一种塔式结构刚度的快速识别方法及检测系统，其特征是首先在被检测结构上设置一个采集数据的传感器；然后利用设置的传感器采集被测结构环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，得到结构的自振基频ω1，0；最后将塔式结构实测自振基频ω1，0、被测结构的材料性能参数(重力密度γ、泊松比μ、几何尺寸、塔顶附加质量M以及塔身约束条件输入计算机中预先编制中的计算机程序中，由计算机自动进行变换并计算出塔式结构的抗弯刚度EI(z)和抗剪刚度G，为被测结构运营安全监测提供计算所需的依据。本发明仅需检测塔式结构的自振基频即可识别出其任一截面抗弯刚度和抗剪刚度的动态值，具有简单，快捷，易行的优点。
1.一种独塔塔式结构刚度的快速识别方法，其特征是它包括以下步骤：
第二步：利用设置的传感器采集被测结构环境振动响应，并进行傅里叶变换，即FFT分析，得到结构的实测自振基频ω1，0；
第三步：将塔式结构实测自振基频ω1，0、被测结构的材料性能参数以及塔身约束条件输入以下公式，由计算机自动进行变换并计算出塔式结构的抗弯刚度EI(z)，为被测结构运营安全监测提供计算所需的依据，所述的被测结构的材料性能参数包括重力密度γ、泊松比μ、几何尺寸和塔顶附加质量M：其中：
式中E为被测结构的弹性模量，将它乘以任一高度截面的惯性矩I(z)即为抗弯刚度，G为被测结构的剪切刚度， μ为材料的泊松比，对于钢结构塔μ即为钢的泊松比，对于钢筋混凝土塔μ即为混凝土的泊松比，r为被测结构的重量密度，g为重力加速度，
1/k′为剪切应力的分布系数，对于矩形截面k′＝5/6，对于圆形截面k′＝9/10，A(z)为距离塔底z处的塔身截面面积，l为塔高。
2.一种顶部受到线缆约束的塔式结构刚度的快速识别方法，其特征是它包括以下步骤：第一步：在被检测结构上设置一个采集数据的传感器；
第二步：利用设置的传感器采集被测结构环境振动响应，并进行傅里叶变换，即FFT分析，得到结构的实测自振基频ω′1，0；
第三步：将塔式结构实测自振基频ω′1，0、被测结构的材料性能参数以及塔身约束条件输入以下公式，由计算机自动进行变换并计算出塔式结构的抗弯刚度EI(z)，为被测结构运营安全监测提供计算所需的依据，所述的被测结构的材料性能参数包括重力密度γ、泊松比μ、几何尺寸和塔顶附加质量M：假设线缆约束刚度为k1，则有：
式中E为被测结构的弹性模量，将它乘以任一高度截面的惯性矩I(z)即为抗弯刚度，G为被测结构的剪切刚度， μ为材料的泊松比，对于钢结构塔μ即为钢的泊松比，对于钢筋混凝土塔μ即为混凝土的泊松比，r为被测结构的重量密度，g为重力加速度，
1/k′为剪切应力的分布系数，对于矩形截面k′＝5/6，对于圆形截面k′＝9/10，A(z)为距离塔底z处的塔身截面面积，l为塔高。
3.一种塔顶和塔身均受约束的塔式结构刚度的快速识别方法，其特征是它包括以下步骤：第一步：在被检测结构上设置一个采集数据的传感器；
第二步：利用设置的传感器采集被测结构环境振动响应，并进行傅里叶变换，即FFT分析，得到结构的实测自振基频ω″1，0；
第三步：将塔式结构实测自振基频ω″1，0、被测结构的材料性能参数以及塔身约束条件输入以下公式，由计算机自动进行变换并计算出塔式结构的抗弯刚度EI(z)，为被测结构运营安全监测提供计算所需的依据，所述的被测结构的材料性能参数包括重力密度γ、泊松比μ、几何尺寸和塔顶附加质量M：假设塔身距离塔底z1处受到的弹性约束刚度为k2，则有：
式中E为被测结构的弹性模量，将它乘以任一高度截面的惯性矩I(z)即为抗弯刚度，G为被测结构的剪切刚度， μ为材料的泊松比，对于钢结构塔μ即为钢的泊松比，对于钢筋混凝土塔μ即为混凝土的泊松比，r为被测结构的重量密度，g为重力加速度，
1/k′为剪切应力的分布系数，对于矩形截面k′＝5/6，对于圆形截面k′＝9/10，A(z)为距离塔底z处的塔身截面面积，l为塔高。
塔式结构刚度的快速识别方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种塔式结构刚度的识别和检测技术，尤其是一种能在现场快速进行塔式结构刚度识别的技术，具体地说是一种塔式结构刚度的快速识别方法及检测系统。 [0002] 背景技术
[0003] 众所周知，塔式结构按材料分主要有：钢塔、钢筋混凝土塔、预应力混凝土塔、木塔和砖石塔。从结构形式来分有：1)独塔，如1889年3月建成的高达300米的埃菲尔铁塔便是一座具有无穷魅力的，最辉煌的独塔建筑，它以高超的先进技术开创了现代塔式结构的先河；2)顶部受约束的塔，如高压电塔顶端的输电线对电塔顶部的约束，电力线架空后的张力均要电塔承担；3)多约束塔，如悬索桥的主塔不仅顶部受到主缆顺桥向的约束，而且与主梁连接的部位还受到主梁的约束。
[0004] 我国的现代大型塔式结构建设起步较晚，最早的大型钢塔是200m广州电视塔(1965年)和210m上海电视塔(1973年)。80年代以后，西安、北京、天津、南京相继建成了200～400多米的钢筋混凝土电视塔，其中上海东方明珠电视塔(1994年)高达468米。近年来我国交通事业的飞速发展则带来了桥梁建设的热潮。在特大桥的建设中，悬索桥以其受力性能好，跨越能力大，轻型美观、抗震能力好，而成为跨越大江大河、海峡港湾等交通障碍的首选桥型，其中泰州大桥则是世界第一座连续双主跨超千米的悬索桥，其中塔为高194米的钢塔，边塔为高178米的混凝土塔。
[0005] 在风化、冰冻、有害物质侵蚀等等环境条件下再受往复风荷载的影响，塔式结构受力在最大压力和拉力之间变化，这些力引起的微小裂缝会加速结构的损伤并导致塔式抗弯刚度下降，从而缩短塔式结构的使用寿命。现有的结构抗弯刚度识别方法基本思路是先在结构上布置多个传感器，分析出结构固有频率、阻尼比、振型等动力特性参数，同时建立结构的有限元模型，然后，在所建立的初始有限元模型和识别的实际桥梁动力特性参数的基础上，采用模型修正的方法，得到该结构修正的有限元模型，最后认为修正后的有限元模型中的结构参数(包括刚度参数在内)代表了结构的真实物理特性。该方法需要布置多个传感器，测试复杂，而且要多次根据测试的数据修正模型，在现场监测并不实用。 发明内容
[0006] 本发明的目的是针对目前已建成独塔和多约束塔式结构刚度现场快速检测手段匮乏，发明一种检测效果好、使用范围广泛、实施方便的塔式结构刚度的快速识别方法及检测系统。
[0007] 本发明的技术方案之一是：
[0008] 一种塔式结构刚度的快速识别方法，其特征是它包括以下步骤： [0009] 第一步：在被检测结构上设置一个采集数据的传感器；
[0010] 第二步：利用设置的传感器采集被测结构环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，得到结构的自振基频ω1，0；
[0011] 第三步：将塔式结构实测自振基频ω1，0、被测结构的材料性能参数(重力密度γ、泊松比μ、几何尺寸、塔顶附加质量M以及塔身约束条件输入以下公式，由计算机自动进行变换并计算出塔式结构的抗弯刚度EI(z)和G，为被测结构运营安全监测提供计算所需的依据：
[0012] 对于独塔结构：
[0013]
[0014] 其中：
[0015]
[0016] 对于顶部受到线缆约束的塔式结构：
[0017]
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] 对于塔顶和塔身均受约束的塔式结构，假设塔身距离塔底z1处受到的弹性约束刚度为k2：
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
[0028]
[0029] 式中E为被测结构的弹性模量，G为被测结构的剪切刚度， μ为材料的泊松比，对于钢结构塔μ即为钢的泊松比，对于钢筋混凝土塔μ即为混凝土的泊松比，r为被测结构的重量密度，g为重力加速度，l/k′为剪切应力的分布系数，对于矩形截面k′＝5/6，对于圆形截面k′＝9/10，A(z)为距离塔底z处的塔身截面面积，l为塔高。 [0030] 本发明的技术方案之二是：
[0031] 一种塔式结构刚度的快速识别检测系统，其特征是它由测试单元1和主机分析单元2构成，测试单元1的信号输出端与主机分析单元2的信号输入端连接，主机分析单元2对测试单元1测量到的信号进行处理；测试单元1包括传感器2、抗混滤波放大器3和A/D转换器4，传感器2的信号输出端与抗混滤波器3的信号输入端相连，对传感器2采集到的信号进行放大滤波，抗混滤波放大器3的信号输出端与A/D转换器4的信号输入端相连，将模拟信号转换成数字信号，A/D转换器4的信号输出端通过USB接口5与笔记本电脑相连，将经过A/D转换器4转换后的数字信号传输到主机分析单元2中；主机分析单元2包括数据接收模块6、FFT分析模块7、弯曲刚度识别模块8、惯性矩输入模块9、剪切刚度计算模块10和显示存储模块11，主机分析单元2通过USB接口数据接收模块6接收笔记本电脑的数据，接收的数据送入FFT分析模块7进行FFT分析，得到加载前后结构的振动基频，弯曲刚度识别模块8根据FFT分析模块7分析计算所得的基频和惯性矩输入模块9输入的参数送入剪切刚度计算模块10中计算出地基的约束刚度，得到结果通过显示与存储模块11显示并保存数据。
[0032] 本发明的有益效果：
[0033] 1、本发明首次建立了一种仅需测得塔式结构的自振基频即可识别出其任一截面抗弯刚度和抗剪刚度的的动态测量评估技术，并研制了适用于现场采 集数据和识别地基约束能力的测试系统，用先进的数据采集和信号处理方法，结合柔性的模块化的虚拟一起技术为塔式结构的安全监测提供方便实用的手段；
[0034] 2、本发明具有较高的运算精度，其中频率分析精度可达1％，弯曲刚度和剪切刚度识别精度能达3％；
[0035] 3、本发明性能可靠，使用方便，且具有很高的精度，适用于多种约束条件、不同材质的塔式结构。
附图说明
[0036] 图1是本发明的检测系统的组成框图。
具体实施方式
[0037] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0038] 实施例一。
[0039] 一种塔式结构刚度的快速识别方法，它包括以下步骤：
[0040] 第一步：在被检测结构上设置一个采集数据的传感器；
[0041] 第二步：利用设置的传感器采集被测结构环境振动响应，并进行傅里叶变换即FFT分析，得到结构的自振基频ω1，0，可采用现有常规技术加以分析计算； [0042] 第三步：将塔式结构实测自振基频ω1，0、被测结构的材料性能参数(重力密度γ、泊松比μ、几何尺寸、塔顶附加质量M以及塔身约束条件输入以下公式，由计算机自动进行变换并计算出塔式结构的抗弯刚度EI(z)和G，并在计算机显示屏上进行显示，为被测结构运营安全监测提供计算所需的依据；
[0043] 对于不同的塔式结构有不同的分析计算方法：
[0044] 对于独塔结构：
[0045]
[0046] 其中：
[0047]
[0048] 对于顶部受到线缆约束的塔式结构：
[0049]
[0050]
[0051]
[0052]
[0053]
[0054] 对于塔顶和塔身均受约束的塔式结构，假设塔身距离塔底z1处受到的弹性约束刚度为k2：
[0055]
[0056]
[0057]
[0058]
[0059]
[0060]
[0061] 式中E为被测结构的弹性模量，G为被测结构的剪切刚度， μ为材料的泊松比，对于钢结构塔μ即为钢的泊松比，对于钢筋混凝土塔μ即为混凝土的泊松比，r为被测结构的重量密度，g为重力加速度，l/k′为剪切应力的分布系数，对于矩形截面k′＝5/6，对于圆形截面k′＝9/10，A(z)为距离塔底z处的塔身截面面积，l为塔高。 [0062] 将已知的各种参数和测得的经过付里叶变换的基频值输入根据上述公式预选编制中的计算软件中即可得出被测结构的弹性模量E和剪切刚度G，各个截面的惯性矩I(z)可以通过塔式结构设计图纸上的几何尺寸计算而得，也可在现场实测几何尺寸计算，进而就可求出任一截面的弯曲刚度EI(z)。大桥管理部门可根据识别出来的刚度值和初始设计值相比，是不是下降很多，以及是否在设定范围之内，以作出安全性判断。因此本发明解决了快速、现场判断的依据问题，具有非常实用的意义。
[0063] 实施例二。
[0064] 如图1所示。
[0065] 一种塔式结构刚度的快速识别检测系统，它由测试单元1和主机分析单元2构成，如图1，测试单元1的信号输出端与主机分析单元2的信号输入端连接，主机分析单元2对测试单元1测量到的信号进行处理；测试单元1包括传感器2(可以是加速度传感器或者是速度传感器或者位移传感器，只要求 能测出塔式结构的第一阶频率，通常大型结构1阶频率很低，所以要求传感器低阶频率特性好，可采用超低频ICP传感器)、抗混滤波放大器(可采用集成电路或教科书中常用的抗混滤波放大电路加以实现)3和A/D转换器4(也可采用集成电路或教科书中常用的抗混滤波放大电路加以实现)，传感器2的信号输出端与抗混滤波器3的信号输入端相连，对传感器2采集到的信号进行放大滤波，抗混滤波放大器3的信号输出端与A/D转换器4的信号输入端相连，将模拟信号转换成数字信号，A/D转换器4的信号输出端通过USB接口5与笔记本电脑相连，将经过A/D转换器4转换后的数字信号传输到主机分析单元2中；主机分析单元2包括数据接收模块6(可采用USB接口电路)、FFT分析模块7(可由集成块及软件构成)、弯曲刚度识别模块8(也可由集成块及软件构成)、惯性矩输入模块9、剪切刚度计算模块10(同样也可由集成块及软件构成)和显示存储模块11，主机分析单元2通过USB接口数据接收模块6接收笔记本电脑的数据，接收的数据送入FFT分析模块7进行FFT分析，得到加载前后结构的振动基频，弯曲刚度识别模块8根据FFT分析模块7分析计算所得的基频和惯性矩输入模块9输入的参数送入剪切刚度计算模块10中计算出地基的约束刚度，得到结果通过显示与存储模块11显示并保存数据。 [0066] 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
