[发明专利]基于多阶模态振型拟合的索力光学测量方法及其测量系统

说明书

本发明公开了一种基于多阶模态振型拟合的索力光学测量方法及其测量系统。所述方法首先通过非接触光学相机捕获拉索全场图像，采用基于自适应灰度加权质心法得到各目标点的动态位移响应；然后通过模态参数识别CMIF法，得到拉索各阶的频率和相应的模态振型曲线；接着基于已求得各测点位置和相应振型幅值，对各阶实测模态振型函数曲线进行最小二乘非线性拟合(NLSF)，识别振型的无量纲参数；最终结合拉索单位长度质量、各阶频率推算拉索索力大小。本发明致力于实桥应用，利用图像的非接触全场测量优势，可以提取拉索多个测点的振动响应。

技术领域

本发明属于结构健康监测及测量领域，更具体地说，涉及一种基于多阶模态振型拟合的索力光学测量方法及其测量系统。

背景技术

作为斜拉桥、悬索桥、吊杆拱桥等重要受力构件的拉索，常由于较小的应力和应变变化，就会产生较大的位移，并导致其松弛和应力损失，正是由于这些特点，拉桥的索力检测在结构施工和使用阶段都具有较重要的意义。目前，在拉索索力测试中常用的方法有千斤顶压力表测定法、压力传感器测定法、磁通量测定法和振动频率法等。

传统振动频率法测量索力由于其设备可重复使用，而且其使用的仪器体积较小，便于携带，测定结果也较为准确，所以成为了应用最为广泛的索力测试方法。频率法一般运用经典弦振动理论，即不考虑拉索的自重和弯曲刚度，将其视作一根张紧的弦，此方法适用于较细长的拉索，但是对于较复杂的工况，比如弹性边界条件和中间多支承边界条件拉索以及抗弯刚度EI难以确定的索力求解，频率法无法满足工程精度的要求。

基于拉索模态振型的索力测量方法提供了一种新的思路，其回避了建立带有端部复杂边界的拉索分析模型建立以求解索力与频率关系的难题，从振型函数角度出发分析求解索力。模态振型法主要有两种思路。第一种思路从识别出来的拉索模态振型中提取多个测点的振幅，建立方程组求解索力。另一种思路是通过模态振型求解有效振动长度，又可分为局部有效长度和整体有效长度两类。局部有效长度又称半波法，其将3阶以上模态振型零幅度点间的距离作拉索计算长度代入到频率法索力计算式中，从而求得索力。

然而模态振型法测量索力目前还局限于实验室，在实际桥梁工程推广中遇到一些障碍，因为在一根拉索上的多个控制截面位置安装加速度传感器不仅成本巨大，人为安装十分困难，而且只监测五个测点误差巨大，一个测点出现误差就会导致索力识别失败，它是不具有实际工程应用价值的。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是针对现有桥梁拉索索力测量技术存在的不足，而提供一种基于多阶模态振型拟合的索力光学测量方法及其测量系统。

一种基于多阶模态振型拟合的索力光学测量方法，包括如下步骤：

S1、图像采集：将相机架设于桥面或桥下测点位置，调整相机镜头聚焦至目标拉索，继而拍摄拉索在环境振动或则人为激励下的运动图像序列并保存；

S2、多点定位与标定：基于直线检测算法提取拉索的图像边界，通过拉索两条边界直线的数学表达式，得到测点位置附近的拉索宽度所占据的像素数量，根据公式

s＝Q/qi (1)

计算各测点的放大系数，其中s为图像像素位移换算至实际位移的放大系数，Q为拉索直径实际值，qi为第i测点位置对应的像素直径；

S3、多点位移提取：采用基于自适应阈值的灰度加权质心法，在测点附近选取兴趣计算区域，进行该区域的位移响应计算，最后提取多个测点的位移响应数据；基于S2中各测点的放大系数，将各个测点像素位移响应数据换算成实际位移；

S4、模态参数识别：基于实际振动响应数据，通过模态参数识别CMIF法，得到拉索各阶的频率和相应的振型曲线，并从振型曲线有序均匀提取多个测试点处的振型幅值；