新型光纤光栅振动传感器测试斜拉索索力
第28卷 第8期2006年8月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.28 No.8 Aug.2006
新型光纤光栅振动传感器测试斜拉索索力
刘胜春,姜德生,李 盛(武汉理工大学光纤传感技术研究中心,武汉430070)
摘 要: 介绍了一种新型的基于光纤光栅振动传感器的索力测试系统,并与传统的基于压电式加速度传感器的索力测试系统进行了对比试验研究。结果表明,二者的测试精度相差不大,由于压电式加速度传感器的固有缺陷无法实现索力的远程监测,只适用于索力的定期监测;而基于光纤光栅振动传感器的索力测试系统能够对索力进行实时监测。关键词: 斜拉桥; 索力测试; 传感器; 光纤光栅中图分类号: TH74文献标志码: A文章编号:167124431(2006)0820110203
ApplicationofOpticFiberGratingVibrationSensortoCableTensionMeasuringofCable2stayedBridges
LIUSheng2chun,JIANGDe2sheng,LISheng(FiberOpticalSensingTechnologyResearchCenter,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)Abstract: Anewcabletensionmeasuringsystembasedonopticfibergratingvibrationsensorisintroduced.Fortestingitsperformance,wemadeaexperimentinwhichtwocabletensionsmeasuringsystem,theforenamedoneandtheotheronebasedonpiezoelectricityaccelerometer,werebothusedtomeasurethetensionofastayedcableasthesametime.Theresultshowedthattheprecisionofthetwomethodshadlittlediscrepancy.Onaccountoftheinherentlimitationoftheinherentlimitationofthepiezoelectricityaccelerometer,thesystembasedonpiezoelectricityaccelerometerusuallyappliestotheinspectofthecabletension,butthesystembasedonopticfibergratingvibrationsensorcanapplytotherealtimemonitoringofthecabletensionaswell.Keywords: cable2stayedbridges; cabletensionmeasuring; fiberBragggrating; vibrationsensor
收稿日期:2006203211.基金项目:国家自然科学基金(50179029).作者简介:刘胜春(19732),博士生,讲师.E2mail:liusc@mail.whut.edu.cn斜拉索是斜拉桥的一个重要组成部分,斜拉桥桥跨结构的重量和桥上的活载绝大部分或全部都通过斜拉索传递到塔柱上,索力是衡量斜拉桥健康状态的重要参数之一。因此,若能在线实时监测斜拉所的索力,不仅能为斜拉桥系统的维护、保养提供可靠的依据,而且可以及时处理可能出现的故障,避免事故的发生,同时还可以积累有用的参考依据。在工程实践中,频率法是应用最为广泛的索力测试方法。然而,由于电信号无法远距离准确传输的固有缺点,当前应用的基于压电式加速度传感器的频率法还无法满足索力监测的要求,只能用来进行索力检测。针对这一弱点,作者采用了中心研制的光纤光栅振动传感器来代替压电式加速度传感器并重新设计了索力测试系统。文章将介绍这一新型的索力测试系统,并与传统的频率法索力测试系统作对比试验研究。1 索力与频率的关系在频率法中,以环境振动或者强迫激励拉索,传感器记下时程数据,并由此识别出索的振动频率。由拉索与其固有频率的关系便可推算出索力,索与拉力的关系最简单的即为/张紧的弦0的公式T=4ml2@(fn/n)2(1)式中,m为索的线密度;l为斜拉索长度;fn是第n阶的自振频率;n是弦振动的阶数。用式(1)虽可粗略地计算索力,但很多时候都显得过于简化,不符合实际情况。实际的拉索由于自重有一定的垂度,具有一定的抗弯刚度,必须引入边界条件。有学者指出,忽略垂度和刚度的影响,用简单的弦理论计算索力,将带来不可接受的误差[1,2]。为准确地适用振动法测定索力,必须考虑这2个因素,对弦公式进行修正。下面引入一种改进了的解析法,该方法可以综合考虑索的抗弯刚度、支撑条件、垂度的影响[3,4]。建立图1所示力学模型并做如下假定:1)垂跨比D=S/l0很小(Sn1);2)拉索只在x、y平面内振动,其在x方向的运动很小,可忽略不计,即u=0,而在y方向的挠度vn1;3)当垂跨比D[1/6时,用抛物线代替悬链线具有足够的精度,于是拉索的形状可用抛物线来表示。拉索在y方向的运动方程可写成EI54v(x,t)5x4-H52v(x,t)5x2-h(t)52y5t2+m52v(x,t)5t2=0(2)式中,H为拉索OP方向的张力;H为拉索倾角;m为索的线密度;EI为索的弯曲刚度;h(t)为振动引起的拉索张力的增量。根据假定2)、假定3),拉索的几何形状可表示为y=4dl2x(l-x)(3)式中,d表示拉索在x2y坐标系中的垂度。当索两端固支时,边界条件为 当x=0和x=l时,v*(x)=0(4)dv*(x)dx=0(5) 联立式(2)、式(3)并引入边界条件式(4)、式(5),然后通过分离变量法可得到拉索振动的特征方程
发出的光经由3dB耦合器传播到FBG1,经FBG1反射后再经过3dB耦合器反射到FBG2,经过滤波后透射光由光功率计PD接收。通过螺杆F调解FBG2的中心波长,使得FBG1的静态中心波长(或静态工作点)处111第28卷 第8期 刘胜春,等:新型光纤光栅振动传感器测试斜拉索索力 在FBG2透射谱的线性区域。如图3所示,当FBG1的反射光通过FBG2时,从而完成/波长信号0到/强度信号0的转换,即/波长解调0。由于2个光纤光栅工作在相同的温度环境中,并同时粘贴在具有相同热膨胀系数材料上,当温度变化时,2个光纤光栅的谐振波长将同步漂移,所以二者的谐振波长差不会改变,因此,温度变化不会影响传感器的工作状况。为了克服悬臂梁自身的谐振,在传感器内部加入了阻尼液,这样,在保证传感器具有较高的响应敏感度的同时,又能得到很好的频谱。3 试 验为了检验光纤光栅振动传感器的测试效果,基于/东方振动和噪声技术研究所0提供的DASP2003振动测试分析系统,设计了如图4所示的索力试验测试系统。该系统分为2个部分,第1个部分为由信号发生器(SG)、功率放大器(PA)、激振器(VD)组成的振动激励系统;第2部分为由压电加速度传感器(AS)、电荷放大器(CA)、宽带光源(LED)、光纤光栅振动传感器(VS)、光功率计(PD)、数据采集器(MD)、计算机(PC)以及/动态信号处理软件0组成的振动测试系统。将光纤光栅振动传感器和压电式加速度传感器同时固定在拉索(C)上。激振器由信号发生器和功率放大器驱动,可产生正弦(或余弦)和矩形方波振动,当拉索受到激振器的激励将产生受迫振动,其振动状态由固定在上面的光纤光栅振动传感器和压电式加速度传感器同时感测。光纤光栅振动传感器按照图2所示的连接方式与宽带光源和光功率计连接;压电式加速度传感器通过同轴导线直接与电荷放大器连接。光功率计PD输出的电压信号与电荷放大器输出的电压信号同时从不同通道接入数据采集器MD,MD采集的数据经由/并口0接入计算机,利用/动态信号处理软件0对数据进行频谱分析并显示输出。 图5(a)~(d)给出了激振器以频率为1.6Hz、3.3Hz、10Hz、50Hz作简谐振动时,光纤光栅振动传感器和压电加速度传感器测量的振动输出波形及由此算出的索力。图5中,上、下2个波形曲线分别是光纤光栅振动传感器和压电加速度传感器的测试结果。从图5中可以看出,光纤光栅振动传感器与压电加速度传感器的测量波形基本保持一致,由此推算出的索力相同或相差不大(1.21%),光纤光栅振动传感器的灵表1 索力测量值激振频率f/Hz光纤光栅振动传感器T1/kN压电式加速度传感器T2/kN1.611.0611.173.343.9044.1510397.84397.825010177.1810177.75敏度好于压电加速度传感器。将测试结果汇总到表1。
(下转第121页)112 武 汉 理 工 大 学 学 报 2006年8月即改变发送符号与星座点的映射关系,而不必利用模拟器件产生预失真电路,因此是一种低成本的预失真补偿法。当然,考虑到HPA受温度、老化等因素影响,性能会发生缓慢的变化,还需要修正静态补偿方法,这也是下一步研究的问题。参考文献[1] 达新宇.通信原理教程[M].北京:北京邮电大学出版社,2005.[2] LucaGiugno,MarcoLuise,VincenzoLottici.AdaptivePre2andPost2compensationofNonlinearDistortionsforHigh2levelDataModulations[J].IEEETransCommun,2004,3(5):149021495.[3] ThomasCM,WeidnerMY,DurraniSH.DigitalAmplitude2phaseKeyingwithM2aryAlphabets[J].IEEETransCommun,1974,22(2):1682180.[4] BiglieriE.High2levelModulationandCodingforNonlinearSatelliteChannels[J].IEEETransCommun,1984,32(5):6162625.[5] AndreaNAD,LotticiV,ReggianniniR.RFPowerAmplifierLinearizationThroughAmplitudeandPhasePredistortion[J].IEEETransCommun,1996,44(1):147721484.[6] 杨宏钢,黄普明,孙献璞.TWTA性能仿真及其非线性补偿的一种新方法[J].空间电子技术,2004,(4):42246.[7] AaelAM,Saleh.Frequency2independentandFrequency2dependentNonlinearModelsofTWTAmplifiers[J].IEEETransCommun,1981,29(11):171521720.[8] HanDS,HwangT.AnAdaptivePre2distorterfortheCompensationofHPANonlinearity[J].IEEETransOnBroadcasting,2000,46(2):1522157.[9] 陈振国.卫星通信系统与技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2003.
光纤光栅动态应变测试实验
实验二 光纤光栅动态应变测试实验
一、实验目的
当简支梁受外载荷情况下，学会用光纤光栅传感器测量其表面某点的应变，加深对光纤光栅动态应变测试的理解。在实验过程中采集数据，分析并处理数据，并做时域分析。
二、实验设备
WS-ZHT2型振动综合教学实验台
光纤光栅解调仪
光纤光栅焊接机
光纤布拉格光栅（FBG）
三、实验原理
在材料力学中，由梁弯曲变形的基本公式得：
zy=IM （1）
矩形截面，惯性矩
3zbhI=12 （2）
由胡克定律可知：
=E （3）
注：45号钢弹性模量E=209Gpa
应力应变引起光栅布拉格波长漂移可以由下式给予描述：
ΔεkΔεPe1λεΔλεBB （4）
式中，Pe为光纤的弹光系数，εk为应变ε引起的波长变化的灵敏度系数。对于带有中心反射波长Bλ， 的典型的石英光纤，轴向应变ε和波长漂移BΔλ有如下关系：
BΔλ/Bλ=0.78ε （5）
说明：1nm=103 pm 1pm≈1με
四、实验内容与步骤
1 测量出简支梁的长宽高以及所测点在的位置，根据公式（1）、（2）、（3），给出在激励F作用下所测点对应的应变该变量ε，即F与ε的关系。
2 在静载荷下采集波长，求得波长的平均值0
3 在同一频率下分别施加F1、F2、F3，分别采集所对应的波长13、2、，求出波长变化量13、2、（0=-），然后分别代入（5）式中计算得应变13εεε、2、
3 每一实验小组分别选三个频率，分别在每个频率下施加F1、F2、F3，通过采样、计算后得到应变13εεε、2、。
4 绘出时域上的应变图，进行频谱分析，观察频谱图中频率大小是否与实验中所给频率大小相同，分析时域图中应变变化与力的变化的关系，从而判断实验与理论是否吻合。
大型桥梁结构健康监测系统的设计方法-(李惠+欧进萍)
大型桥梁结构健康监测系统的设计方法
李 惠 欧进萍
（哈尔滨工业大学土木工程学院）
摘要 结构智能健康监测愈来愈成为重大工程结构健康与安全的重要保障技术，也愈来愈成为重大
工程结构损伤积累、乃至灾害演变规律重要的研究手段。由于我国重大工程结构建设日新月异、突
飞猛进，智能健康监测方法、技术和系统的研究、开发与应用吸引了我国土木工程领域众多科技工
作者很大的兴趣和积极的参与，并且得到了快速的发展。我国是桥梁大国，而桥梁结构是服役性能
退化较显著的重大工程之一。本文首先研究了大型桥梁结构健康监测系统的设计总则，结合与桥梁
结构健康监测系统有关的理论、方法和技术，分析了健康监测系统的传感器子系统、数据采集子系
统、信号传输子系统、损伤识别与模型修正及安全评定、数据管理子系统及系统集成技术等的设计
原则与方法及功能要求；采用上述桥梁健康监测系统设计方法，为山东滨州黄河公路大桥和松花江
斜拉桥设计并实现了不同等级的健康监测系统，系统运行表明，所建立的桥梁结构健康监测系统协
调运行，系统性能很好。
关键词：桥梁；健康监测系统；光纤光栅传感器；无线传输技术；系统集成；数据库；工程应用
Design and implementation of health monitoring systems for
cable-stayed bridges
LI Hui OU Jinping
(School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology)
ABSTRACT The intelligent health monitoring system more and more becomes a technique for
ensuring the health and safety of civil infrastructures and also an important approach for research of
斜拉桥索力检测中受减振器影响的等效索长计算方法
第８卷第３期 ２ｏｏ８年９月 上海应用技术学院学报 ＪＯＬ服ＮＡＬ ０Ｆ ＳＨＡＮＧＨＡＩ ＩＮＳ，ｒＩⅡｒＩ、Ｅ（）Ｆ删０Ｉ ＣＧＹ Ｖ０１．８ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ ２Ｏ¨０８
文章编号：１６７ｌ一７３３３（２ｏ０８）０３—０２１５—０５
斜拉桥索力检测中受减振器影响的
等效索长计算方法
林 立 一，张 雷 ，瞿志豪２ａ，李胡生２ｂ
（１．上海理工大学机械工程学院，上海２ｏ００９３；２ａ．上海应用技术学院机械与自动化工程学院，上海２ｏ０２３５； ２ｂ．土木建筑与安全工程学院，上海２ｏ０２３５）
摘要： 为寻求考虑减振器影响的斜拉桥索力计算方法，本文提出了受减振器影响的斜拉索等 效索长这一概念，讨论了减振器与等效索长之间的关系，分别导出了基于ＲＩＴＺ法和弦振动理
论的等效索长计算公式及其适用范围，给出了完整实用的等效索长计算方法，从而可求解更为
精确的索力值；算例验证了通过等效索长求解索力的正确性和可行性。
关键词： 斜拉桥；索力；减振器；等效索长；ＲＩＴＺ法；弦振动
中图分类号：Ｕ ４４６．１ 文献标识码：Ａ
Ａ ＰＩ ａｎ ｆＯｒ ＥｑｕｊＶａｌｅｎｔ Ｃａｂ Ｊｅ Ｌｅｎｇｔｈ ＣａＩｃｕｌａｔｊＯｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ＩｎｆｌｕｅｎＣｅ Ｏｆ Ｄａｍｐｅｒｓ Ｏｎ ｌｎｓｐｅｃｔｌＯｎ Ｏｆ Ｃａｂｌｅ ＴｅｎｓｉＯｎ
Ｌ Ｎ ， ４『＼『Ｇ ，Ｑ己，２ 一 ∞２ａ，Ｌ，Ｈ ～ 删ｇ
（１．Ｃ０１ｌｅｇｅ ０ｆＭｅｃｈａｎｉ∞１ Ｅｎ ｎｅｅ卅嘻，ＵｎｊｖｅｒｓＩｃｙ ０ｆ ｓｈａｎｇｈａｉ ｆ。ｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｈｍ１ｏｇｙ，ｓｈａｎｇｈａｉ ２Ｏ００９３，（ ｉｍ； ２ａ．Ｓｃｈ∞ｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｊｃａ１ ａｎｄ Ａｕｔｏ咖ｔｉ０ｎ Ｅｎｇｉｎｅ ｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｊｔｕｔｅ ０ｆ ｈｎｏｌ０ｇｙ，ｓｈａｎｇｈｉ ２ｏ０２３５，Ｃｈｉｍ； ２ｂ．Ｓｃｈ ｏｆ Ｃ０ｎＳｔｎｌｃｔｉ０ｎ ａｎｄ ｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈ ｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０Ｏ２３５，Ｃｈｊｍ）
斜拉索实测索力计算方法研究
１６４科技研究 城市道桥与防洪 ２０１４年１２月第１２期
斜拉索实测索力计算方法研究
何长江 ，曾振华。，周兆环 （１．盛泽镇建设管理服务所，江苏吴江２１５２２８；２．上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市２０００９２）
摘 要：斜拉桥的索力测试，目前最常用的方法是频率法测试出斜拉索的振动，然后通过频率一索力计算公式换算出斜拉索的索 力。结合吴江舜湖大桥工程，在斜拉索施工的时候，当索力和相应索力频谱已知的情况下，探讨出合适的计算方法；在后期的索力 测试中，根据张拉过程中推导的计算方法，可以准确计算斜拉索的索力，使得斜拉索索力和主梁内力同时满足设计要求。 关键词：斜拉索；索力计算；自振频率；施工监控；边界条件；条件修正系数；推导公式 中图分类号：Ｕ４４８．２７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—７７１６（２０１４）１２—０１６４—０３
０引言 ２振动法索力测试技术的研究
２０世纪８０年代，在广西修建了国内第一座预
应力混凝土铁路斜拉桥，斜拉桥这种新型桥梁结
构形式开始进入人们的视野，并凭借其独有的造
型和较大的跨越能力，越来越受到了人们的青睐。 斜拉索是斜拉桥的重要组成构件，索将桥跨的重
量及桥上绝大部分活荷载通过自身张力传递给索
塔…。在斜拉索的施＿丁过程中，斜拉索的索力测试
＿Ｔ作是整个工程的重点和难点，对拉索索力的精
确量测，可以准确了解斜拉桥的内力状态，因此索
力测量在斜拉桥的施工及成桥运营都有十分重要
的意义
１ 索力测试技术
迄今为止，可供现场测定索力的方法ｌ ３ｌ主要
有：（１）油压表读数法；（２）压力传感器测试法；（３） 电阻应变式测试法；（４）振动频率测试法；（５）三点
弯曲法；（６）弹性磁学ｆ磁通量）法；（７）光纤光栅应
变式测量法。
目前，施工现场普遍常用的有油压表读数法、
压力传感器测试法和振动频率测试法【３］。油压表读
数只适用于施工阶段进行斜拉索张拉时测量，因
频率法测斜拉索索力的若干关键问题探讨
频率法测斜拉索索力的若干关键问题探讨
摘要：斜拉索索力控制是斜拉桥施工控制的灵魂，斜拉索的索力关乎整个桥梁的内力和线形。本文介绍了频率法测试索力的原理，并结合实际项目永川长江大桥，对频率法测索力的一些关键问题进行了探讨。
关键词：施工控制；索力测试；频率法
0引言
斜拉索作为斜拉桥最重要的结构构件之一，直接承担桥梁荷载，索力决定着整个桥的内力分布和线形。因此，索力是斜拉桥状况评估的重要指标之一。在桥梁施工和使用期限内，随时了解索力的状况十分重要。而索力量测效果将直接对结构的施工质量和施工状态产生影响，要在施工过程中比较准确地了解索力的实际状态，选择适当的量测方法和仪器，并设法消除现场量测中各种因素的影响非常关键。
1工程概况
永川长江大桥主桥为桥跨布置64+68×2+608+68×2+64=1008m的七跨连续半漂浮体系双塔混合梁斜拉桥。斜拉索采用平行钢丝斜拉索，索面按扇形布置，每一扇面由19对斜拉索组成，全桥共设76对斜拉索。根据索力的不同，采用PES7-109、PES7-121、PES7-139、PES7-151、PES7-163、PES7-187、PES7-199、PES7-211、PES7-223、PES7-241、PES7-253共11种规格。斜拉索锚点之间的长度处于92.408m~332.086m之间。
2频率法测索力的原理
频率法是根据拉索索力与振动频率之间的关系来求得索力。频率法测索力的理论基础是弦振动理论，对于1根张紧的确定的拉索，只要测出其振动频率，其索力即可由拉索微元的动力平衡方程和边界条件求得。
对于两端铰支的索，若不考虑斜拉索抗弯刚度时，其动力平衡微分方程的解为： （1）
对于两端铰支的索，考虑斜拉索抗弯刚度时，其动力平衡微分方程的解为：
（2）
式中：T为斜拉索索力；w为单位斜拉索长度的重量；为斜拉索的计算长度；g为重力加速度；为拉索的n阶固有振动频率；n为振动频率的阶数；为基频；m为斜拉索单位长度的质量；EI为斜拉索的弯曲刚度；K为索力系数。
基于振动频率法对某系杆拱桥的索力测试分析
基于振动频率法对某系杆拱桥的索力测试分析
摘要：本文采用振动频率法对某系杆拱桥的索力进行测试，并对其影响因素进行分析，得出相关结论，可为同类桥型的索力测试提供参考。
关键词：振动频率法；系杆拱桥；索力测试；误差分析。
0 引言
工程结构中的吊杆并非处于绝对静止状态，而是时刻在发生着环境随机振动。通过在吊杆上附着高灵敏度的传感器，测定其振动特性，然后根据结构动力学中振动频率与索力之间的关系，求出吊杆的索力，这就是振动频率法的原理。该方法以其仪器携带安装方便、操作简单快捷、测定结果可靠等优点，在索力测试中得到广泛应用。该方法测得的索力受索长、刚度等影响较大，需要进行相应修正。
1 振动频率法力学原理
振动频率法是根据结构动力学原理，利用索力与索的振动频率间的对应关系，在已知索长、边界条件、质量线密度和抗弯刚度等参数条件下，通过测量索的振动频率，进而计算出索力的一种方法。
吊杆索力测试中，需将吊杆做如下简化假定：
假定1：吊杆在面内振动和面外摆振不具有耦合性，可以看成平面问题来研究；假定2：振动引起的挠度远小于吊杆的静载挠度。
基于上述假定，根据张力弦振动理论，当忽略其垂度影响时，吊杆的无阻尼振动平衡方程为：
（1）
式中:为吊杆的弯曲刚度；x为沿吊杆轴向的坐标；y为吊杆的振幅；T为吊杆的索力；为吊杆单位线密度，t为时间。
对于两端铰接的刚性吊杆，其索力值为：
（2）
上式中，TEI=为索力抗弯刚度修正值，该值与索的长度L成反比，与阶次n成正比。若测得频率为其振动基频f1，则其索力值为：
（3）
由上式可知，在已知线密度、索长L、基频f1和抗弯刚度EI的情况下，可以计算得出吊杆的索力值T。
2 工程背景
某120m钢管砼下承式系杆拱桥，计算跨径为115m，拱轴线采用二次抛物线，矢跨比1/5，矢高23m，为刚性系杆拱。全桥共设吊杆16根，间距6.0m，单根吊杆采用109φ7mm高强钢丝，标准强度为1670MPa，钢丝束外部采用双层HDPE防护。吊杆线密度=35.7kg/m，弹性模量E=2.05×105MPa，抗弯惯矩I=1.39×10-6m4。全桥结构示意如图1所示。
光纤光栅传感器研发及其在土木工程中的应用进展
光纤光栅传感器研发及其在土木工程中的应用进展
目录
一、内容描述................................................3
二、光纤光栅传感器的原理与技术..............................4
1. 光纤光栅传感原理......................................5
光纤光栅&反射率........................................6
布拉格散射波导.........................................7
反射率变化与应变或温度的关系...........................7
2. 光纤光栅传感器制造技术................................9
3. 光纤光栅传感器类型与特性..............................9
三、光纤光栅传感器性能与数据传输...........................11
1. 性能评价.............................................12
实验结果..............................................13
实验室环境测试........................................14 实时监测场景测试......................................16
2. 数据传输与系统设计...................................17
数字化传感与远程监控..................................18
网络化与互操作性......................................19
基于桥梁健康监测系统的斜拉索损伤识别
２００８年第１２期 铁道建筑 Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
文章编号：１００３．１９９５（２００８）１２．０００１—０４
基于桥梁健康监测系统的斜拉索损伤识别
梁柱，李 娜，郑 春
（中交公路规划设计院有限公司，北京 １０００１０）
摘要：斜拉索是斜拉桥的重要受力构件。斜拉索的锈蚀、断丝等损伤必然导致索力、主梁线形及结构内
力状态的改变，威胁结构的安全。在介绍目前国内外先进的索力及挠度监测方法之后，以一座独塔斜拉
桥为例，采用拉索损伤敏感性分析方法，探讨基于主梁挠度及索力监测的斜拉索损伤识别方法的具体应
用及其适用性。 关键词：斜拉索 索力 监测 损伤 中图分类号：Ｕ４４８．２７文献标识码：Ａ
对于斜拉桥而言，斜拉索是关键受力构件，斜拉索 的受力状态直接影响到斜拉桥的受力状态。然而斜拉
索锈蚀乃至断丝的病害却时有发生，且其断丝的隐蔽
性较强。随着近２０年来国内斜拉桥的修建，斜拉索已 由过去的砂浆包裹发展成为以热挤ＰＥ防护的平行钢
丝索和多层防护的钢绞线斜拉索为主流的斜拉索体
系。然而尽管斜拉索厂家对斜拉索提出了３０～５０年
的寿命指标，但目前国内已有数座斜拉桥在建成不到
１５年内就进行换索的案例…。
由于斜拉索的锈蚀断丝等损伤必然导致索力及结 构内力状态的改变，严重时甚至导致结构的整体破坏，
因此加强对斜拉索的监测或检测是十分必要的。近十 几年来，越来越多重要的大型桥梁上开始构建桥梁结
构健康监测系统，希望通过对大桥运营环境和关键力
学指标的实时监测达到掌控大桥安全状态的目的。考
虑到斜拉索的损伤必然导致斜拉索索力的变化及重分
布；而斜拉索索力的变化也必然反映到桥面的挠度变 化上。鉴于此，本文以一座独塔斜拉桥为例，以拉索损
伤敏感性分析为手段，基于健康监测系统的挠度及索
力监测，探讨斜拉索损伤识别的方法及其适用性。
１索力监测方法
斜拉桥张拉时的索力主要由张拉千斤顶的油压表 读数进行控制，而桥梁运营期间的索力监测目前主要
环境振动时斜拉桥拉索基频识别
1中日结构减振及健康监测研讨会暨第三届中国结构抗振控制年会，上海，2002年12月
环境振动时斜拉桥拉索基频识别
陈刚，任伟新
（福州大学土木建筑工程学院，福建 福州 350002）
摘 要： 斜拉索是现代斜拉桥最重要的结构构件。索力在斜拉桥的施工控制和长期监测中起着重要作用。
由于索力与基频之间存在着一种特定的关系，振动测试法是斜拉桥索力测定和状态评估中应用最广泛的一种
方法。振动法测索力的关键在于准确地识别出索的基频。本文对广东金马大桥斜拉索的环境振动实验的加速
度数据进行了模态分析，使用功率谱和倒频谱方法，基于MATLAB平台，开发出了斜拉桥拉索环境振动模
态分析图形用户交互（GUI）工具箱，实现了斜拉索基频的自动识别。
关键词关键词：： 斜拉桥；索力；基频；环境振动；倒频谱
IDENTIFICATION OF FUNDAMENTAL
FREQUENCIES OF STAY CABLES
CHEN Gang, REN Wei-xin
(Department of Civil Engineering , Fuzhou University, Fuzhou, Fujian Province 350002)
Abstract: Stay cables are the most critical structural components in modern cable-stayed bridges. The cable tension
plays an essential role in the construction control and long-term monitoring of cable-stayed bridges. Experimental vibration
measurement is one of the most widely used methods for tension evaluation and condition assessment of cable-stayed bridges
斜拉索索力检测方法 原理 数据处理
斜拉索索力检测方法 原理 数据处理
斜拉索是现代桥梁结构中常见的承重构件，其安全稳定的运行对桥梁的使用寿命和安全性至关重要。因此，斜拉索的力学性能检测是桥梁维护保养的重要工作之一。目前，常用的斜拉索的检测方法有振动法、光纤光栅传感器法、静荷载法等。本文将介绍常用的静荷载法检测斜拉索的原理、数据处理方法和应用。
一、静荷载法原理
静荷载法是通过施加外力测量斜拉索的变形，进而计算出斜拉索下挂载的主梁的受力状态。斜拉索检测通常使用的是龙门式起重机，通过千斤顶或液压缸施加大约10%-15%的荷载变形程度测定斜拉索各处的竖向和水平变形，得到斜拉索变形量后采用反演法或其他数值分析方法，计算出斜拉索的受力状态。
二、数据处理方法
（一）反演法
反演法首先要建立适当的模型，在进行斜拉索检测时，常用的模型有螺旋夹杂法、结构参数法、常数对数变化法等。其中，螺旋夹杂法是最常用的方法，其原理是将斜拉索当做弹性体，通过静负荷实验测定斜拉索下端各处的竖向和水平位移值，得到斜拉索下端的位移函数，根据弹性理论和能量原理，推导出斜拉索的受力状态。
具体流程如下：
1. 采集斜拉索下端各处的位移值，并绘制荷载 - 位移曲线；
2. 将实验数据输入计算机，得到斜拉索的弹性模量、截面积等参数；
3. 建立斜拉索的数值模型，包括斜拉索的材料、断面形状、支座约束情况等；
4. 将实验数据和数值模型进行对应计算，对模型进行优化，调整所用的弹性系数、部件尺寸等；
5. 依据斜拉索的边界条件和受力平衡原理，得到斜拉索所受的拉力和受力分布规律。
反演法能够根据斜拉索的实际变形数据来计算其受力状态，但需要建立复杂的数值模型，数据处理较为繁琐。
（二）数值分析法
数值分析法常用的工具是有限元分析软件，它可以基于静荷载实验数据，构建出有限元模型，通过有限元计算，得到斜拉索的受力状态。与反演法相比，数值分析法上手快，操作简便，计算结果也具有较高的精度。