基于动力测试的拉索频率综合自验证分析方法与流程

1.本发明涉及预应力拉索结构的在役检测评价技术领域，更具体的说是涉及一种对拉索实测动力数据进行多算法综合分析结合算法与多阶频率双重自验证的预应力拉索频率分析方法。


背景技术：

2.预应力拉索索力与结构的承载、变形及动力性能直接相关，是结构服役状态的重要评价指标。在役的预应力拉索，如无预埋传感器，其拉索索力的检测常采用间接法，一般使用动力传感器测试获得拉索的加速度等振动时程信号，根据时频分析得到拉索频率，再通过索力与频率之间的数学关系计算得到拉索索力。
3.由于预应力拉索一般处于高空、大跨等不宜接触到的地方，且一般数量较大，目前常规采用的加速度/速度传感器均是接触式，需要直接安装在拉索测点上，布设难度大，难以全面覆盖整个拉索体系，因此检测评估仅针对部分拉索，无法对整体结构性能进行全面评估。为解决这一问题，近年来，非接触式的动力测试方法逐渐引入。目前，非接触式的动力测试主要被应用于机械、航空等领域，能够实现高效便捷的在役测试。然而，该技术对测试反射面要求高，远距离低反射面上信号损失大，并且土木工程结构主要自振频率一般较低(10hz以内)，环境噪音干扰大，在远距离测试条件下，数据信号信噪比较低，如何保证测试与分析的准确性等鲜有研究，成为制约非接触检测技术在土木工程领域应用发展的重要瓶颈问题。另一方面，采用单一测试传感器得到的数据结果是否与拉索的实际情况吻合，工程上也未提出有效便捷的验证方法。
4.因此，如何提供一种基于动力测试的拉索频率综合自验证分析方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种基于动力测试的拉索频率综合自验证分析方法，旨在解决上述技术问题。
6.拉索动力测试分析的原理在于，拉索的一阶自振频率与拉索索力存在如下对应关系：
7.f＝ξ
·
4ρl2f
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
8.在理想条件下，拉索的各阶频率呈线性关系：
9.fn＝α
·
nf1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
10.其中，f为拉索索力，ρ为拉索密度，l为拉索长度，f1为拉索一阶自振频率，fn为拉索第n阶自振频率，ξ和α为考虑抗弯刚度、端部约束条件、集中质量等因素的影响参数，理想索条件下取为1。
11.在工程中，忽略ξ和α的影响，通过公式(2)可知，对于单根拉索，各阶频率之间存在明确的倍数关系，可用于工程测试中分析得到的频率的阶数确定与验证。
12.基于此，本发明采用如下技术方案：
13.一种基于动力测试的拉索频率综合自验证分析方法，包括：
14.s1、获取拉索振动响应(速度或者加速度)时程数据；
15.s2、分别使用傅里叶变换法模块(fft)、经验模态分解模块(emd)以及变分模态分解模块(vmd)处理拉索动力响应时程数据；
16.其中，经验模态分解模块(emd)包括emd算法，以及两种优化emd算法，即eemd算法以及ceemd算法；
17.s3、将每种模块分析方法分解出的频率从小到大排列，记为f
n1
、f
n2
、f
n3
…fnn
，假设f
n1
为一阶频率，比较f
n1
、f
n2
、f
n3
…fnn
的比例关系，若(i＝1,2,3
…
n，且i≤5)，f
n1
为一阶频率成立，否则假设f
n1
为二阶频率，重复上述步骤直到确定各模块方法分解出的频率对应的振动阶数；
18.s4、取三种方法输出得到的一阶频率，两两比较，若各方法计算得到一阶频率满足(i，j＝1，2，3且i≠j)，则输出f1＝mean(f
11
，f
12
，f
13
)作为动力分析结果，否则认为测量数据无法提取有效频率；
19.式中，f
11
为fft法输出的一阶频率，f
12
为emd法输出的一阶频率，f
13
为vmd法输出的一阶频率；
20.s5、将三种模块方法分解出的最小频率从小到大排列，记为f
n11
、f
n22
、f
n33
，假设f
n11
为一阶频率，若(i＝2,3)，则按比例确定n2、n3数值，否则假设f
n1
为二阶频率，重复上述步骤直到n1＝5或者确定三种方法分解出的频率阶数，若无法确定f
n11
阶数，则认为测量数据无法提取有效频率，否则输出一阶频率结果。
21.确定频率结果后，则可通过公式(1)计算得到拉索索力值，达到拉索在役检测的测试目标。
22.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于动力测试的拉索频率综合自验证分析方法，一方面综合了多种算法优势，提高动力测试采集到的数据的分析利用率，保证分析结果的有效价值，另一方面，采用频率阶数关系自验证和多算法模块结果一致性自验证的综合自验证方法，保证数据分析结果的准确性。既可以为非接触式的动力测试方法在土木工程拉索测试中的工程应用提供有力的技术保证，又可以为常规接触式测试方法提供自验证分析方法以提高检测数据分析与判断的准确性。为预应力拉索在役检测评价提供了有力的理论与方法保障，使得拉索结构全面、准确的在役检测具有工程可行性。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
24.图1附图为本发明提供的测试频率分析方法的流程图；
25.图2附图为本发明提供的某索膜结构示意图；
26.图3附图为常规fft时频转化分析结果；
27.图4附图为优化eemd算法输出的多阶频率分析结果。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.参见附图2，本发明实施例公开了一种某索膜顶棚结构，两端分别采用2根桅杆，桅杆一边为2
×
2根锚地的主支撑索，一边为7
×
2根支撑双曲抛物面索面的吊索，索膜顶棚主跨度149.6m，单根拉索最长达69m，桅杆顶高38m，顶棚跨中标高16m。测试的拉索数量多且位于顶棚不易接触部位，如果采用接触式测试，则需要使用升降车且需要专门的高空作业人员进行采集仪的安装。采用非接触测试技术可实现远距离测试，但部分远距离测试数据的信噪比低，难以分离有效的频率数据，如图3。
30.采用综合自验证分析方法对各工况的速度时程数据进行处理，图4给出了某组工况低信噪比数据的模块优化算法处理后频率识别结果图，表1给出三种模块基于频率阶数自验证后输出的频率结果，和三种模块得到的结果之间的差异率，基于两种综合自验证分析后，可输出有效准确的一阶振动频率。
31.表1自振频率分析结果
32.[0033][0034]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0035]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。