一種利用gps接收機測量斜拉橋拉索張力的方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用GPS接收機測量斜拉橋拉索張力的方法，屬于橋梁工程領域。斜拉橋拉索的張力是斜拉橋結構狀態的重要參數，無論是施工或是運營過程中，都必須精確測量，以便在需要的情況下，通過調整拉索張力優化結構的受力狀態。目前常用的索力測量方法為頻率法，運營中的斜拉橋，因拉索端部的套筒內有阻尼墊圈，限制了頻率法的應用，若拆除墊圈再測量則費時費力。本發明中機器人攜帶GPS接收機沿拉索爬行，得到同一根拉索上長度方向三個不同點的相對位置，即可利用拉索的線形解析解，求得拉索張力。本方法的實施操作簡單，速度快捷，中斷交通時間短，結果不受拉索端部條件的限制，適用于成橋狀態端部安裝有阻尼墊圈的拉索，也適用于測量施工中斜拉橋的拉索張力，及其他結構中的繩纜張力。
【專利說明】
一種利用GPS接收機測量斜拉橋拉索張力的方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種利用GPS接收機測量斜拉橋拉索張力的方法，屬于橋梁工程領域。
【背景技術】
[0002]拉索是斜拉橋的主要受力構件之一，其拉索張力的大小直接影響橋梁結構的內力和變形狀態，拉索的工作狀態是衡量斜拉橋是否處于正常營運狀態的重要標志之一。通常斜拉索的索力狀態確定后，主梁和塔柱的內力狀態也隨之而確定。因此，準確掌握運營期間斜拉橋拉索索力狀態是非c常重要的，通過對斜拉索索力的監測，能夠獲得斜拉橋整體結構工作狀態的信息，它不僅為斜拉橋的索力分布分析、結構運營期間的狀態評估以及養護管理提供參考依據，而且對橋梁的整體健康狀況做出評價均有著重要意義。
[0003]實際工程中常用的索力測試方法有:油壓表讀數法、荷載傳感器測量法、磁通量法以及振動頻率法等。油壓表讀數法一般應用于施工期間，且精度較低;荷載傳感器測量法需要在拉索端部放置壓力傳感器，該傳感器長期使用狀態下的穩定性較差，且與制作工藝關系較大，該方法投入較大;磁通量法為新技術，需要的投入也較大，長期性能有待觀察;振動頻率法是利用精密拾振器，拾取拉索在激勵下的振動信號，經過消除趨勢項、采樣數據的平滑處理和數字濾波等預處理后，利用數值分析的方法進行拉索自振頻率的識別，然后根據自振頻率與索力的關系確定索力。用頻率法測定索力方便快捷，適應多種工況，設備可重復使用，且測量精度能夠滿足工程應用要求，因此頻率法已經成為目前對施工及運營期間的斜拉橋索力測試的最佳選擇。
[0004]運營中的斜拉橋，因拉索端部的套筒內有阻尼墊圈，限制了頻率法的應用。若拆除墊圈再測量則費時費力，影響交通。若不拆除墊圈，則需要根據經驗修正拉索的計算長度，帶來一定的誤差，且該誤差與索的長短有關，各索的不盡相同。因此，運營中的斜拉橋，急需一種不拆除阻尼墊圈的且快速的索力測量方法。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于解決上述現有技術中存在的不足和問題，提供了一種利用GPS接收機測量斜拉橋拉索張力的方法。該方法提供的技術方案為，可沿拉索爬行的機器人攜帶有GPS接收機，遙控機器人沿一根拉索爬行，在不少于三個位置處停留，停留期間接收空間位置信息，計算得到相應位置處拉索中心線上一個測點的位置信息，進而得到這些測點在水平和豎直方向的相對距離，基于其中的三個測點，利用拉索的線形方程，計算得到拉索狀態參數，進而得到該拉索的張力的一個計算值，對該拉索每三個測點進行一次組合，可得到該拉索張力的多個計算值，該拉索的張力取其所有計算值的平均值。該方案對索力的計算是基于拉索的解析解答，拉索在兩點固定后，只需要另外一個狀態量就可確定該拉索的狀態。該狀態量可以是索端部的傾角，可以是索中的張力，可以是索上任一點處的垂度等，為求出索的張力，確定索上的三個點即可。本專利即利用該特性給出張力求解方案。隨著科技的發展，小型機器人技術得到不斷的提高，可制作小型的爬索機器人，使其攜帶GPS接收機，可測量得到索上各點的空間坐標。電離層對于GPS信號的影響主要體現在其信號的頻率上，通過不同的頻率的電測波觀測可以確定該影響，進而修正觀測值，因此應優先選擇雙頻GPS接收機。基于WGS-84坐標的前提下，借助于GPS測量技術，可以更易取得到更高的相對精度，同時若采取了得當的觀測方法，再借助于一定的數據處理技術手段，以及在附近基準站的協助下，在經由網平差之后，GPS點的相對定位精度便可以達到毫米級，更精準的甚至可以達到亞毫米級，進而滿足精密工程測量在精度方面提出的嚴格要求。
[0006]進一步地，機器人上同時安裝有傾角儀，可測得機器人軀體此時的傾角。因拉索在其自重作用下有一定的垂度，拉索中沿索長方向各處的傾角不同，傾角在連續變化，引起攀爬中機器人的姿態也不斷變化，當傾角儀測得機器人的姿態后，根據其與GPS接收機懸吊桿直接的構造關系，即可建立GPS接收機的測點與此時拉索中心線上對應測點之間的幾何關系，從而可根據GPS接收機得到的位置信息得到拉索中心線上對應測點的位置信息。
[0007]進一步地，機器人有兩個中部下凹的滾輪，下凹曲線與拉索的圓形橫截面相一致，到達停留位置，所有的機械手都抱緊拉索，從而使機器人與拉索間緊密接觸。這是設計的機器人爬行方式，因拉索表面比較光滑，設計的機器人有四個機械臂，機械手呈弧狀，便于勾住拉索，行走過程中只有一個機械臂脫離索表面，另外三個機械臂使機器人軀體壓向拉索，此時滾輪軸轉動，帶動機器人繼續爬行。
[0008]進一步地，所選擇的機器人停留位置距離拉索端部不少于3米。這是基于斜拉索在端點附近及阻尼墊圈附近具有梁效應，因拉索本身具有一定的剛度。在離開拉索兩個錨固點一定距離后，其中部的拉索才完全表現為索效應，即可視為無彎曲剛度的懸鏈線。
[0009]在橋頭建立GPS基準站，機器人在拉索上停留期間，基準站向GPS接收機發送空間位置修正信息。在基準站的配合下，GPS接收機得到的位置信息可以得到修正，從而使各測點之間的間距精確到毫米級，從而可精確地重構拉索線形。
[0010]機器人自帶計算處理功能，在對一根拉索測量結束后，將該拉索的張力顯示在其液晶屏上或傳輸到手機端。使用機器人的初級階段是爬行機器人只負責將接收的位置信息傳回接受裝置，如筆記本電腦，其它分析功能利用電腦內的軟件完成。隨著計算硬件的小型話，可使機器人具有計算功能，除接收信息外，還完成拉索上測點位置的計算，并完成對索力的計算，并將最終結果傳到手機上，實現實時索力測量功能。
[0011]隨著制作技術的發展，爬索機器人的體積越來越小，GPS接收機的重量也在不斷減小，這使得二者的總重量也不斷減小。采用高強復合材料或輕質金屬合金材料，使測量時施加在拉索上的外力減小，從而減小對測量結果的影響。
[0012]本發明給出的方案不僅可用于測量成橋狀態的拉索，同樣可用于測量施工中的拉索，也適用于電力線等其他結構中繩纜的拉力。
[0013]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
(1)對處于成橋狀態斜拉橋的索力的測量，不需拆除拉索端部套筒內的阻尼墊圈，加快測量進度；
(2)無需知道拉索的兩個錨固點的坐標，根據索上至少三個點的坐標，即可計算得到索力，大幅度地減小了測量前的準備工作；
(3 )測量過程中自動化程度較高，方便快捷。
【附圖說明】
[0014]圖1本專利實施時的現場作業示意圖；
圖2拉索的測點示意圖；
圖3爬索機器人的滾輪剖面示意圖；
圖中標識:1-拉索，2-機器人軀干，3-懸吊桿，4-GPS接收機，5-右前臂，7-1-測點1,7-2-測點2，7_3_測點3，7_4_測點4，8-右后臂，9-右前手，I O-右后手，11-前滾輪，12-后滾輪，13-輪軸，14-輪體。
【具體實施方式】
[0015]以下是本發明的具體實施例，并結合附圖對本發明的技術方案進行了描述，但本發明并不限于這些實施例。
[0016]實施例一
本實施例對應的示意圖見圖1、圖2和圖3。本實施例中的拉索(I)為斜拉橋中斜拉索的簡稱，為測量斜拉橋中各拉索(I)的張力，利用爬索機器人攜帶GPS接收機(4)沿拉索(I)爬行，以測得拉索(I)各測點的相對位置。爬索機器人的機器人軀干(2)，可伸縮的四個機械臂(包括左前臂、右前臂(5)、左后臂和右后臂(8))，及與各機械臂相連接的機械手(包括左前手、右前手(9)、左后手和右后手(10))、前滾輪(11)、后滾輪(12) XPS接收機(4)通過懸吊桿
(3)與機器人軀干(2)相鉸連接。各機械手內側為橡膠材料，接觸拉索時可增加與拉索表面的摩擦力。機械臂可伸縮，從而實現各機械手的交替爬行。在爬行過程中，機器人軀干(2)內的電機與機械臂的伸縮相配合，驅動前滾輪(11)和后滾輪(12)，使機器人爬行。滾輪由輪軸
(13)和包括在輪軸(13)上的輪體(14)組成，后者為橡膠材料制作而成。輪體(4)中部呈下凹狀，下凹的外表面與接觸部分的拉索表面相吻合。測量開始后，機器人先從橋面端套筒上方開始爬行，爬行超過2米后，停留5分鐘。停留期間，可伸縮機械臂適當收縮，使機器人的前滾輪(11)和后滾輪(12)與拉索(I)緊密接觸，GPS接收機(4)接收衛星信號并將其傳送給筆記本電腦，筆記本電腦同時接收設置在橋頭的基準站的信號，并利用它對機器人攜帶的GPS接收機(4)的測點的相對坐標進行修正，從而提高其精度。再根據機器人所攜帶的傾角儀知道機器人此時的姿態，從而根據幾何關系，推算出拉索中線上一點的三維坐標。爬索機器人繼續爬行，并停留進行測量。如此作業，可得到拉索(I)中4個測點(包括測點I (7-1)、測點2 (7-2 )、測點3 (7-3 )、測點4 (7-4 ))的三維相對坐標，并進而得到這4個測點間的相對間距。取測點I (7-1)、測點2 (7-2)和測點3 (7-3 )三個點，求解即可得到拉索的各個狀態量，從而得到該拉索張力的I個計算值;取測點1(7-1)、測點2(7-2)和測點4(7-4)三個點，同樣可得到該拉索張力的又I個計算值;取測點2(7-2)、測點3(7-3)和測點4(7-4)三個點，同樣可得到該拉索張力的又I個計算值。拉索(I)的張力取三個計算值的平均值。
【主權項】
1.一種利用GPS接收機測量斜拉橋拉索張力的方法，其特征在于:可沿拉索爬行的機器人攜帶有GPS接收機，遙控機器人沿一根拉索爬行，在不少于三個位置處停留，停留期間接收空間位置信息，計算得到相應位置處拉索中心線上一個測點的位置信息，進而得到這些測點在水平和豎直方向的相對距離，基于其中的三個測點，利用拉索的線形方程，計算得到拉索狀態參數，進而得到該拉索的張力的一個計算值，對該拉索每三個測點進行一次組合，可得到該拉索張力的多個計算值，該拉索的張力取其所有計算值的平均值。2.根據權利要求1所述的一種利用GPS接收機測量斜拉橋拉索張力的方法，其特征在于:機器人上同時安裝有傾角儀，可測得機器人軀體此時的傾角。3.根據權利要求2所述的一種利用GPS接收機測量斜拉橋拉索張力的方法，其特征在于:機器人有兩個中部下凹的滾輪，下凹曲線與拉索的圓形橫截面相一致，到達停留位置，所有的機械手都抱緊拉索，從而使機器人與拉索間緊密接觸。4.根據權利要求3所述的一種利用GPS接收機測量斜拉橋拉索張力的方法，其特征在于:所選擇的機器人停留位置距離拉索端部不少于3米。5.根據權利要求1所述的一種利用GPS接收機測量斜拉橋拉索張力的方法，其特征在于:在橋頭建立GPS基準站，機器人在拉索上停留期間，基準站向GPS接收機發送空間位置修正信息。6.根據權利要求1所述的一種利用GPS接收機測量斜拉橋拉索張力的方法，其特征在于:機器人自帶計算處理功能，在對一根拉索測量結束后，將該拉索的張力顯示在其液晶屏上或傳輸到手機端。
【文檔編號】G01L5/04GK105865695SQ201610291764
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月5日
【發明人】魏建東
【申請人】鄭州大學