[发明专利]一种基于索形测量的精准斜拉索索力测试系统及方法

权利要求书

1.一种基于索形测量的精准斜拉索索力测试系统，其特征在于：包括拉索模型采集装置、拉索线形拟合系统和拉索索力计算系统；

所述拉索模型采集装置用来获取拉索的空间点云模型；

所述拉索线形拟合系统用于提取准确的拉索中心线；

所述索力计算系统用于计算拉索索力。

2.根据权利要求1所述一种基于索形测量的精准斜拉索索力测试系统，其特征在于：所述拉索模型采集装置为三维扫描仪。

3.根据权利要求1所述一种基于索形测量的精准斜拉索索力测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1模型采集：利用三维扫描仪捕获拉索的空间点云模型；

步骤2线形拟合：结合采集的模型，采用自动化的曲线圆形拉索的中心线快速提取算法，将空间点云转变为二维平面内的圆曲线拟合，提取准确的拉索中心线；

步骤3索力计算：利用斜拉索线形满足悬链线方程的特点，采用地面激光扫描精确获取拉索的空间曲线，由实测曲线直接计算拉索的索力。

4.根据权利要求3所述一种基于索形测量的精准斜拉索索力测试的方法，其特征在于，所述步骤2中线形拟合的具体流程为：结合采集模型，采用简单的多项式对拉索曲线进行初步拟合，确定拉索任意位置的切线向量，基于切线向量建立局部投影坐标系，将空间点云转变为二维平面内的圆曲线拟合，然后采用迭代方式逐步剔除点云中由于边缘飘逸产生的噪音，提取准确的拉索中心线；

采用多项式对采集到的拉索点云进行拟合，得到拉索的近似曲线；取多项式曲线上任意一点P(X，Y，Z)，以该点切向向量和法向平面建立局部坐标系；取P点临近区域微段点云，将其投影到局部坐标系xy平面上，得到拉索P点处圆心坐标估计所需要的点集{P}；以最小二乘法初步估计拉索截面圆曲线方程S，得到圆心半径R和圆心A坐标的初始值(x₀，y₀)，并执行迭代程序，精确估计点P处拉索的截面圆心坐标；

通过重复计算得到一系列拉索截面圆心坐标集{A}。

5.根据权利要求3所述一种基于索形测量的精准斜拉索索力测试的方法，其特征在于，所述步骤3中索力计算的具体流程为：在斜拉桥中，拉索悬挂在上下两个锚点之间，在拉索中任意截取一段AB作为研究对象，将坐标系原点建立在A点，设B点的坐标为(l,h)，在自重作用下，从AB中取一个微段进行受力分析，在x方向和y方向分别建立平衡方程，可以得到：

∑x＝0,H+dH-H＝0 (1)；

式中：q为拉索沿弧长方向每延米的自重，H为拉索的水平分力；

根据公式(1)得到，在整根拉索中，拉索的水平力处处相等，将代入公式(2)并化简得到：

将公式(3)进行两次积分，由边界条件x＝0,y＝0和x＝l,y＝h得到AB段的曲线方程：

其中：

式中：l为AB段水平跨度，h为AB段高程差；

对公式(4)求导，可得到拉索上任意位置的倾角，因此，拉索任意位置的张拉力可采用公式(5)计算得到；

F＝H/cosθ (5)；

式中：

由推导所得到的悬链线方程(公式(4))可以得知，拉索线形仅与水平张力H和拉索的线容重q有关，并且AB段可以是拉索中任意截取的一段；若拉索的真实索形能够被捕获，在给定拉索线容重q的条件下，拉索的水平力及张力能够被反解得到；在实际工程中，除锚固位置附近以外，假设斜拉索线形严格满足悬链线方程(公式(4))；通过点集{A}求解公式(4)中未知参数H是一个非线性的参数估计问题，参数估计模型可表达为公式(6)：

y＝f(x,H)+ε (6)；

该模型为非线性回归模型，直接解法不能适用；采用高斯—牛顿迭代算法求解该问题；首先，根据经验输入H的初始值H(0)，将公式(6)在H(0)处展开成泰勒级数，并只取第一阶展开式，得到公式(7)：

被估计的参数H应使残差的平方和最小，得到公式(8)：

将公式(7)带入公式(8)得到公式(9)：

式中：

通过泰勒展开后，将非线性回归模型转变为线性回归模型，将公式(9)对H求导并令其等于0，得到使残差平方和S(H)达到最小的H的估计值H(1)，将H(1)作为初始值H(0)重新代入到公式(10)中进行迭代直到收敛，求得H的最终估计值。