基于振頻法的索力監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用★

曹 洪 張奔牛 黃月華

(重慶交通大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引言

加固體外預(yù)應(yīng)力索在連續(xù)鋼構(gòu)橋梁加固中意義重大，關(guān)系整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的后續(xù)狀態(tài)變化，因此，對加固體外預(yù)應(yīng)力索力進(jìn)行在線監(jiān)測也變得尤為重要。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的發(fā)展，也使得索力在線監(jiān)測系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。在橋梁運(yùn)營過程中，需長期在線監(jiān)測索力，實(shí)時(shí)了解橋梁的工作狀態(tài)，及時(shí)提供維護(hù)。

索力檢測的方法有多種，傳統(tǒng)的有油壓表讀數(shù)法、傳感器讀數(shù)法、頻率法等［3］。油壓表讀數(shù)法是在索使用千斤頂張拉時(shí)，通過精密壓力表或液壓傳感器測定油缸的液壓而求得索力;顯然，這種方法簡單易行，適合于索張拉時(shí)的索力控制，但對于已張拉好的索，該方法就不便于實(shí)施了。傳感器讀數(shù)法是在索張拉時(shí)，千斤頂張拉力通過連接桿傳到索錨具，在連接桿上套一穿心式壓力傳感器，得到千斤頂張拉力，若長期監(jiān)測，則要在拉索錨固端墊裝一穿心式壓力傳感器;這種方法精度由壓力傳感器決定，但壓力傳感器售價(jià)相當(dāng)高，只能在特定場合下使用。頻率法是利用精密拾振器，拾取拉索在激勵(lì)下的振動(dòng)信號，經(jīng)過濾波、放大和頻譜分析，再根據(jù)頻譜圖來確定拉索的自振頻率，然后根據(jù)自振頻率與索力的關(guān)系確定索力;用頻率法測定索力，不僅方便，適應(yīng)多種工況，設(shè)備可重復(fù)使用，且測量精度已能滿足工程應(yīng)用要求，因此得到廣泛使用。

1 振頻法索力測量原理

振頻法測量索力的原理是基于索力與自振頻率之間的對應(yīng)關(guān)系［5］，已知拉索長度、兩端約束情況、分布質(zhì)量等參數(shù)時(shí)，將精密拾振器安裝在拉索中部，拾取拉索在環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)信號，經(jīng)濾波、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換和頻譜分析即可測出拉索的自振頻率，進(jìn)而由索力與索自振頻率之間的關(guān)系獲得索力。索力測試是基于弦振動(dòng)理論，在考慮抗彎剛度的情況下，索的動(dòng)力平衡微分方程如下所示:

其中，w為單位長度索重;g為重力加速度;y為垂直于斜拉索長度方向的坐標(biāo);x為斜拉索長度方向的坐標(biāo);E1為斜拉索的抗彎剛度;T為斜拉索的張力;t為時(shí)間。

索兩端在鉸支情況下的張力:

其中，L為斜拉索的索長;fn為斜拉索的第n階自振頻率;n為振動(dòng)階數(shù)。

若不考慮抗彎剛度的影響，則可得簡化的斜拉索拉力為:

式(4)即為拉索索力與自振頻率之間的關(guān)系。式(4)是索力測量的簡化計(jì)算基礎(chǔ)，只有當(dāng)工程需要精度較高時(shí)，才會考慮拉索剛度、垂度和兩端約束方式等因素。

對于固定的拉索，式(3)中的w，L，g為已知值，拉索系數(shù)K值也是固定的，只要正確測量在外部激振下的拉索自振頻率，就能得出拉索索力。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成。上位機(jī)的硬件主要是一臺安裝了Windows2000的PC，而下位機(jī)主要包含單片機(jī)和加速度傳感器，即整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)單片機(jī)選用STC-89C54，具有高速、低功耗等特點(diǎn)。拾振器選用MMA8451加速度傳感器。PC與單片機(jī)之間是通過485進(jìn)行串口通信(見圖1)。

2.1 下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)部分主要是實(shí)現(xiàn)對拉索振動(dòng)的加速度數(shù)據(jù)采集，主要由單片機(jī)和加速度傳感器構(gòu)成。在正常使用下，一般橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)的變化是非常緩慢的，從這個(gè)意義上講，系統(tǒng)可以是斷續(xù)的、定期的進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息的采集。而在特殊情況下，如高溫、高寒、狂風(fēng)、用戶要求等情況下，系統(tǒng)又能對測量點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)采集，以實(shí)時(shí)反映橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化。因此選用適用可靠的元器件就變得尤為重要。選用STC89C54單片機(jī)高速、低價(jià)、內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換功能、提供在線編程工具，性價(jià)比高，足以滿足采集數(shù)據(jù)的需求。MMA8451三軸加速度傳感器，16引腳，QFN封裝，數(shù)字I2C輸出，8位/14位精度可選，量程±2 g/±4 g/±8 g可選，電源供電1.95 V～3.6 V可選。另外，傳感器系統(tǒng)并非一直處于工作中，當(dāng)一次數(shù)據(jù)采集完成，系統(tǒng)會自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到下次采集任務(wù)或者遠(yuǎn)程通信控制的緊急采集任務(wù)，從而可以保證傳感器的使用壽命。下位機(jī)工作流程見圖2。

圖1 索力監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 下位機(jī)工作流程

2.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)主要工作是實(shí)現(xiàn)對采集到加速度數(shù)據(jù)的預(yù)處理、FFT變換、頻譜分析、識別拉索振動(dòng)基頻。上位機(jī)系統(tǒng)界面見圖3。上位機(jī)工作流程如圖4所示。

圖3 上位機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全天候24 h在線監(jiān)測，并且同時(shí)對多根拉索進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對拉索索力的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，無需人工控制，只需定期查看數(shù)據(jù)庫，了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和索力情況。每根拉索上面安裝了一個(gè)加速度傳感器，采樣頻率80 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)1 024，每組采集時(shí)間在10 s～15 s間，對于N根拉索，橋梁所有拉索均檢測一次，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024×N個(gè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)量與計(jì)算量均很龐大。上位機(jī)和下位機(jī)協(xié)調(diào)工作，算法處理的工作主要在上位機(jī)完成。下位機(jī)即單片機(jī)部分主要完成加速度數(shù)據(jù)的采集，采集數(shù)據(jù)存儲在E2PROM中，當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送的傳送數(shù)據(jù)命令后，將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行處理。上位機(jī)即PC部分控制下位機(jī)數(shù)據(jù)采集和傳送，接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行濾波、頻譜分析、結(jié)果存儲數(shù)據(jù)庫。

3 工程應(yīng)用

圖4 上位機(jī)工作流程

江津長江公路大橋分為主體和引道工程兩部分。大橋主體為連續(xù)鋼構(gòu)，全長1 360 m，主橋?yàn)?40 m+240 m+140 m三跨連續(xù)剛構(gòu)長520 m，居國內(nèi)同類型橋梁第二位(見圖5)。

圖5 江津長江大橋

3.1 體外預(yù)應(yīng)力索力測點(diǎn)分布

在主跨跨中上游側(cè)選取2條體外預(yù)應(yīng)力筋分別安裝1套加速度傳感器，下游側(cè)同樣選取2條體外預(yù)應(yīng)力筋分別安裝1套加速度傳感器，共計(jì)4套加速度傳感器，上游側(cè)5，6索，下游側(cè)5，6索。系統(tǒng)安裝于體外索中部，通過RS485連接至工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)通信(見圖6)。

圖6 索力監(jiān)測系統(tǒng)布置圖

3.2 江津長江大橋索力監(jiān)測數(shù)據(jù)

在對本系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果是否正確可靠進(jìn)行評估時(shí)，采用了CDJM-DC2動(dòng)測儀，同時(shí)對加固體外預(yù)應(yīng)力索進(jìn)行索力測量，以作驗(yàn)證。

CDJM-DC2動(dòng)測儀主要技術(shù)指標(biāo):

1)測量范圍:自振頻率:0.3Hz～65 Hz(或根據(jù)需要設(shè)定，但小于1 000 Hz)。拉力:10 kN～10 000 kN;索長:2 m～500 m，直徑6 mm～150 mm。

2)采樣頻率:80 Hz，160 Hz，320 Hz三檔可調(diào)。

3)測量精度:頻率精度:0.5% ±0.01 Hz，拉力精度:由系數(shù)K的精度決定，如系數(shù)K的精度能達(dá)到1%，則測量精度為2%。

在對索力進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，首先求取拉索的自振頻率，再由式(4)求得拉索索力值，K值已知。分別采用本系統(tǒng)和由長沙金瑪高科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的JMM-268動(dòng)測儀對目標(biāo)索自振頻率進(jìn)行測量。測量結(jié)果如表1所示，其中N1～N5為測量5次拉索自振頻率，為防止外部激振幅度過大致使數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，因此采集多次求中值(5次)。

表1 動(dòng)測儀原始數(shù)據(jù)

3.3 誤差分析

JMM-268動(dòng)測儀理論精度為0.5%+0.01Hz，因此在驗(yàn)證本系統(tǒng)正確性時(shí)，以該動(dòng)測儀測量數(shù)據(jù)為參照(見表2，表3)。表5，表6中誤差是依據(jù)該動(dòng)測儀和本系統(tǒng)測量所得中值之差的絕對值除以該動(dòng)測儀均值所得。由表4可知，測量索力誤差最大為1.379 t，最小為0，最大誤差低于1%。

表2 本系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)

表3 預(yù)應(yīng)力索系數(shù)K

表4 索力測量結(jié)果t

表5 本系統(tǒng)與動(dòng)測儀測量結(jié)果的頻率誤差 %

表6 本系統(tǒng)與動(dòng)測儀測量結(jié)果的索力誤差 %

4 結(jié)語

本文首先對現(xiàn)今常用索力檢測方法進(jìn)行概括，在介紹了頻率法測量索力的原理的基礎(chǔ)上，論述了本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，上位機(jī)和下位機(jī)的工作流程并畫了流程圖，最后，作為驗(yàn)證，以江津長江大橋體外預(yù)應(yīng)力索作為實(shí)驗(yàn)對象，采用JMM-268動(dòng)測儀同時(shí)對預(yù)應(yīng)力索進(jìn)行索力測量，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，并結(jié)合其他索力檢測方法，得出結(jié)論:相比其他索力測量方法，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)對多條拉索進(jìn)行全天候索力測量。從表4，表5可知，在以JMM-268動(dòng)測儀為參照的基礎(chǔ)上，采用本系統(tǒng)量測得出，頻率值和索力值的相對誤差均低于1%，是一種理想的索力監(jiān)測工具。

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