本發明屬于工程，涉及剛性桿軸力識別方法，具體地說是涉及剛性桿修正邊界系數的頻率法軸力識別方法。

背景技術：

1、梁和大跨空間結構中，剛性桿作為重要的受力構件，其安全性能將決定整個結構的安全。剛性桿多用鋼管或型鋼制成，一般情況下承受拉力，但在活載作用下也可能部分出現壓力；眾所周知，鋼材具有良好的抗拉、抗壓性能，但對于受壓桿件，如果設計不當，可能出現整體失穩或局部失穩。因此，在進行橋梁荷載測試時，采用適當的技術方法來評估受壓構件的穩定性和安全系數是至關重要的，特別是要準確識別橋梁中吊桿所承受的軸力。而識別剛性桿軸力是確保索桿體系橋梁結構安全、穩定的關鍵環節。工程和科研中采用不同的技術手段對軸力進行測量，目前，軸力的測試方法主要有液壓表法、壓力傳感器法、磁通量法及頻率法等。千斤頂油壓表讀數法和壓力傳感器法僅適用于施工階段的軸力監測；而采用磁通量法對運營中的橋梁進行軸力測試時，需要現場安裝磁通量傳感器，操作復雜不適合大規模的軸力測試。頻率法能夠靈活運用于橋梁各階段的軸力檢測，操作便捷且精度較高，目前絕大多數工程都采用頻率法對橋梁進行軸力檢測。

2、通過剛性桿頻率計算軸力的方法主要可以分為模型方法（有限元模型、理論模型）和公式計算方法。模型方法可以較好地考慮剛性桿的邊界條件、中間支撐等，但是此類方法一般需要進行計算機編程。

3、公式計算方法需要建立軸力和邊界系數間的顯式關系，是通過剛性桿的振動微分方程建立頻率特征方程，根據邊界條件求解該方程。當剛性桿邊界為兩端鉸接時，可以得到軸力與頻率的顯示表達式，而剛性桿邊界條件取兩端固結或固結-鉸接時，得到的頻率方程為超越方程，難以得到軸力與頻率的顯式表達式。針對該問題，龔玲玲結合振動頻率法和有限元法的基本原理，確定了壓桿軸力與頻率的關系。艾永珍根據桿件的軸力與自振頻率的對應關系，編制了相應的matlab優化計算程序，將實測頻率代入程序可以得到軸力及邊界剛度。

4、在索桿體系橋梁中，壓桿也是一種常見的結構構件。對于存在受壓區域的桿件，如果處理不當，可能會導致整體或局部失穩，這將帶來嚴重的后果。而目前，頻率法的研究主要集中在受拉的索桿上，而將這種思路應用于壓桿軸力識別的研究卻相對較少。因此，如何簡易測試獲取剛性桿的軸力成為關鍵問題。

技術實現思路

1、針對剛性桿修正邊界系數的頻率法軸力識別問題，本發明提出一種剛性桿修正邊界系數的頻率法軸力識別方法。

2、本發明所述一種剛性桿修正邊界系數的頻率法軸力識別方法，步驟如下：

3、（1）根據工程資料，得到剛性桿是壓桿還是拉桿，并獲得剛性桿的相關參數：剛性桿線密度m、剛性桿長度l、剛性桿抗彎剛度ei；

4、（2）通過振動傳感器現場采集剛性桿的振動信號，分析得到剛性桿的頻率；

5、3）根據剛性桿是壓桿還是拉桿和邊界條件選擇相應的方法計算剛性桿的軸力；

6、a)?對固結剛性桿，采用如下方法計算軸力：

7、

8、

9、

10、其中，tij是使用i階和j階頻率按邊界系數法計算得到的軸力，t123、t234分別是使用1、2和3階頻率計算所得的修正軸力、使用2、3和4階頻率計算所得的修正軸力，為剛性桿的識別軸力，fi、fj為第i階和j階自振頻率，ξ為相對抗彎剛度，剛性壓桿軸力計算時，用ξ<0的計算公式，剛性拉桿軸力計算時，用ξ>0的計算公式；

11、b)對固結-鉸接剛性桿，采用如下方法計算軸力：

12、

13、

14、

15、

16、（4）驗算剛性桿的相對抗彎剛度ξ：

17、

18、當剛性拉桿的ξ>6.9時，本方法的公式不適用，采用既有文獻中的相關方法進行計算；當-2≤ξ≤2范圍時，桿件的軸力較小，雖然計算的軸力相對誤差會超過22%，但是絕對誤差并不大，公式計算結果也適用。

19、具體的，步驟（2）中，只需要布置一個振動傳感器測點，振動傳感器采用加速度傳感器、速度傳感器或位移傳感器。

20、具體的，步驟（2）中，只需要布置一個振動傳感器測點，振動傳感器采用加速度傳感器、速度傳感器和位移傳感器。

21、具體的，步驟（2）中，振動信號采用峰值法、功率譜法、隨機子空間法、隨機減量法中的一種，識別拉索的頻率，至少識別前3階頻率。

22、具體的，步驟（2）中，拉索的多階頻率為平面內振動頻率或平面外振動頻率。

23、本發明的有益效果在于：本發明以剛性桿為研究對象，提出了剛性桿基于修正邊界系數的軸力識別實用方法，本發明從頻率法和邊界系數兩個方面入手，在已知剛性桿剛度和多階自振頻率的情況下，利用線性回歸的方法求得基于修正邊界系數的軸力計算公式，建立了形式簡單、物理意義明確的軸力公式，提供了軸力和邊界系數的顯式關系。通過算例和工程實例對方法進行了驗證，方法軸力計算準確，為剛性桿的軸力（拉力或者壓力）識別提供了一種實用的新方法。

技術特征：

1.一種剛性桿修正邊界系數的頻率法軸力識別方法，其特征在于包括如下步驟：

2.其中，tij是使用i階和j階頻率按邊界系數法計算得到的軸力，t123、t234分別是使用1、2和3階頻率計算所得的修正軸力、使用2、3和4階頻率計算所得的修正軸力，為剛性桿的識別軸力，fi、fj為第i階和j階自振頻率，ξ為相對抗彎剛度，剛性壓桿軸力計算時，用ξ<0的計算公式，剛性拉桿軸力計算時，用ξ>0的計算公式；

3.根據權利要求1所述剛性桿修正邊界系數的頻率法軸力識別方法，其特征在于：步驟（2）中，只需要布置一個振動傳感器測點，振動傳感器采用加速度傳感器、速度傳感器或位移傳感器。

4.根據權利要求1所述剛性剛性桿修正邊界系數的頻率法軸力識別方法，其特征在于：步驟（2）中，振動信號采用峰值法、功率譜法、隨機子空間法、隨機減量法中的一種，識別拉索的頻率，至少識別前3階頻率。

5.根據權利要求2所述剛性桿修正邊界系數的頻率法軸力識別方法，其特征在于：拉索的多階頻率為平面內振動頻率或平面外振動頻率。

技術總結
本發明公開了一種剛性桿修正邊界系數的頻率法軸力識別方法。步驟如下：（1）根據工程資料，得到剛性桿是壓桿還是拉桿，并獲得剛性桿的相關參數：剛性桿線密度m、剛性桿長度L、剛性桿抗彎剛度EI；（2）通過振動傳感器現場采集剛性桿的振動信號，分析得到剛性桿的多階頻率；（3）根據剛性桿是壓桿還是拉桿，和邊界條件選擇相應的方法計算剛性桿的軸力；（4）驗算剛性桿的相對抗彎剛度ξ，評價剛性桿軸力識別精度。本發明方法通過修正邊界系數的頻率法，建立了剛性拉桿和壓桿軸力識別的統一計算方法，方法易于使用，具有良好的精度，為剛性桿的軸力識別提供了一種實用的新方法。

技術研發人員：唐盛華,張鏝,張學兵,秦付倩,郭寶峰,蔡祎璞,陽騰,蔣嘉明,張嘉鑫
受保護的技術使用者：湘潭大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28