專利名稱：塔式結(jié)構(gòu)剛度的快速識(shí)別方法及檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種塔式結(jié)構(gòu)剛度的識(shí)別和檢測(cè)技術(shù)，尤其是一種能在現(xiàn)場(chǎng)快速進(jìn)行塔式結(jié)構(gòu)剛度識(shí)別的技術(shù)，具體地說(shuō)是一種塔式結(jié)構(gòu)剛度的快速識(shí)別方法及檢測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
眾所周知，塔式結(jié)構(gòu)按材料分主要有鋼塔、鋼筋混凝土塔、預(yù)應(yīng)力混凝土塔、木塔和磚石塔。從結(jié)構(gòu)形式來(lái)分有1)獨(dú)塔，如1889年3月建成的高達(dá)300米的埃菲爾鐵塔便是一座具有無(wú)窮魅力的，最輝煌的獨(dú)塔建筑，它以高超的先進(jìn)技術(shù)開創(chuàng)了現(xiàn)代塔式結(jié)構(gòu)的先河；2)頂部受約束的塔，如高壓電塔頂端的輸電線對(duì)電塔頂部的約束，電力線架空后的張力均要電塔承擔(dān)；3)多約束塔，如懸索橋的主塔不僅頂部受到主纜順橋向的約束，而且與主梁連接的部位還受到主梁的約束。
我國(guó)的現(xiàn)代大型塔式結(jié)構(gòu)建設(shè)起步較晚，最早的大型鋼塔是200m廣州電視塔(1965年)和210m上海電視塔(1973年)。80年代以后，西安、北京、天津、南京相繼建成了200～400多米的鋼筋混凝土電視塔，其中上海東方明珠電視塔(1994年)高達(dá)468米。近年來(lái)我國(guó)交通事業(yè)的飛速發(fā)展則帶來(lái)了橋梁建設(shè)的熱潮。在特大橋的建設(shè)中，懸索橋以其受力性能好，跨越能力大，輕型美觀、抗震能力好，而成為跨越大江大河、海峽港灣等交通障礙的首選橋型，其中泰州大橋則是世界第一座連續(xù)雙主跨超千米的懸索橋，其中塔為高194米的鋼塔，邊塔為高178米的混凝土塔。
在風(fēng)化、冰凍、有害物質(zhì)侵蝕等等環(huán)境條件下再受往復(fù)風(fēng)荷載的影響，塔式結(jié)構(gòu)受力在最大壓力和拉力之間變化，這些力引起的微小裂縫會(huì)加速結(jié)構(gòu)的損傷并導(dǎo)致塔式抗彎剛度下降，從而縮短塔式結(jié)構(gòu)的使用壽命?，F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)抗彎剛度識(shí)別方法基本思路是先在結(jié)構(gòu)上布置多個(gè)傳感器，分析出結(jié)構(gòu)固有頻率、阻尼比、振型等動(dòng)力特性參數(shù)，同時(shí)建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，然后，在所建立的初始有限元模型和識(shí)別的實(shí)際橋梁動(dòng)力特性參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用模型修正的方法，得到該結(jié)構(gòu)修正的有限元模型，最后認(rèn)為修正后的有限元模型中的結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括剛度參數(shù)在內(nèi))代表了結(jié)構(gòu)的真實(shí)物理特性。該方法需要布置多個(gè)傳感器，測(cè)試復(fù)雜，而且要多次根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)修正模型，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)并不實(shí)用。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)目前已建成獨(dú)塔和多約束塔式結(jié)構(gòu)剛度現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)手段匱乏，發(fā)明一種檢測(cè)效果好、使用范圍廣泛、實(shí)施方便的塔式結(jié)構(gòu)剛度的快速識(shí)別方法及檢測(cè)系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案之一是 一種塔式結(jié)構(gòu)剛度的快速識(shí)別方法，其特征是它包括以下步驟 第一步在被檢測(cè)結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個(gè)采集數(shù)據(jù)的傳感器； 第二步利用設(shè)置的傳感器采集被測(cè)結(jié)構(gòu)環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)，并進(jìn)行傅里葉變換即FFT分析，得到結(jié)構(gòu)的自振基頻ω1,0； 第三步將塔式結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)自振基頻ω1,0、被測(cè)結(jié)構(gòu)的材料性能參數(shù)(重力密度γ、泊松比μ、幾何尺寸、塔頂附加質(zhì)量M以及塔身約束條件輸入以下公式，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行變換并計(jì)算出塔式結(jié)構(gòu)的抗彎剛度EI(z)和G，為被測(cè)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)提供計(jì)算所需的依據(jù) 對(duì)于獨(dú)塔結(jié)構(gòu) 其中 對(duì)于頂部受到線纜約束的塔式結(jié)構(gòu) 對(duì)于塔頂和塔身均受約束的塔式結(jié)構(gòu)，假設(shè)塔身距離塔底z1處受到的彈性約束剛度為k2 式中E為被測(cè)結(jié)構(gòu)的彈性模量，G為被測(cè)結(jié)構(gòu)的剪切剛度，

μ為材料的泊松比，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)塔μ即為鋼的泊松比，對(duì)于鋼筋混凝土塔μ即為混凝土的泊松比，r為被測(cè)結(jié)構(gòu)的重量密度，g為重力加速度，1/k′為剪切應(yīng)力的分布系數(shù)，對(duì)于矩形截面k′＝5/6，對(duì)于圓形截面k′＝9/10，A(z)為距離塔底z處的塔身截面面積，l為塔高。
本發(fā)明的技術(shù)方案之二是 一種塔式結(jié)構(gòu)剛度的快速識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是它由測(cè)試單元1和主機(jī)分析單元2構(gòu)成，測(cè)試單元1的信號(hào)輸出端與主機(jī)分析單元2的信號(hào)輸入端連接，主機(jī)分析單元2對(duì)測(cè)試單元1測(cè)量到的信號(hào)進(jìn)行處理；測(cè)試單元1包括傳感器2、抗混濾波放大器3和A/D轉(zhuǎn)換器4，傳感器2的信號(hào)輸出端與抗混濾波器3的信號(hào)輸入端相連，對(duì)傳感器2采集到的信號(hào)進(jìn)行放大濾波，抗混濾波放大器3的信號(hào)輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器4的信號(hào)輸入端相連，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器4的信號(hào)輸出端通過(guò)USB接口5與筆記本電腦相連，將經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器4轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)街鳈C(jī)分析單元2中；主機(jī)分析單元2包括數(shù)據(jù)接收模塊6、FFT分析模塊7、彎曲剛度識(shí)別模塊8、慣性矩輸入模塊9、剪切剛度計(jì)算模塊10和顯示存儲(chǔ)模塊11，主機(jī)分析單元2通過(guò)USB接口數(shù)據(jù)接收模塊6接收筆記本電腦的數(shù)據(jù)，接收的數(shù)據(jù)送入FFT分析模塊7進(jìn)行FFT分析，得到加載前后結(jié)構(gòu)的振動(dòng)基頻，彎曲剛度識(shí)別模塊8根據(jù)FFT分析模塊7分析計(jì)算所得的基頻和慣性矩輸入模塊9輸入的參數(shù)送入剪切剛度計(jì)算模塊10中計(jì)算出地基的約束剛度，得到結(jié)果通過(guò)顯示與存儲(chǔ)模塊11顯示并保存數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的有益效果 1、本發(fā)明首次建立了一種僅需測(cè)得塔式結(jié)構(gòu)的自振基頻即可識(shí)別出其任一截面抗彎剛度和抗剪剛度的的動(dòng)態(tài)測(cè)量評(píng)估技術(shù)，并研制了適用于現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)和識(shí)別地基約束能力的測(cè)試系統(tǒng)，用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理方法，結(jié)合柔性的模塊化的虛擬一起技術(shù)為塔式結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)提供方便實(shí)用的手段； 2、本發(fā)明具有較高的運(yùn)算精度，其中頻率分析精度可達(dá)1％，彎曲剛度和剪切剛度識(shí)別精度能達(dá)3％； 3、本發(fā)明性能可靠，使用方便，且具有很高的精度，適用于多種約束條件、不同材質(zhì)的塔式結(jié)構(gòu)。



圖1是本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
實(shí)施例一。
一種塔式結(jié)構(gòu)剛度的快速識(shí)別方法，它包括以下步驟 第一步在被檢測(cè)結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個(gè)采集數(shù)據(jù)的傳感器； 第二步利用設(shè)置的傳感器采集被測(cè)結(jié)構(gòu)環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)，并進(jìn)行傅里葉變換即FFT分析，得到結(jié)構(gòu)的自振基頻ω1,0，可采用現(xiàn)有常規(guī)技術(shù)加以分析計(jì)算； 第三步將塔式結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)自振基頻ω1,0、被測(cè)結(jié)構(gòu)的材料性能參數(shù)(重力密度γ、泊松比μ、幾何尺寸、塔頂附加質(zhì)量M以及塔身約束條件輸入以下公式，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行變換并計(jì)算出塔式結(jié)構(gòu)的抗彎剛度EI(z)和G，并在計(jì)算機(jī)顯示屏上進(jìn)行顯示，為被測(cè)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)提供計(jì)算所需的依據(jù)； 對(duì)于不同的塔式結(jié)構(gòu)有不同的分析計(jì)算方法 對(duì)于獨(dú)塔結(jié)構(gòu) 其中 對(duì)于頂部受到線纜約束的塔式結(jié)構(gòu) 對(duì)于塔頂和塔身均受約束的塔式結(jié)構(gòu)，假設(shè)塔身距離塔底z1處受到的彈性約束剛度為k2 式中E為被測(cè)結(jié)構(gòu)的彈性模量，G為被測(cè)結(jié)構(gòu)的剪切剛度，

μ為材料的泊松比，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)塔μ即為鋼的泊松比，對(duì)于鋼筋混凝土塔μ即為混凝土的泊松比，r為被測(cè)結(jié)構(gòu)的重量密度，g為重力加速度，1/k′為剪切應(yīng)力的分布系數(shù)，對(duì)于矩形截面k′＝5/6，對(duì)于圓形截面k′＝9/10，A(z)為距離塔底z處的塔身截面面積，l為塔高。
將已知的各種參數(shù)和測(cè)得的經(jīng)過(guò)付里葉變換的基頻值輸入根據(jù)上述公式預(yù)選編制中的計(jì)算軟件中即可得出被測(cè)結(jié)構(gòu)的彈性模量E和剪切剛度G，各個(gè)截面的慣性矩I(z)可以通過(guò)塔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙上的幾何尺寸計(jì)算而得，也可在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)幾何尺寸計(jì)算，進(jìn)而就可求出任一截面的彎曲剛度EI(z)。大橋管理部門可根據(jù)識(shí)別出來(lái)的剛度值和初始設(shè)計(jì)值相比，是不是下降很多，以及是否在設(shè)定范圍之內(nèi)，以作出安全性判斷。因此本發(fā)明解決了快速、現(xiàn)場(chǎng)判斷的依據(jù)問題，具有非常實(shí)用的意義。
實(shí)施例二。
如圖1所示。
一種塔式結(jié)構(gòu)剛度的快速識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)，它由測(cè)試單元1和主機(jī)分析單元2構(gòu)成，如圖1，測(cè)試單元1的信號(hào)輸出端與主機(jī)分析單元2的信號(hào)輸入端連接，主機(jī)分析單元2對(duì)測(cè)試單元1測(cè)量到的信號(hào)進(jìn)行處理；測(cè)試單元1包括傳感器2(可以是加速度傳感器或者是速度傳感器或者位移傳感器，只要求能測(cè)出塔式結(jié)構(gòu)的第一階頻率，通常大型結(jié)構(gòu)1階頻率很低，所以要求傳感器低階頻率特性好，可采用超低頻ICP傳感器)、抗混濾波放大器(可采用集成電路或教科書中常用的抗混濾波放大電路加以實(shí)現(xiàn))3和A/D轉(zhuǎn)換器4(也可采用集成電路或教科書中常用的抗混濾波放大電路加以實(shí)現(xiàn))，傳感器2的信號(hào)輸出端與抗混濾波器3的信號(hào)輸入端相連，對(duì)傳感器2采集到的信號(hào)進(jìn)行放大濾波，抗混濾波放大器3的信號(hào)輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器4的信號(hào)輸入端相連，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器4的信號(hào)輸出端通過(guò)USB接口5與筆記本電腦相連，將經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器4轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)街鳈C(jī)分析單元2中；主機(jī)分析單元2包括數(shù)據(jù)接收模塊6(可采用USB接口電路)、FFT分析模塊7(可由集成塊及軟件構(gòu)成)、彎曲剛度識(shí)別模塊8(也可由集成塊及軟件構(gòu)成)、慣性矩輸入模塊9、剪切剛度計(jì)算模塊10(同樣也可由集成塊及軟件構(gòu)成)和顯示存儲(chǔ)模塊11，主機(jī)分析單元2通過(guò)USB接口數(shù)據(jù)接收模塊6接收筆記本電腦的數(shù)據(jù)，接收的數(shù)據(jù)送入FFT分析模塊7進(jìn)行FFT分析，得到加載前后結(jié)構(gòu)的振動(dòng)基頻，彎曲剛度識(shí)別模塊8根據(jù)FFT分析模塊7分析計(jì)算所得的基頻和慣性矩輸入模塊9輸入的參數(shù)送入剪切剛度計(jì)算模塊10中計(jì)算出地基的約束剛度，得到結(jié)果通過(guò)顯示與存儲(chǔ)模塊11顯示并保存數(shù)據(jù)。
本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種塔式結(jié)構(gòu)剛度的快速識(shí)別方法，其特征是它包括以下步驟
第一步在被檢測(cè)結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個(gè)采集數(shù)據(jù)的傳感器；
第二步利用設(shè)置的傳感器采集被測(cè)結(jié)構(gòu)環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)，并進(jìn)行傅里葉變換即FFT分析，得到結(jié)構(gòu)的自振基頻ω1，0；
第三步將塔式結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)自振基頻ω1，0、被測(cè)結(jié)構(gòu)的材料性能參數(shù)(重力密度γ、泊松比μ、幾何尺寸、塔頂附加質(zhì)量M以及塔身約束條件輸入以下公式，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行變換并計(jì)算出塔式結(jié)構(gòu)的抗彎剛度EI(z)，為被測(cè)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)提供計(jì)算所需的依據(jù)
對(duì)于獨(dú)塔結(jié)構(gòu)
其中
對(duì)于頂部受到線纜約束的塔式結(jié)構(gòu)，假設(shè)線纜約束剛度為k1
對(duì)于塔頂和塔身均受約束的塔式結(jié)構(gòu)，假設(shè)塔身距離塔底z1處受到的彈性約束剛度為k2
式中E為被測(cè)結(jié)構(gòu)的彈性模量，將它乘以任一高度截面的慣性矩I(z)即為抗彎剛度，G為被測(cè)結(jié)構(gòu)的剪切剛度，
μ為材料的泊松比，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)塔μ即為鋼的泊松比，對(duì)于鋼筋混凝土塔μ即為混凝土的泊松比，r為被測(cè)結(jié)構(gòu)的重量密度，g為重力加速度，1/k′為剪切應(yīng)力的分布系數(shù)，對(duì)于矩形截面k′＝5/6，對(duì)于圓形截面k′＝9/10，A(z)為距離塔底z處的塔身截面面積，l為塔高。
2.一種塔式結(jié)構(gòu)剛度的快速識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是它由測(cè)試單元(1)和主機(jī)分析單元(2)構(gòu)成，測(cè)試單元(1)的信號(hào)輸出端與主機(jī)分析單元(2)的信號(hào)輸入端連接，主機(jī)分析單元(2)對(duì)測(cè)試單元(1)測(cè)量到的信號(hào)進(jìn)行處理；測(cè)試單元(1)包括傳感器(2)、抗混濾波放大器(3)和A/D轉(zhuǎn)換器(4)，傳感器(2)的信號(hào)輸出端與抗混濾波器(3)的信號(hào)輸入端相連，對(duì)傳感器(2)采集到的信號(hào)進(jìn)行放大濾波，抗混濾波放大器(3)的信號(hào)輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器(4)的信號(hào)輸入端相連，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器(4)的信號(hào)輸出端通過(guò)USB接口(5)與筆記本電腦相連，將經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器(4)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)街鳈C(jī)分析單元(2)中；主機(jī)分析單元(2)包括數(shù)據(jù)接收模塊(6)、FFT分析模塊(7)、彎曲剛度識(shí)別模塊(8)、慣性矩輸入模塊(9)、剪切剛度計(jì)算模塊(10)和顯示存儲(chǔ)模塊(11)，主機(jī)分析單元(2)通過(guò)USB接口數(shù)據(jù)接收模塊(6)接收筆記本電腦的數(shù)據(jù)，接收的數(shù)據(jù)送入FFT分析模塊(7)進(jìn)行FFT分析，得到加載前后結(jié)構(gòu)的振動(dòng)基頻，彎曲剛度識(shí)別模塊(8)根據(jù)FFT分析模塊(7)分析計(jì)算所得的基頻和慣性矩輸入模塊(9)輸入的參數(shù)送入剪切剛度計(jì)算模塊(10)中計(jì)算出地基的約束剛度，得到結(jié)果通過(guò)顯示與存儲(chǔ)模塊(11)顯示并保存數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種塔式結(jié)構(gòu)剛度的快速識(shí)別方法及檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是首先在被檢測(cè)結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個(gè)采集數(shù)據(jù)的傳感器；然后利用設(shè)置的傳感器采集被測(cè)結(jié)構(gòu)環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)，并進(jìn)行傅里葉變換即FFT分析，得到結(jié)構(gòu)的自振基頻ω1，0；最后將塔式結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)自振基頻ω1，0、被測(cè)結(jié)構(gòu)的材料性能參數(shù)(重力密度γ、泊松比μ、幾何尺寸、塔頂附加質(zhì)量M以及塔身約束條件輸入計(jì)算機(jī)中預(yù)先編制中的計(jì)算機(jī)程序中，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行變換并計(jì)算出塔式結(jié)構(gòu)的抗彎剛度EI(z)和抗剪剛度G，為被測(cè)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)提供計(jì)算所需的依據(jù)。本發(fā)明僅需檢測(cè)塔式結(jié)構(gòu)的自振基頻即可識(shí)別出其任一截面抗彎剛度和抗剪剛度的動(dòng)態(tài)值，具有簡(jiǎn)單，快捷，易行的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01M99/00GK101701882SQ20091021264
公開日2010年5月5日 申請(qǐng)日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者王俊, 劉偉慶, 鐘建馳, 吉林, 馮兆祥, 陳策, 阮靜, 蔣波 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué), 江蘇省長(zhǎng)江公路大橋建設(shè)指揮部