peak value m ethod w ere com pared .T he er ro r analysi s f o r cable tension m easurement w as al so carried out .T he re sult s show t hat co mbining wi th ext reme process , the method wi th five points and three times can w ell identif y the f requency of stay cable at various ranks ;dif ferent f acto rs have diff erent i nf luences o n the ident ification precisi on f or st ay cable f requency .It is possible to ident ify t he st ay cable tension mo re accurat ely by basic f requency method , and it also provides the ef ficient pro of fo r the development o f cable tension m easurement inst rum ent w it h hi gh precision . Key words:cable tensio n m easurement ;identif icat ion preci sion ;smoo th denoi se ;stay cable ; e rror analysi s