大學生創(chuàng)新訓練項目申請書
項目編號 s201910536007
項目名稱
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項目負責人 王濤 聯(lián)系電話 17307402108
所在學院 土木工程學院
學 號 201608020632 專業(yè)班級 土木工程（城軌）1601
指導教師 彭濤
E-mail 3487889498@qq.com
申請日期 2019年4月30日
起止年月 2019年 05月至 2021年05月
長沙理工大學
填 寫 說 明
1、本申請書所列各項內(nèi)容均須實事求是，認真填寫，表達明確嚴謹，簡明扼要
2、申請人可以是個人，也可為創(chuàng)新團隊，首頁只填負責人?！绊椖烤幪枴币粰诓惶睢?/span>
3、本申請書為大16開本（A4），左側(cè)裝訂成冊。可網(wǎng)上下載、自行復印或加頁，但格式、內(nèi)容、大小均須與原件一致。
4、負責人所在學院認真審核, 經(jīng)初評和答辯，簽署意見后，將申請書（一式兩份）報送××××大學項目管理辦公室。
一、
基本情況
項目
名稱
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基于頻率法的剛性吊桿拉力測試實驗研究
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所屬
學科
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學科一級門：
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工學
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學科二級類：
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土木類
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申請
金額
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20000 元
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起止年月
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2019年 05月至 2021年05月
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負責人
姓名
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王濤
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性別
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男
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民族
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漢
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出生年月
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1998年 08月
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學號
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201608020632
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聯(lián)系
電話
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宅：17307402108 手機: 17307402108
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指導
教師
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彭濤
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聯(lián)系
電話
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宅：13378918186 手機: 13378918186
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負責人曾經(jīng)參與科研的情況
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項目負責人王濤學習努力，成績優(yōu)異，勤于思考，樂于科研，每年都獲得學校獎學金；擁有較好的數(shù)學、力學基礎(chǔ)，動手能力較強，積極參加各項科研和競賽活動，獲得過“第十四屆湖南省大學生力學競賽”一等獎；前期對基于頻率法的吊桿拉力測試理論與實驗方面都進行了較充分的準備。
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指導教師承擔科研課題情況
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彭濤老師一直從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析、橋梁結(jié)構(gòu)檢測與健康監(jiān)測、橋梁施工控制等方面的教學和科研工作，參加過國家自然科學基金和湖南省科技重大專項等多個縱向科研項目，作為技術(shù)負責人參與多個重大橋梁工程的科研工作，獲湖南省2011年度科技進步一等獎（排名第4）。
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指導教師對本項目的支持情況
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指導教師前期參加過多座大橋的吊桿拉力測試，對一般索、梁結(jié)構(gòu)的振動特性和模態(tài)參數(shù)識別方面有較豐富的經(jīng)驗；前期對東平大橋不同長細比的剛性吊桿進行了振動測試，為項目研究積累了大量實測數(shù)據(jù)；指導老師在理論分析、數(shù)值仿真和實驗測試方面都能夠為本項目提供支持。
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項
目
組
主
要
成
員
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姓 名
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學號
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專業(yè)班級
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所在學院
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項目中的分工
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蔣林
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201608020306
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城軌1601
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土木工程學院
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實驗測試
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蘭川云
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201608020603
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城軌1601
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土木工程學院
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理論分析，數(shù)值仿真
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張苗
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201608020601
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城軌1601
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土木工程學院
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實驗測試
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李淼
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201608020405
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城軌1602
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土木工程學院
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理論分析，數(shù)值仿真
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二、 立項依據(jù)（可加頁）
（一） 項目簡介
剛性吊桿作為一種常用吊桿形式，近年來在鋼拱橋中得到廣泛應用?，F(xiàn)有的頻率法測拉力的理論基礎(chǔ)是基于弦振動理論，由于忽略了抗彎剛度和剪切變形等因素的影響,該法目前不適用于剛性吊桿的拉力測試。本項目擬開展剛性吊桿拉力測試實驗研究，建立能夠考慮抗彎剛度、各種邊界條件和剪切變形等影響的剛性吊桿拉力與頻率之間的精確對應關(guān)系，以期得到剛性吊桿拉力測試的適用計算方法，通過頻率測試準確、高效的識別出剛性吊桿的拉力。
（二） 研究目的
剛性吊桿作為一種常用吊桿形式，近年來在大跨度鋼箱拱和鋼桁架拱橋中得到廣泛應用，國內(nèi)采用剛性吊桿的典型拱橋有佛山東平大橋、重慶宜萬鐵路萬州長江大橋、南京大勝關(guān)長江大橋、江西九江長江大橋（見圖1）等。與采用高強度鋼絲或鋼絞線的柔性吊桿結(jié)構(gòu)相比，剛性吊桿的幾何、物理特性有明顯的差別，剛性吊桿的線密度、軸向和彎曲剛度較大；剛性吊桿邊界條件復雜，且振動頻率對邊界條件非常敏感；而且由于抗風的需要，剛性吊桿上一般都留有抗風的孔洞。這就決定了剛性吊桿的動力學特性與柔性吊桿結(jié)構(gòu)有著顯著的差異。
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(a)佛山東平大橋
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(b)重慶宜萬鐵路萬州長江大橋
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(c)南京大勝關(guān)長江大橋
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(d)江西九江長江大橋
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圖1 國內(nèi)幾座采用剛性吊桿的典型拱橋
頻率法測拉力是目前吊桿拉力測定中應用最廣泛的方法，其原理是首先通過振動測試,識別出索的自振頻率，由于拉力與其振動頻率之間存在著特定的關(guān)系，拉力可由頻率換算而間接得到?，F(xiàn)有的頻率法測拉力的理論基礎(chǔ)是基于弦振動理論，常將拉索或吊桿理想化為張緊的弦,但是由于忽略了抗彎剛度和剪切變形等因素的影響,現(xiàn)有的頻率法很難適用于剛性吊桿的拉力測試。因此，開展剛性吊桿拉力測試實驗研究，建立能夠考慮剛性吊桿抗彎剛度及其單位長度質(zhì)量、復雜邊界條件、剪切變形、吊桿孔洞影響的剛性吊桿拉力與頻率之間的精確對應關(guān)系，由此得出適用于剛性吊桿拉力測試的計算公式,解決剛性吊桿拉力測試的難題。
（三） 研究內(nèi)容
基于前期研究的積累，申請者將本次項目研究的主要內(nèi)容分為兩個部分：理論機理研究與實驗研究。
理論機理研究：
①針對剛性吊桿的振動特點，分別從Euler-Bernoulli梁和Timoshenko梁理論出發(fā)，建立剛性吊桿的振動微分方程，并進行理論推導和求解得到頻率和拉力之間的實用計算公式或編制程序進行數(shù)值求解；
②分析不同長細比的剛性吊桿的抗彎剛度、附加質(zhì)量、剪切變形對拉力測試結(jié)果的影響；
③運用有限元法，建立剛性吊桿的實體或板殼模型，得到吊桿振動頻率和拉力間的對應關(guān)系，并與解析法得到的結(jié)果和實驗結(jié)果進行對比分析，研究不同長細比條件下，各計算公式的精度與適用范圍。
實驗研究：
①分別制作三組不同長細比的腹板開孔和不開孔的H型剛性吊桿（吊桿橫截面相同，三組剛性吊桿長度分別為2m、3.5m、5m，初步擬定的剛性吊桿截面如圖2所示）；
②通過開發(fā)的實驗裝置，分別對各剛性吊桿進行兩級加載，并利用振動測試系統(tǒng)對其空載和加載狀態(tài)下的振動特性進行測試，得到實測振動頻率，實驗裝置如圖2所示；
③利用實驗系統(tǒng)中的壓力傳感器測得的力值加上實測的部分實驗裝置自重，得到剛性吊桿上的實測拉力值，并利用百分表測得的位移對實測拉力值進行校核和驗證。
④對實測和理論計算數(shù)據(jù)進行對比分析，研究不同長細比條件下，各計算公式的精度與適用范圍。
圖2 實驗裝置和剛性吊桿模型截面示意圖（單位：mm）
（四） 國、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)
目前，國內(nèi)外常用的吊桿索力（或拉力）測試方法主要有壓力傳感器法、液壓千斤頂法、頻率法、磁通量法、量測應變法等幾種。
（1）壓力傳感器法。該法是將壓力傳感器安裝在吊桿的錨固端或張拉端，通過傳感器感應錨頭的壓力來測量索的拉力。這種方法適用于在施工過程中預先埋設(shè)了傳感器的吊桿。從理論上講，壓力傳感器法精度較高，但是，由于測試的每根吊桿下都要一次性埋設(shè)傳感器，成本較高。而且該方法只適合于柔性吊桿，難以應用于剛性吊桿。
（2）液壓千斤頂法。該法是利用千斤頂?shù)膹埨透字械淖x數(shù)和張拉力的關(guān)系，通過測得精密壓力表或液壓傳感器測定油缸的液壓讀數(shù)，就可求得張力。這種方法簡單易行，是施工中測試索力最實用的方法。但是這種方法只適用于施工階段索力的測試，不適用于成橋以后的索力測試，一般在工程中只是作為監(jiān)測索力的輔助手段。且該法只適合于需要張拉的柔性索或吊桿，不適合于不需要張拉的剛性吊桿。
（3）頻率法。該法是根據(jù)吊桿拉力和振動頻率之間的關(guān)系求得索力。通常用精密的拾振器，以環(huán)境振動或者強迫激勵吊桿，傳感器記錄下時程數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波、放大和頻譜分析，根據(jù)頻譜圖得到索的振動頻率，再利用拉索張拉力與自振頻率之間的關(guān)系算得索力。這種測試方法只要測得拉索或吊桿的各階振動頻率，經(jīng)過簡單計算便可以得到索力，且設(shè)備可重復使用，因此頻率法是目前應用最為廣泛的一種索力測試技術(shù)。
（4）磁通量法。該法是一種新穎的索力測試方法，它利用放在索中的小型電磁傳感器，測定磁通量變化，根據(jù)索力、溫度與磁通量變化的關(guān)系，推算索力。當拉索材料中的應力發(fā)生變化時，磁滯曲線也發(fā)生變化，測定磁通量滲透系數(shù)就可以推算出拉索的應力，從而容易推算得到拉索的索力。這種測試方法中磁通量法技術(shù)目前國外應用比較多，但在國內(nèi)尚未成熟，幾乎不見使用。
（5）量測應變法。該法是將應變片粘貼在敏感元件上，然后把敏感元件粘貼到被測吊桿的表面，載荷通過對表面的作用傳遞到應變片上，然后根據(jù)應變值推算吊桿拉力。雖然該方法原理簡單，但測量索力(或拉力)時不可靠。
上述幾種方法中，前兩種方法適用于張拉施工階段，而后三種方法可用于施工及使用階段的索力測試。頻率法不僅具有測試儀器日趨小型化、攜帶方便、容易安裝、可以重復使用、測試效率高的優(yōu)點，而且其測試精度高，因此頻率法是目前應用最為廣泛而有效的一種吊桿索力或拉力測試方法。
早在20世紀70年代初期，Irvine H M就在英國倫敦的會議上發(fā)表了關(guān)于索的自由振動理論[1]，并于80年代初期就對索的動力學理論撰寫了專著[2]，為建立索振動理論體系奠定了基礎(chǔ)。1988年，日本Shimada等人通過實驗的方法研究彎曲剛度對拉索張力識別的影響[3]。1994年，Shimada等提出了利用高階頻率識別索力的方法，通過考慮彎曲剛度、垂度等因素的影響求解準確的拉索索力[4]。1996年，日本學者Hiroshi Zui等提出了基于頻率法考慮彎曲剛度和垂度的經(jīng)驗公式，只要測得拉索的前兩階振型的頻率，便可以利用經(jīng)驗公式求解拉索的索力[5]。1998年，美國Russell和Lardner通過大量實驗證明各階頻率之間不會發(fā)生相互交叉。同時，基于實測頻率與理論頻率之間的比較分析，Russell和Lardner提出了新的索力識別的方法[6]。美國Mehrabi等引入無量綱參數(shù)，考慮了彎曲剛度、邊界約束等影響因素，利用有限差分法，通過特征值計算得到索力，并與有限元計算結(jié)果比較，該方法具有較高精度[7]。同年，日本Yamagiwa等分析了考慮兩端鉸接與兩端固結(jié)對索力計算帶來的區(qū)別，提出利用拉索上兩個測點的振動響應關(guān)系推算吊桿張力和剛度[8]。2002年，日本Zui H等提出用Kalman濾波方法并根據(jù)激振錘等外界條件引起的振動識別吊桿的彎曲剛度和張力，并給出了帶有附加質(zhì)量塊的拉索自振頻率的詳細解析解[9]。2005年，美國Roman等注意到實測中拉索高階頻率比理想張拉弦偏高的現(xiàn)象，采用適用的理論公式識別拉索的抗彎剛度以及索力[10]。2007年，韓國Byeong H K等提出了基于頻率的靈敏度修正識別系統(tǒng)，可以同時識別索力、彎曲剛度及軸向剛度，并通過有限元模型分析驗證了可行性[11]。
我國對頻率法的研究起步相對較晚，但隨著相關(guān)研究的展開和深入，在提高頻率法測試索力精度方面也逐步積累了經(jīng)驗和取得了一定的成效。1995年，郭良友對繩、索振動的特征進行理論分析，并從理論上分析了彎曲剛度對繩、索頻率和索力的影響[12]。1997年，方志、張智勇在用頻率法測試斜拉橋索力時，分別用有限元法和解析法分析了索的剛度、垂度、邊界條件等因素對頻率法測試結(jié)果精度的影響[13]。1999年，蔡敏等[14]提出溫度、雨，雪以及風等環(huán)境因素對索的基頻都有一定的影響。2001年，吳海軍等忽略索的抗彎剛度影響，推導得出索的張力與索固有頻率的平方成正比的關(guān)系[15]。同年，宋一凡、賀拴海根據(jù)拉索振動特點，引入動力計算長度概念，將兩端固結(jié)的拉索振動模型動力等效成兩端鉸結(jié)的拉索振動模型[16]；王衛(wèi)鋒、韓大建基于拉索振動模型，分析了拉索的剛度、垂度、邊界條件對頻率法測試精度的影響[17]。2002年，侯俊明等研究了日照溫度變化對索力值的影響規(guī)律[18]。2003年，劉文峰等在假定邊界條件為簡支以及簡支和固支耦合的情況下考慮索的剛度，得到了不同假設(shè)條件下的理論公式，討論了不同方法下索力的區(qū)別，并利用實測數(shù)據(jù)進行分析[19]。2004年，魏建東利用非線性有限元法程序，對拉索頻率和索力之間的關(guān)系進行了參數(shù)分析，并比較了各種索力測試公式的計算精度[20]；邵旭東等利用能量法，引入固端梁在均布荷載下的撓度曲線作為一階振型，求得吊索的一階頻率與抗彎剛度、張力的近似關(guān)系，建立微分方程，通過求解分別得到兩端鉸結(jié)吊索和弦的一階頻率與抗彎剛度、張力的精確關(guān)系[21]。2005年，任偉新、陳剛也基于弦振動理論，采用能量法和曲線擬合的方法，建立了分別考慮垂度和抗彎剛度影響的計算公式[22]；鄭罡等基于較完善的有限元模型，通過最小化頻率測量值與計算值間的誤差，建立了利用多階測試頻率識別斜拉索張力、長度、抗彎剛度、等多個參數(shù)的基本理論，提高了斜拉索張力測試的準確性[23]；蘇成等通過有限元法及樣條擬合技術(shù)獲取斜拉索索力與頻率的對應關(guān)系，并提出了基于多階頻率識別斜拉索抗彎剛度的方法[24]。2006年，周云等在斜拉索截面信息未知的情況下，利用一種實用的擬合方法得到了拉索的剛度[25]。2007年，吳文清等提出用索力標定的方法識別索的力學參數(shù)[26]；陳淮通過引入?yún)?shù)簡化吊索張力與基頻的關(guān)系，采用數(shù)值計算和曲線擬合的方法推導出了考慮吊索彎曲剛度和兩端邊界條件的張力實用計算公式[27]。2008年，趙躍宇等研究了斜拉索彎曲剛度對面內(nèi)、面外的一階及高階固有頻率的影響，并分析了斜拉索長度和初張力等參數(shù)對固有頻率的影響[28]。2011年，陳彥江等[29]以吊桿的索力值、抗彎剛度和計算長度作為未知參數(shù)，分析吊桿頻率對各參數(shù)的敏感程度，提出了一種基于參數(shù)靈敏度的迭代算法的吊桿索力識別方法。2018年，韓州斌等[30]分析了平行鋼絞線索的離散性、垂度和區(qū)域性接觸對索力測試的影響，采用振動法對杭埠河大橋平行鋼絞線索進行了索力測試。
迄今為止，國內(nèi)外學者對頻率法的研究基本上都是采用均勻拉索(均勻拉索是指兩錨固點之間索段的橫截面為等截面、材質(zhì)均勻、材料的應力應變符合虎克定律的拉索)的振動模型，測試的對象都是斜拉橋拉索、懸索橋吊桿、拱橋吊桿等柔性索結(jié)構(gòu)，尚未見到采用頻率法測試剛性吊桿拉力的報道。與柔性索結(jié)構(gòu)相比，剛性吊桿的幾何、物理特性有明顯的差別，剛性吊桿的線密度、軸向和彎曲剛度較大；剛性吊桿邊界條件復雜，且振動頻率對邊界條件非常敏感；而且由于抗風的需要，剛性吊桿上一般都留有抗風的孔洞。這就決定了剛性吊桿的動力學特性與柔性索結(jié)構(gòu)有著顯著的差異，因此，現(xiàn)有的頻率法很難適用于剛性吊桿的拉力測試，考慮剛性吊桿抗彎剛度及其單位長度質(zhì)量、復雜邊界條件、吊桿孔洞影響，建立適合剛性吊桿拉力測試的拉力、頻率之間的精確對應關(guān)系具有重要的理論和工程現(xiàn)實意義。
參考文獻：
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（五） 創(chuàng)新點與項目特色
1、目前，國內(nèi)外文獻尚未見利用頻率法測試剛性吊桿拉力的報道，本實驗展開這方面的研究在吊桿拉力測試中是一個創(chuàng)新，在頻率法的應用上也是一個較為合理的新思路，具有顯著的特色。
2、擬分別從Euler-Bernoulli梁和Timoshenko梁理論出發(fā)，建立剛性吊桿的振動微分方程，并進行相關(guān)理論和數(shù)值求解，通過實驗研究得到通過實測吊桿振動頻率獲得拉力值的方法，這與現(xiàn)有的用于柔性吊桿拉力測試的頻率法相比，由于理論基礎(chǔ)不同，研究工作將具有較大的創(chuàng)新性。
（六） 技術(shù)路線、擬解決的問題及預期成果
技術(shù)路線
（1）繼續(xù)收集國內(nèi)外涉及拉索、吊桿振動機理研究，拉索、吊桿拉力測試及識別等方面的最新文獻資料，進一步拓寬研究思路；選擇適當?shù)睦碚?，對后續(xù)實驗可能出現(xiàn)的各種情況進行預先理論機理研究。
（2）分別制作三組不同長細比的腹板開孔和不開孔的H型剛性吊桿（吊桿橫截面相同，三組剛性吊桿長度分別為2m、3.5m、5m)。
（3）通過開發(fā)的實驗裝置，分別對各剛性吊桿進行兩級加載，并利用振動測試系統(tǒng)對其空載和加載狀態(tài)下的振動特性進行測試，得到實測振動頻率。
（4）利用實驗系統(tǒng)中的壓力傳感器測得的力值加上實測的部分實驗裝置自重，得到剛性吊桿上的實測拉力值，并利用百分表測得的位移對實測拉力值進行校核和驗證。
（5）從Euler-Bernoulli梁和Timoshenko梁理論出發(fā)，建立剛性吊桿的振動微分方程，并進行理論推導和數(shù)值求解，得到頻率和拉力之間的理論計算公式或編制數(shù)值求解程序。
（6）建立剛性吊桿的實體或板殼有限元模型，從有限元分析角度對解析法進行驗證，以期通過實驗得到剛性吊桿索力測試的適用計算方法，通過頻率法，準確高效的識別出剛性吊桿的拉力。
（7）對實測和理論計算數(shù)據(jù)進行對比分析，研究不同長細比條件下，各計算公式的精度與適用范圍，不斷修正理論，最后提出一種實用的基于頻率法的剛性吊桿拉力測試方法。
預期成果
（1）從剛性吊桿振動特性出發(fā)，通過實驗研究，得到基于頻率法的剛性吊桿拉力測試方法，并通過有限元法對該方法進行驗證，解決不同長細比剛性吊桿拉力測試的難題。
（2）依靠本項目的研究預期發(fā)表1～2篇學術(shù)論文。
（七） 項目研究進度安排
該項目的預期研究時限為兩年：
（1）2019年5月至2020年4月：參考各個渠道的論文以及書籍，完善本次研究的理論體系，規(guī)劃好實驗步驟，準備好實驗過程中所需要的各種裝置和模型；從Euler-Bernoulli梁和Timoshenko梁理論出發(fā)，建立剛性吊桿的振動微分方程，并進行相應的理論推導和數(shù)值求解；分析不同長細比的剛性吊桿的抗彎剛度、附加質(zhì)量、剪切變形對拉力測試結(jié)果的影響；按理論分析結(jié)果進行實驗，測試各實驗工況下剛性吊桿的自振頻率，并利用實驗系統(tǒng)中的壓力傳感器測得的力值加上實測的部分實驗裝置自重，得到剛性吊桿上的實測拉力值，并利用百分表測得的位移對實測拉力值進行校核和驗證。
（2）2020年5月-2021年5月：運用有限元法，建立剛性吊桿的實體或板殼模型，得到吊桿振動頻率和拉力間的對應關(guān)系，并與解析法和實驗得到的結(jié)果進行對比，分別從有限元法和實驗實測兩個方面對上述研究進行驗證，驗證前一階段得出的結(jié)論是否正確，并對其進行修正。最后，把關(guān)于本次研究的全部內(nèi)容進行整理，再次探討，確定最終結(jié)論，提交研究報告等結(jié)題材料，正式結(jié)題。
（八） 已有基礎(chǔ)
1. 與本項目有關(guān)的研究積累和已取得的成績
（1）本項目研究方向是土木工程研究熱點問題，涉及橋梁檢測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等方向，具有重要研究意義。項目組成員已基本完成大學本科基礎(chǔ)課與專業(yè)基礎(chǔ)課程的學習，對土木工程專業(yè)方向的科學研究與創(chuàng)新訓練具有濃厚的興趣，團隊成員動手能力強，且具有獨立思考與解決問題的能力，能夠勝任本項目的研究任務。
（2）指導老師前期參加過多座大橋的索力或拉力測試，對基于頻率法的柔性、剛性吊桿拉力測試有深刻的認識，對一般索、梁結(jié)構(gòu)的振動特性和模態(tài)參數(shù)識別方面有較為豐富的經(jīng)驗；作為技術(shù)負責人參與了采用剛性吊桿的東平大橋的施工控制和成橋荷載試驗研究工作，在大橋的施工期和成橋后，對剛性吊桿進行了多次振動測試，具有不同長細比剛性吊桿振動測試的第一手資料，為項目研究提供了大量的實測數(shù)據(jù)；此外，指導老師精通橋梁工程常用的有限元分析軟件，能指導學生準確、高效的建立大型有限元模型對結(jié)構(gòu)進行靜動力分析。
2. 已具備的條件，尚缺少的條件及解決方法
（1）已具備的條件
本項目依托單位長沙理工大學擁有設(shè)備先進的結(jié)構(gòu)實驗中心，為湖南省工程實驗室和湖南省工程研究中心；且擁有省部共建（橋梁工程安全控制）教育部重點實驗室，占地面積3500平方米，擁有總價值3000萬元儀器設(shè)備，設(shè)備齊全，具備了開展本項目研究所需要的各項試驗條件，并能得到擁有豐富實驗測試經(jīng)驗的老師指導，與本項目相關(guān)的主要試驗設(shè)備與裝置如下：
① FCS 電液伺服加載系統(tǒng)；
② 多臺索力動測儀、振動及動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、力和應變數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、位移測試系統(tǒng)；
③ 油壓張拉設(shè)備；
④ ANSYS、MIDAS等分析軟件。
（2）尚缺少的條件及解決方法
尚缺少剛性吊桿模型與加載連接裝置，擬通過采購相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)和附件材料加工制作后獲得。
