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一、技术概览

桥梁索力是反映桥梁健康状态的重要指标之一，测振法是桥梁索力监测的主要方法主之一，该方法是根据拉索的振动特性计算整根拉索索力。测振法索力分析方法对长索准确度较高，但是对于短索的索力测量分析误差较大。针对上述问题，东方所提出了基于振动法的桥梁索力智能监测技术，采用先进的算法实现复杂环境下的短索索力的准确测量和自动化监测，解决了短索计算误差大、信号微弱、各种干扰信号丰富、主频阶数难以确定等难点。

二、行业痛点

基于振动法的桥梁索力监测痛点问题主要集中在两个方面：

第一、索力计算处理算法方面，振动法对短索的索力计算误差较大。

第二、在索力在线监测时，由于测试的振动信号微弱，频谱中各种干扰信号丰富等因素影响，振动基频难以确认，导致索力计算不准确。

针对上述问题，东方所基于多年的振动噪声测试与算法研究经验，提出了桥梁索力智能监测技术。

三、核心技术

东方所桥梁索力智能监测技术使用了东方所独创的两项核心技术，确保长期监测过程中的数据准确性和可靠性，这两项技术分别是

1.国际领先的精确索力计算处理算法

2.综合多种因素确定弦索的多阶优势频率和相应阶次算法

下面分别介绍这两项核心技术

核心技术1 － 索力精确计算算法

振动法测索力是通过测量索的自振频率来实现的，并且假设索的两端固定，不考虑索的抗弯刚度，其计算公式如下:

但是，对于实际中的拉索，其两端的边界条件并非完全的固支，也不是铰支，而是处于固支和铰支之间的某一种状态，因此上述公式就会产生计算误差。

抗弯刚度对索力计算有较大的影响，特别是短索，抗弯刚度的影响非常明显。即使是长索，若使用高阶频率计算索力时，抗弯刚度的影响也不可忽略

另外，对于有多股细索组合成的粗索时如果将多股细索看成一体化，将得到最大的抗弯刚度；将多股细索看成无任何粘接，将得到最小的抗弯刚度。而实际的抗弯刚度位于两者之间，这时实际的抗弯刚度是不能直接得到的，和两端的边界条件一样，也需进行识别。对于短索的情况，其误差尤为明显。

那么，如何准确识别实际桥梁上拉索两端的边界条件呢？索的抗弯刚度有多大影响呢？东方所给出了符合实际的力学模型，并提出了精确索力算法，开发了精确索力识别软件，有效地解决上述问题。

图1 东方所使用的索力数学模型(两端同时考虑固支约束和铰支约束)

假设两端为固支时，索的各阶自振频率与阶数成比例关系，但实际中的非固支状态时，各阶自振频率之间就没有这个规律了。东方所的精确算法同时利用了索的多阶固有频率，在这些看似没有规律的频率中，找出实际的规律，从而得到准确的索力，同时还可得到所的抗弯刚度等参数。

以下为实验室验证实例：

同济大学实验室中的某实验索，使用规格Φ15.4的镀锌钢绞线，钢绞线由7根高强钢丝拧成，该索的长度为 2.035 m，单位索重为 1.1 kg/m，通过振动法测量其各阶固有频率如下：

表1实验索的实测频率

阶数	1	2	3	4
频率/Hz	77.42	156.45	240.04	325.12

 使用传感器直接测量的方法，测量其索力为101.3kN，将该数据作为真实值，使用传统索力计算公式，假设其两端为固支，计算结果 109.2 kN；使用东方所的精确索力算法，计算结果为99.5 kN，传统算法的识别误差为7.8%，而精确算法的误差仅为1.8%。

表2精确算法与传统算法索力计算结果比较

计算方法	直接测量	常规算法	东方所精确算法
结果/kN	101.3	109.2	99.5
误差	0	7.8%	-1.8%

 

图2 使用东方所的精确算法计算结果

 核心技术2 － 自振频率智能定阶

无论使用传统算法还是精确算法，首先需要正确识别索的自振频率及其对应的阶数。有的时候，各频率对应的阶数一目了然，但有时却非常难以判别，尤其是振动微弱、干扰较大的情况下。在桥梁监测时，能否在无人参与的情况下智能识别频率阶数是索力能否正确识别的关键。

图3 振动频谱图上的频率阶数非常清晰

图4 振动频谱图上难以判定各频率阶数

东方所研究了频率的智能定阶技术，该方法同时读取频谱图上若干个最大主峰，为消除FFT的频率分辨率误差，使用了东方所独创的频率计技术计算各主峰的精确频率，然后寻找各主峰频率之间的内在关系，智能确定出各个主峰频率对应的阶数。

四、索力测试全面解决方案

对于桥梁索力智能监测技术的应用，东方所提供了丰富多样的解决方案。

1.功能完整的索力监测系统

东方所提供两种类型索力监测系统，第一类是基于B/S架构的云智慧监测系统，包含索力监测，也包含其它多种类型信号的监测，如振动、挠度、应变和温度等。第二类是基于C/S架构的远程或本地监测系统，内置固化东方所积累多年的工程经验。

对于B/S架构监测系统，提供了丰富在线实时监测功能：

l  功能完备的监测配置功能，管理员级别人员控制监测设备启停，测量分析时间长度设定，索力报警区间设定及索重、索长设定等

l  实时波形与频谱显示，自动主频识别

l  在线实时计算处理弦索振动信号，自动计算索力值，智能剔除无效计算结果

l  多通道列表/量值实时索力值显示，以及预设的超限报警

l  自动保存索力计算结果，可配置自动保存原始波形和频谱，方便后续进一步详细分析

图5  B/S架构监测系统中的索力智能监测

 C/S架构的索力监测使用的是基于东方所DASP软件扩展的远程或本地监测系统。监测系统根据事先设定好的配置，可实时进行振动信号频谱分析，利用其频谱结果智能识别出弦索的各阶固有频率及其相应的阶次，最终计算出索力值。系统不仅支持保存振动频谱结果和弦索计算结果信息，而且可以保存DASP软件采集的原始振动波形数据，为其他分析提供数据。

图6  C/S架构索力监测界面

系统还提供专业的离线后处理分析功能，主要包括：丰富多样的索力结果查询功能，例如原始振动波形数据下载，索力报警查询，索力监测结果历史趋势查询。数据报表功能可提供日报、周报、月报及年报等。另外还有更多功能强大的信号处理功能，主要包括时域分析，频谱分析，相关分析等等。

 2.桥梁索力智能监测仪

在东方所常规云智慧采集仪的基础上研发了专用桥梁索力智能监测仪，该仪器内置ARM嵌入式系统、DSP实时处理模块和24位高精度数据采集模块，自动完成桥梁索力的振动信号测量、信号预处理、智能定阶、精确计算等一系列处理，实时将索力结果通过4G等网络发送至互联网和云中心，是目前最精确、最高效、最方便的专用索力监测仪器。

 

图7 基于云系列INV3068采集仪的桥梁索力智能监测仪

基于云智慧系列采集仪设计开发的桥梁索力智能监测仪，不仅可以与东方所云智慧监测软件对接，也可以提供功能完备的通讯接口协议，支持与第三方服务对接。

 3.桥梁索力计算核心库

对于有特殊需求的用户，东方所也可以提供桥梁索力计算核心库，该计算库可提供功能完备的二次开发接口，丰富的API说明文档。