拉索参数识别的多频率法研究与索力无线监测系统开发

摘要

建筑索结构由于其空间整体刚度强、造型丰富新颖、自重轻、施工运输方便等诸多优点在现代城市建设中已经得到了越来越广泛的应用。而拉索作为索结构中至关重要的构件，其受力状态关系到索结构的施工安全和正常运营。因此实时准确地监测拉索内力就具有非常重要的现实意义。
　　 频率法是工程实际中最为经济实用的索力测试方法，且已经在大跨斜拉桥等领域得到了广泛的应用并具有较高的精度。而建筑索结构中的拉索往往数量众多，规格不一且支承条件复杂，其索力监测对测试方法的时效性和索力计算的通用性提出了更高的要求。本文对拉索参数识别的多频率法进行研究，并依托课题组的结构健康监测无线传感技术，开发了索力无线监测系统。系统经过试验测试并应用于实际工程中。
　　 首先鉴于频率法索力计算中传统的单参数识别法的不足，研究了拉索参数识别的多频率法并将其作为本文系统软件中索力计算部分的核心算法。总结了不同拉索计算模型的频率方程，提出基于遗传算法的拉索参数识别多频率法。利用多阶实测频率，用遗传算法求解频率方程组以达到同时识别拉索索力和抗弯刚度或边界约束刚度等拉索物理参数的目的。给出了算法程序实现的详细流程并通过几组数值算例验证了该算法具有较高的精度。还阐述了拉索参数识别的有限元法的思路和流程，作为系统软件中索力计算的补充方法。
　　 随后阐述索力无线监测系统的开发。该系统集成了加速度数据采集、数字信号无线传输、信号频域分析与索力计算等功能。同时为便于监测工程的管理，系统还具有工程信息储存、结构模型及测点可视化、数据结果的图形显示等实用功能。简要介绍了系统的硬件基础，详细阐述了系统软件的设计思路和框架构成。对各模块功能、软件工作流程及编制原理进行了介绍。
　　 最后介绍本文系统的试验验证和工程应用。通过一个室内钢绞线拉力测试试验检验了系统频率测试的稳定性和精度，讨论了传感器不同固定方式和不同布置位置对频率测试的影响。将系统应用于一个钢结构缩尺模型试验中钢拉杆的内力实测和一个体育馆桅杆斜拉索的索力实测中，取得了良好的效果。