基于ZFFT的桥梁索力测量方法及其应用软件开发

摘要

大型桥梁的安全性与可靠性对社会影响巨大，其拉索的受力状态是评价桥梁运营安全的重要指标之一。索力测量方法主要有油压表法、压应力法和频率法。油压表法和压应力法仅适合在建桥梁的索力检测，而频率法因其具有设备可重复使用，整套设备携带、安装方便，可对已经施工完毕的大型桥梁进行索力复测。工程上桥梁索力的测量精度要求控制在±6％以内，而频率法的索力测量精度一般难以满足工程实际应用要求。因此，有必要对提高索力测量精度做进一步的研究。本论文研究了桥梁索力应力波无损测试中的信号降噪方法和频普精细化处理方法，并开发了相应的工程应用软件。本文的主要研究内容及结果如下：
　　（1）对比分析巴特沃斯滤波、切比雪夫滤波和小波降噪三种方法对拉索振动信号的降噪效果。小波降噪处理后的拉索振动信号，频谱曲线中各处波峰位置处所对应的频率值最为容易判定。根据噪声和信号的小波系数在不同尺度上具有不同性质的机理，在小波域内使用模极大值法对含有噪声的拉索振动信号的小波系数进行处理，将经过处理后的小波系数重构原始信号，得到真实信号的最优估计。小波降噪方法对拉索振动信号进行降噪处理的效果优于切比雪夫滤波和巴特沃斯滤波，使用模极大值法在不同尺度上对拉索振动信号进行处理，有助于提高拉索振动信号的抗干扰能力。
　　（2）研究了 ZFFT方法在拉索振动信号处理中的应用。拉索的低频段很低，常与桥面板或桥塔基频耦合，导致实测拉索振动信号处理结果中谱曲线上常出现频率混叠现象。基于ZFFT算法的频谱细化技术适用于干涉现象严重的密集型频率成分的情况下，因此将ZFFT算法应用于桥梁拉索的振动频率识别当中。采用ZFFT算法对拉索振动信号进行频谱分析，具有在选定频率范围内进行频谱细化分析的特点，有助于提高频率分辨率和减少采样点数的计算量。实测拉索振动信号进行ZFFT分析的实验结果表明，在采样长度、采样频率等参数相同情况下，ZFFT分析获得的频率分辨率比传统傅里叶分析方法高10倍，提高了拉索索力的检测精度。
　　（3）根据索力测量的实际应用要求，完成了系统硬件电路的设计和索力测试应用软件的开发。通过LabVIEW软件编写的应用程序主要功能模块包括采样信号的实时显示、拉索基频的自动识别、检测结果的自动生成等功能。硬件电路的设计主要包括信号放大、滤波电路模块设计、STM32微控制器最小系统的实现以及数据采集单元的软件编程。最后对索力测量系统进行了现场测试，测试结果与该桥在13年索力调整目标值进行对比，得到最大误差小于±3%，说明测量结果可靠且索力测量系统可以满足工程应用要求。
　　本文研究的基于ZFFT的桥梁索力测量方法结合工程实际应用，有助于提高索力检测精度，具有一定的实用意义和广阔的应用前景。

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第1章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

1.2桥梁索力测试技术的发展现状

1.3拉索振动信号数字处理方法研究

1.4本文主要研究内容

第2章 桥梁拉索振动信号处理方法研究

2.1拉索索力计算方法

2.2拉索振动信号的小波降噪处理

2.3 ZFFT算法基本原理

2.4 ZFFT算法在拉索基频识别中的应用

2.5本章小结

第3章 基于虚拟仪器技术的索力测量系统软硬件设计

3.1虚拟仪器技术

3.2桥梁索力测量系统总体设计

3.3应用软件模块设计

3.4数据采集卡设计与实现

3.5本章小结

第4章 现场测试及工程应用

4.1 湘潭某大桥工程概况

4.2 湘潭某大桥索力测量

4.3索力测试结果与分析

4.4本章小结

第5章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

附录：个人简历、在校期间发表的学术论文与研究成果