基于空间形态和动力特性的张弦桁架结构索力识别方法

摘要

本公开涉及基于空间形态和动力特性的张弦桁架结构索力识别方法。该方法包括确定针对所述张弦桁架结构的第一动力特性，所述第一动力特性对应于所述张弦桁架结构中相应拉索的实际动力特性；基于所述张弦桁架结构中相应所述拉索的第一空间形态，确定针对所述张弦桁架结构的第二空间形态；基于所述第二空间形态，得到针对所述张弦桁架结构的模型；利用所述模型，确定对应于所述张弦桁架结构的第二动力特性；以及基于所述第一动力特性和所述第二动力特性，识别针对相应所述拉索的索力。以此方式，能够显著降低测量误差，提升索力测量精度。本公开采用的参数少，通过较少的计算量，就能够实现在极小误差的情况下得到准确的拉索应力，可操作性较强。

说明书

技术领域

本公开一般地涉及建筑技术领域，特别地涉及基于空间形态和动力特性的张弦桁架结构索力识别方法。

背景技术

张弦桁架结构作为一种新型的结构形式，近年来在实际工程中得到越来越广泛的应用。拉索是张弦桁架结构的重要组成部分，索结构的索力监测，是保证施工阶段预应力达到设计目标和使用阶段结构安全性的重要内容之一。索力的变化不仅影响整个结构的形状，还影响结构的内力状况，拉索失效导致结构刚度严重退化，引起整个结构的失效。

目前的技术中，对于拉索的索力可以采用振动法和应变法进行测量，但这两种方法进行测量时，其测量误差通常较大(如5％甚至更高)，索力测量结果不够准确，识别精确度不够。而且，这样的测量通常是对于张弦桁架结构的静态测量，无法动态监测施工过程和使用过程中的形态变化。因此，需要一种能够至少部分地解决上述问题的张弦桁架结构索力识别方法。

发明内容

本公开的目的是提供一种基于空间形态和动力特性的张弦桁架结构索力识别方法，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。

根据本公开的第一方面，提供了一种基于空间形态和动力特性的张弦桁架结构索力识别方法。该方法包括：确定针对所述张弦桁架结构的第一动力特性，所述第一动力特性对应于所述张弦桁架结构中相应拉索的实际动力特性；基于所述张弦桁架结构中相应所述拉索的第一空间形态，确定针对所述张弦桁架结构的第二空间形态；基于所述第二空间形态，得到针对所述张弦桁架结构的模型；利用所述模型，确定对应于所述张弦桁架结构的第二动力特性；以及基于所述第一动力特性和所述第二动力特性，识别针对相应所述拉索的索力。

在一些实施例中，基于所述第一动力特性和所述第二动力特性，识别针对相应所述拉索的索力可以包括：将所述第一动力特性和所述第二动力特性进行拟合；以及基于所述拟合得到的结果，确定针对相应所述拉索的索力。

在一些实施例中，将所述第一动力特性和所述第二动力特性进行拟合可以包括：将所述第一动力特性和所述第二动力特性进行最佳平方逼近计算，以得到针对所述第一动力特性和针对所述第二动力特性的最佳平方逼近误差；以及响应于确定到所述最佳平方逼近误差的最小值，得到针对相应所述拉索的索力。

在一些实施例中，将所述第一动力特性和所述第二动力特性进行最佳平方逼近计算，以得到针对所述第一动力特性和针对所述第二动力特性的最佳平方逼近误差可以包括：所述第二动力特性为f(x)并且所述第一动力特性为f′(x)，令δ(x)＝f(x)-f′(x)，则最佳平方逼近的误差为：

其中，

在一些实施例中，基于如下方式确定所述最小值：取

此时

用矩阵H表示G

则

记Ha＝d

确定

其中，k、j表示第1到第n项之间任意一项，d

在一些实施例中，所述第一空间形态可以经由激光扫描得到。

在一些实施例中，识别针对相应所述拉索的索力可以包括：识别相应所述拉索在施工过程和使用过程中的至少一者的索力。

在一些实施例中，基于所述第二空间形态，得到针对所述张弦桁架结构的模型可以包括：经由有限元软件得到针对所述张弦桁架结构的所述模型。

在一些实施例中，所述第一空间形态在所述施工过程中的不同阶段可以是变化的；和/或所述第一空间形态在所述使用过程中的不同阶段可以是变化的。

在一些实施例中，确定针对所述张弦桁架结构的第一动力特性可以包括：对所述张弦桁架结构的弦支结构撑杆动力特性进行实测，以得到针对所述张弦桁架结构的第一动力特性。

本公开的各个实施例至少可以起到如下有益效果：

(1)通过本公开所述的索力识别方法，误差率可以低于1％，显著降低测量误差，提升索力识别精度，更好地服务于工程实践。

(2)本公开所述的索力识别方法，不仅可以对张弦桁架结构使用过程进行静态监测，还可以动态地对施工过程和使用过程中张弦桁架结构的索力情况进行监测，能够保证施工阶段预应力达到设计目标和使用阶段结构安全性。

(3)提供最佳平方逼近方法在张弦桁架索力测量技术领域的特定应用，使得索力测量精度大大提升。

(4)本公开所采用的最佳平方逼近计算方式函数数量少，所采用的参数少，从而通过较少的计算量，就能够实现在极小误差的情况下得到准确的拉索应力，可操作性较强。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开的实施例的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例而非限制性的方式示出了本公开的若干实施例，其中：

图1是示出根据本公开一些实施例的张弦桁架结构的示意图；

图2是示出根据本公开一个实施例的索力测试方法示意流程图。

在各个附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

在本公开的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

本公开能够通过对结构空间形态进行扫描，建模并计算出结构动力特性，对结构动力特性进行实测，将两种动力特性进行拟合，误差最小对应的索力即为拉索索力。在本公开的一个特定实施例中，张弦桁架结构可以在拉索施工与使用过程中，先用激光扫描张弦桁架结构中拉索的空间形态，确定张弦桁架结构在施工与使用过程中的空间形态，并进行空间形态的分析，再用有限元软件进行张弦桁架结构的建模，并对张弦桁架结构的动力特性进行分析，再对张弦桁架结构实际的动力特性进行实测，将计算与实测动力特性进行拟合，根据拟合结果计算出拉索索力。

下面将结合附图1至附图2对本公开的实施方式进行详细介绍。

图1是示出根据本公开一些实施例的张弦桁架结构的示意图。如图1所示，张弦桁架结构是大跨度预应力空间结构体系，其结构体系由抗弯刚度较大的刚性构件和高强度拉索组成，自重较轻，可以跨越很大空间。张弦结构作为一种半刚性结构，其整体刚度由刚性构件截面尺寸和结构体系的空间几何形体两方面共同组成，整体刚度和几何形态与施工过程密切相关，结构体系成型前刚度较弱，因此需要对张弦结构的施工方案进行合理选择并对施工过程进行严格控制。

张弦结构拉索，与刚性构件不同，具有高应力，具有只能受拉不能受压等特点。一般来说，撑杆与上弦和索的连接均为铰接，当拉索的任一截面失效，拉索将迅速释放应变能，整个拉索完全失效，而拉索失效又将导致所有撑杆跟着转动而失效。因此，拉索施工和索力监测是张弦桁架结构的重点，拉索索力需要保证施工阶段预应力达到设计目标，并且在使用阶段要始终保持结构安全。

图2是示出根据本公开一个实施例的索力测试方法示意流程图。下文将结合图2介绍根据本公开的示例性实施例。

在一些实施例中，为了识别张弦桁架结构索力，可以确定针对张弦桁架结构的第一动力特性，第一动力特性对应于张弦桁架结构中相应拉索的实际动力特性。该步骤可以对应于图2中的框101，也就是说，第一动力特性可以对应于实测动力特性。在一些实施例中，具体地，可以对张弦桁架结构的弦支结构撑杆动力特性进行实测，以得到针对张弦桁架结构的第一动力特性。应当理解，可以采用本技术领域任意合适的方法来测量第一动力特性，本公开对此不作限制。

需要说明，结构动力特性是结构固有的特性，包括固有频率(自振周期)、阻尼、振型，它们只与结构的质量、刚度和材料有关。振型是指结构振动的基本形式，一般结构有几层就有几个振型，也就对应着几个周期。通常以第一振型为主，其他几个高振型很快衰减。例如，常用的基底剪力法就是以第一振型来计算的。阻尼通常是指阻尼比，阻尼比是指结构振动阻尼系数与临界阻尼系数的比值，也是结构本身所固有的。

在一些实施例中，基于张弦桁架结构中相应拉索的第一空间形态，确定针对张弦桁架结构的第二空间形态。该步骤可以对应于图2中的框103。具体地，可以采用激光扫描得到相应拉索的第一空间形态和针对张弦桁架结构的第二空间形态，或者通过激光扫描得到相应拉索的第一空间形态，然后基于第一空间形态得到第二空间形态。

随后，可以基于第二空间形态，得到针对张弦桁架结构的模型，并且利用该模型，确定对应于张弦桁架结构的第二动力特性。其中，第二动力特性为利用模型得到的模拟动力特性。该步骤可以对应于图2中的框105。在一些实施例中，例如，可以经由有限元软件得到针对张弦桁架结构的模型。

进一步地，可以基于第一动力特性和第二动力特性，识别针对相应所述拉索的索力。在一些实施例中，参照图2中的框107和框109，可以将第一动力特性和第二动力特性进行拟合，也即将结构实测动力特性与模拟动力特性进行拟合，并且在框109处，可以将第一动力特性和第二动力特性进行最佳平方逼近计算，以得到针对第一动力特性和针对第二动力特性的最佳平方逼近误差，并且响应于确定到最佳平方逼近误差的最小值，得到针对相应拉索的索力。

在一些实施例中，针对相应拉索的索力可以是施工过程中的索力，也可以是使用过程中的索力。事实上，本公开的方法能够根据工程需要动态地检测施工过程和使用过程中的索力的一者或两者。这样一来，不仅可以对张弦桁架结构使用过程进行静态监测，还可以动态地对施工过程和使用过程中张弦桁架结构的索力情况进行监测，能够保证施工阶段预应力达到设计目标和使用阶段结构安全性。

在一个实施例中，得到针对所述第一动力特性和针对所述第二动力特性的最佳平方逼近误差可以通过以下特定计算方式进行。该计算方式函数数量少，所采用的参数少，从而通过较少的计算量，就能够实现在极小误差的情况下得到准确的拉索应力，可操作性较强。并且，经过实验验证，通过该索力识别方法，误差率可以低于1％，显著降低测量误差，提升索力识别精度。

在该实施例中，第二动力特性可以为f(x)并且第一动力特性可以为f′(x)。令δ(x)＝f(x)-f′(x)，则最佳平方逼近的误差为：

其中，

在该实施例中，可以基于如下方式确定所述最小值：取

此时

用矩阵H表示G

则

记Ha＝d

进一步地，可以确定

上述等式中，k、j表示第1到第n项之间任意一项，d

可以看出，在一个优选的实施例中，基于空间形态和动力特性的张弦桁架结构索力识别方法可以通过以下方式来实现：张弦桁架结构在拉索施工与使用过程中，先用激光扫描张弦桁架结构中拉索的空间形态，确定张弦桁架结构在施工与使用过程中的空间形态，并进行空间形态的分析，再用有限元软件进行张弦桁架结构的建模，并对张弦桁架结构的动力特性进行分析，再对张弦桁架结构实际的动力特性进行实测，将计算与实测动力特性进行拟合，根据拟合结果计算出拉索索力。在这样的实施例中，索力识别方法误差率可以低于1％，显著降低测量误差，提升索力识别精度，更好地服务于工程实践；该索力识别方法，不仅可以对张弦桁架结构使用过程进行静态监测，还可以动态地对施工过程和使用过程中张弦桁架结构的索力情况进行监测，能够保证施工阶段预应力达到设计目标和使用阶段结构安全性；该方法提供了最佳平方逼近方法在张弦桁架索力测量技术领域的特定应用，使得索力测量精度大大提升，弥补了该领域的技术空白；本公开的方法采用最佳平方逼近计算方式函数数量少，所采用的参数少，从而通过较少的计算量，就能够实现在极小误差的情况下得到准确的拉索应力，可操作性较强。

需要说明，上述各等式的方法提供了特定的最佳平方逼近的误差计算方式，并且起到了特定的技术效果，属于本公开的优选方式，但是并非针对本公开的具体限制。应当理解，本领域技术人员在本公开的启发下，还可以采用其他任意合适的最佳平方逼近的方法来确定基于空间形态和动力特性张弦桁架结构的拉索索力。

虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。

此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。