《公路橋梁非接觸式索力測量技術(shù)指南》

ICS號

中國標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)分類號

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CHTS××××-××××

公路橋梁非接觸式索力測量

技術(shù)指南

TechnicalGuidelinesforNon-contactCableForce

MeasurementofHighwayBridges

（征求意見稿）

××××-××-××發(fā)布××××-××-××實施

中國公路學(xué)會發(fā)布

公路橋梁非接觸式索力測量技術(shù)指南

1總則

1.0.1為規(guī)范和指導(dǎo)公路橋梁拉索非接觸式索力測量技術(shù)，保障公路橋梁工程的施工和運營安

全，制定本技術(shù)指南。

1.0.2本指南適用于各級公路橋梁拉索的非接觸式索力測量，適用的拉索斷面形式包括平行鋼

絲和平行鋼絞線兩種。

1.0.3本指南使用的儀器設(shè)備，均應(yīng)符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并經(jīng)檢驗合格。

1.0.4公路橋梁非接觸式索力測量除應(yīng)符合本指南的規(guī)定外，尚應(yīng)符合國家和行業(yè)現(xiàn)行有關(guān)強(qiáng)

制性標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

1

2術(shù)語和符號

2.1術(shù)語

2.1.1橋梁拉索Cableinbridge

指斜拉橋的斜拉索，以及懸索橋和拱橋的吊桿。

2.1.2非接觸式索力測量Non-contactcableforcemeasurement

不需在拉索表面布置傳感器，利用非接觸式測量設(shè)備獲得拉索在環(huán)境振動或沖擊振動下的振

動信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理算法處理得到拉索的動力特性（固有頻率、模態(tài)振型），通過索力與動力特性

的關(guān)系計算求得索力。

2.1.3環(huán)境振動Ambientvibration

外部自然條件（如地脈動、車輛荷載、風(fēng)荷載等）激勵下的結(jié)構(gòu)振動。

2.1.4沖擊振動Impactvibration

人為荷載激勵下的結(jié)構(gòu)振動。

2.1.5固有頻率Naturalfrequency

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在受到外界激勵振動時，只由系統(tǒng)本身性質(zhì)決定的振動特征頻率。

2.1.6模態(tài)振型Modalshape

在振動的任一時刻，各質(zhì)點位移的比值保持不變，即振動的形狀保持不變，將此振動形式稱

為模態(tài)振型。

2.1.7光學(xué)測量Opticalcamerameasurement

通過高速光學(xué)相機(jī)設(shè)備采集拉索的視頻圖像，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)得出拉索振動信號，進(jìn)

而結(jié)合拉索固有參數(shù)計算出索力。

2.1.8微波雷達(dá)測量Microwaveradarmeasurement

通過微波雷達(dá)設(shè)備發(fā)射并接收調(diào)頻微波信號，獲得被測拉索的距離和振動信號，進(jìn)而得到拉

2

索固有頻率并計算出索力。

2.2符號

u(x,t)——拉索上各點在時刻t的橫向位移；

T——實測索力值；

m——拉索單位長度質(zhì)量；

l——拉索計算長度；

拉索水平長度；

l0——

f——拉索垂度；

拉索第n階固有頻率；

fn——

n——拉索固有頻率階次；

EI——拉索抗彎剛度；

EA——拉索抗拉剛度；

——拉索傾斜角度；

——拉索垂跨比；

設(shè)計索力值；

Td——

索力偏差率；

Kt——

3

xt()——位移響應(yīng)；

i點第r階振型分量；

ir——

作用在k點上的動力荷載；

ftk()——

第r階模態(tài)質(zhì)量；

mr——

第r階阻尼比；

r——

第r階有阻尼體系的自振圓頻率；

dr——

第r階無阻尼固有頻率；

nr——

當(dāng)k點作用有高斯白噪聲時，ij,兩點響應(yīng)的互相關(guān)函數(shù)；

RTijk()——

Hd()——頻響函數(shù)；

輸出測點的個數(shù)；

N0——

參考測點的個數(shù)；

Ni——

相關(guān)函數(shù)；

Cpfg,()——

f(x,y)——參考圖像子區(qū)灰度值；

g(x,y)——目標(biāo)圖像子區(qū)灰度值；

,——形函數(shù)；

p——待定參數(shù)矢量；

4

點到參考圖像子區(qū)中心的距離；

xy,——(xy,)(xy00,)

uv,——參考圖像子區(qū)中心在x和y方向的位移；

參考圖像子區(qū)的一階位移梯度；

ux——

參考圖像子區(qū)的二階位移梯度；

uxx——

拉索振動響應(yīng)信號；

xtk()——

發(fā)射信號的幅度；

At——

發(fā)射信號的幅度；

Ar——

發(fā)射信號的起始頻率；

f0——

信號差拍頻率；

f——

k——調(diào)制斜率；

B——雷達(dá)工作帶寬；

雷達(dá)發(fā)射信號周期；

Ts——

R——測索距離；

——被測拉索自振的相位差；

——微波信號波長；

d——微變形時程；

5

3基本規(guī)定

3.1一般規(guī)定

3.1.1非接觸式索力測量主要包括拉索的位移信號測量、基于位移信號的拉索動力特性求解以

及拉索的索力計算。

3.1.2在一定條件下，拉索的索力與拉索的動力特性存在對應(yīng)關(guān)系。在已知拉索的長度、單位

長度質(zhì)量等基本參數(shù)條件下，應(yīng)通過拉索的動力特性計算拉索的索力。若拉索安裝有減振架，阻

尼器等裝置，不宜將拉索邊界視為簡單固定端，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況、設(shè)備性能、拉索資料進(jìn)行綜合

分析，選用合適的數(shù)據(jù)處理方法。

3.1.3現(xiàn)場測試人員應(yīng)熟練掌握非接觸式索力測量儀器設(shè)備和振動信號采集方法，了解拉索基

本構(gòu)造。進(jìn)行索力計算的人員應(yīng)了解通過固有頻率計算索力的基本原理，具有采用此計算方法的

經(jīng)驗。

3.1.4拉索截面特性和單位長度質(zhì)量應(yīng)查閱拉索構(gòu)件的出廠技術(shù)指標(biāo)或根據(jù)拉索的橫截面積進(jìn)

行折算。拉索現(xiàn)場測量應(yīng)符合國家有關(guān)安全生產(chǎn)的規(guī)定。

3.1.5非接觸式索力測量儀器設(shè)備應(yīng)滿足測量準(zhǔn)確度、分辨能力、量程及振動信號的性能要求，

以及氣候環(huán)境和電磁環(huán)境的適應(yīng)性要求。測量儀器設(shè)備應(yīng)在檢定或校準(zhǔn)有效期內(nèi)。測量前應(yīng)對儀

器設(shè)備檢查調(diào)試；當(dāng)測量輔助儀器設(shè)備對現(xiàn)場測量的質(zhì)量、安全有影響時，應(yīng)對其功能進(jìn)行檢查。

3.2基于動力特性的索力計算方法

3.2.1在一定條件下，拉索索力與拉索的動力特性（固有頻率、模態(tài)振型）存在對應(yīng)關(guān)系。在

已知拉索的長度、單位長度質(zhì)量等參數(shù)時，通過拉索的動力特性計算索力。

3.2.2不考慮抗彎剛度、垂度和復(fù)雜邊界時，按下式計算索力：

22

T=4ml(f1)(3.2.2)

式中：m—拉索單位長度質(zhì)量，單位：kgm；

l—拉索計算長度，單位：m；

6

f1—拉索第1階固有頻率，單位：Hz。

3.2.3獲得拉索索力數(shù)據(jù)后應(yīng)進(jìn)行索力偏差評估，索力偏差率Kt按下式計算

TT?d

Kt=100%(3.2.3)

Td

式中：T—實測索力值；

Td—設(shè)計索力值。

索力偏差率超過10%時，宜對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。

3.3考慮抗彎剛度時拉索索力計算

3.3.1拉索抗彎剛度不可忽略時，應(yīng)按描述抗彎剛度影響的無量綱參數(shù)大小選取相應(yīng)公式計算

索力。

3.3.2基于前5階實測固有頻率的索力計算方法，描述抗彎剛度影響的無量綱參數(shù)通過下式計

算：

T

=l(3.3.2-1)

EI

式中：EI—拉索抗彎剛度，其中E為彈性模量，單位：N/m2，I為慣性矩，單位：m4；

當(dāng)拉索抗彎剛度不可忽略時，即描述抗彎剛度影響的無量綱參數(shù)210，并且拉索兩端約束

條件簡化為鉸支時，采用下式計算索力：

4ml22fn22EI

T=?n(3.3.2-2)

nnl22

式中：Tn—利用第n階拉索固有頻率計算的索力值，單位：N；

fn—拉索第n階固有頻率，單位：Hz；

n—拉索固有頻率階次，n5為宜。

3.3.3當(dāng)拉索抗彎剛度未知時，按下列公式計算索力：

2

ml22

T=?(16f12f)(3.3.3)

3

7

式中：f1—拉索第1階固有頻率，單位：Hz；

f2—拉索第2階固有頻率，單位：Hz。

3.4考慮垂度時拉索索力計算

3.4.1當(dāng)考慮垂度影響時，應(yīng)按描述垂度影響的無量綱參數(shù)大小選取相應(yīng)公式計算索力。

3.4.2描述垂度影響的無量綱參數(shù)通過下式計算：

12

ml0.31+0.5

Γ=35(3.4.2)

128EAcos0.31?0.5

式中：EA—拉索抗拉剛度，其中A為截面積，單位：m2；

—拉索傾斜角度，單位：rad；

—拉索垂跨比，=fl0，f為拉索垂度，單位：m，l0為拉索水平長度，單位：m。

3.4.3對于垂度較小的拉索，即Γ3，直接采用公式3.3.2-2計算索力，在索力計算時應(yīng)采用偶

數(shù)階頻率。

3.4.4對垂度足夠大的拉索，即Γ3，采用以下公式通過第2階頻率計算索力；

1.當(dāng)60時：

2

2cc

T=m(f2l)1?4.40?1.10(3.4.4-1)

ff

22

2.當(dāng)1760時：

2

2cc

T=m(f2l)1.03?6.33?1.58(3.4.4-2)

ff

22

3.當(dāng)017時：

2

2c

T=?m(f2l)0.88285.0(3.4.4-3)

f

2

EI

式中：c=。

ml4

8

3.5考慮復(fù)雜邊界時拉索索力計算

3.5.1當(dāng)安裝有減振器時，應(yīng)先確定減振器剛度，并考慮復(fù)雜邊界影響。

3.5.2當(dāng)已知減振器剛度時，宜結(jié)合拉索已知參數(shù)和測量所得固有頻率，將減振器及其他影響

22

集中到計算長度，對拉索索長進(jìn)行修正，用T=4mLeq(f1)計算索力。

拉索等效索長應(yīng)按下式計算：

Leq=?LcLs1(3.5.2-1)

式中：Ls1—減振器中心至拉索固定端的距離；

c—拉索索長修正系數(shù)

拉索索長修正系數(shù)c通過下式計算：

c

c=1(3.5.2-2)

cc01+1

描述未考慮復(fù)雜邊界的索力修正參數(shù)c1通過以下公式計算：

kL11s

c1=(3.5.2-3)

T0

22

式中：T01=4ml(f)；

k1—減振器剛度，單位：N/m

描述固接邊界拉索EI、中間彈性支撐影響的修正參數(shù)c01通過以下公式計算：

2

DD

c01=1+6.2+106(3.5.2-4)

LLss11

式中：D—拉索直徑，單位：mm

3.5.3對于未知減振器剛度的拉索，宜采用模態(tài)振型法進(jìn)行索力計算。計算公式如下

22

4mfi2

T=?2EIi(3.5.3)

i

式中：fi—拉索第i階固有頻率；

i—第i階模態(tài)振型函數(shù)參數(shù)，模態(tài)振型函數(shù)參數(shù)i求解參見本指南第3.5.4條規(guī)定。

9

3.5.4通過附錄A中方法得到拉索五個測試點處的振型幅值1~5，其中任意兩點(如i和j點)

在某階模態(tài)的模態(tài)位移比如下：

(xi)c1sin(xi)+c3cos(xi)+c3sinh(xi)+c4cosh(xi)

ij==(3.5.4-1)

(xj)c1sin(xj)+c3cos(xj)+c3sinh(xj)+c4cosh(xj)

進(jìn)一步轉(zhuǎn)換得到：

c1(sin(xi)?ijsin(xj))+c2(cos(xi)?ijcos(xj))

(3.5.4-2)

+c3(sinh(xi)?ijsinh(xj))+c4(cosh(xi)?ijcosh(xj))=0

T

構(gòu)建特征方程組：S44c1c2c3c4=0，由于c1~c4有非零解，則存在特征矩陣S的行列式

等于0，如下式所示。

S=0(3.5.4-3)

通過唯一表達(dá)，求解上式得到，代入公式3.5.3即可求解索力。

條文說明：

1拉索的測試原理基于弦振動理論。單位長度質(zhì)量為m的索在張力T作用下被張緊，索的抗彎

剛度為EI，如圖3.5.4所示。當(dāng)忽略拉索垂度影響時，此時拉索相當(dāng)于軸向受拉梁，得到無阻尼

自由振動方程為：

M

Mdx+

x

+dx

x

Q

Qdx+

lx

l0

圖3.5.4索振動模型示意圖

10

4u2u2u

EI?T+m=0(3.5.4-4)

4x2x2t

式中，u(x,t)為拉索上各點在時刻t的橫向位移，單位：m；

進(jìn)一步推導(dǎo)可得到振型函數(shù)為：

(x)=c1sin(x)+c2cos(x)+c3sinh(x)+c4cosh(x)(3.5.4-5)

式中：與為振型函數(shù)參數(shù)。

當(dāng)兩端簡化為鉸支時，由上述公式進(jìn)一步推導(dǎo)可求得公式3.3.2-2。

2在實際工程應(yīng)用中，對于長度較大的拉索（210），橫向剛度主要由幾何剛度組成，抗彎

22

剛度所占總體橫向剛度的比例很小，宜忽略其影響，不考慮垂度影響下采用公式T=4ml(f1)進(jìn)

行索力計算得到具有較高精度的拉索索力。對于不能忽略抗彎剛度的影響的索（210），則采用

公式3.3.2-2進(jìn)行索力計算。然而公式3.3.2-2是建立在鉸支邊界基礎(chǔ)上推導(dǎo)得出索力，實際中的拉

索邊界并不是鉸支，索長越短，邊界條件就會趨向于固支，因此利用此式計算短粗索仍有較大誤

差。針對短粗索，可按本指南第3.5條中考慮復(fù)雜邊界方法計算索力。

3對于公式，采用以下平均處理法公式對實測前幾階頻率進(jìn)行拉索第1階頻率的

準(zhǔn)確識別：

f++ff

f=nmk(3.5.4-6)

1n++mk

式中：fn,fm，fk分別為第n,,mk階頻率，單位：Hz。

如果不能識別得到拉索的第1階頻率，可以利用相鄰兩階固有頻率的差值來代替，并宜取多

次高階頻率差的平均值，減小近似誤差。拉索頻率差用f=fnn+1?f計算。

4公式3.3.3同時考慮了抗彎剛度和邊界條件的影響，將抗彎剛度作為隱式計算參數(shù)，有效避

免拉索抗彎剛度難以準(zhǔn)確識別問題。

5垂度對第1階頻率影響較大，對偶數(shù)階影響忽略不計，為最大限度避免垂度效應(yīng)，應(yīng)采用偶

數(shù)階頻率計算索力。

6以往的基于模態(tài)振型的索力測試方法只局限于實驗室，在實際橋梁推廣中需要在拉索中安

裝較多傳感器，安裝過程繁瑣。采用非接觸式索力測量方法可以方便快速獲得多個測點的位移響

應(yīng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過模態(tài)分析進(jìn)行索力測量。非接觸式測量憑借全場多點測量、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、效率高、

成本低等優(yōu)勢使得模態(tài)振型法進(jìn)行實橋索力測量成為可能。

11

4光學(xué)測量

4.1一般規(guī)定

4.1.1基于光學(xué)相機(jī)的現(xiàn)場測量是指利用單個光學(xué)相機(jī)設(shè)備按規(guī)定周期或在線對大跨橋梁單/多

根拉索的索力進(jìn)行現(xiàn)場測量。測量內(nèi)容為拉索二維振動信號的測量，索力計算方法應(yīng)按照本指南

第3章的規(guī)定執(zhí)行。

4.2光學(xué)測量設(shè)備

4.2.1光學(xué)相機(jī)非接觸式索力測量設(shè)備應(yīng)包括站立式光學(xué)測量設(shè)備和在線式光學(xué)測量設(shè)備。

4.2.2站立式測量設(shè)備應(yīng)包括成像設(shè)備、鏡頭、計算機(jī)、三角架、數(shù)據(jù)線等，示意圖如圖4.2.2

所示。

圖4.2.2站立式測量設(shè)備示意圖

4.2.3在線式光學(xué)測量設(shè)備應(yīng)具備邊緣計算能力的實時圖像位移測量儀器，硬件主要包括工業(yè)

相機(jī)及鏡頭、微型工控機(jī)、防護(hù)殼、溫控風(fēng)扇以及各類接頭等。工業(yè)相機(jī)實時傳輸至微型工控機(jī)

12

的圖像可以直接進(jìn)行分析計算處理，實現(xiàn)位移的連續(xù)在線監(jiān)測（圖4.2.3）。

圖4.2.3在線式光學(xué)測量設(shè)備示意圖

條文說明：

鑒于長期實時監(jiān)測的需求，應(yīng)選擇工業(yè)相機(jī)，工業(yè)相機(jī)連續(xù)工作時間長，拍攝幀率高，傳輸

速率高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。工業(yè)相機(jī)可分為USB3.0接口和Gige網(wǎng)口兩類，USB3.0工業(yè)相機(jī)傳輸至

工控機(jī)距離一般不超過5米，Gige工業(yè)相機(jī)傳輸至工控機(jī)距離可達(dá)到100米。

一般采用USB3.0工業(yè)相機(jī)與工控機(jī)安裝同一處。若檢修不便或者安裝不便時，可考慮采用

Gige接口工業(yè)相機(jī)，將工控機(jī)安裝至檢修方便處，但考慮到Gige網(wǎng)口傳輸量不及USB3.0接口，

此時應(yīng)確保計算幀率滿足要求。

4.2.4測量設(shè)備應(yīng)滿足檢測精度、量程和耐久性要求，且應(yīng)持有產(chǎn)品合格證和計量鑒定報告。

4.2.5成像設(shè)備應(yīng)符合下列要求：

1可采用工業(yè)相機(jī)或普通相機(jī)。

2成像設(shè)備分辨率應(yīng)考慮被測拉索的測試精度，根據(jù)測試精度要求選擇分辨率。成像設(shè)備應(yīng)具

備的最小像素分辨率通過以下公式計算：

FOV

Rpmin=min(4.2.5)

lmin

13

式中：Rmin—成像設(shè)備最小像素分辨率，單位：像素；

FOV—視場，即成像設(shè)備可檢測到的最大區(qū)域，單位：mm；

lmin—檢測目標(biāo)最小特征長度（視覺系統(tǒng)分辨率），單位：mm；

pmin—最小特征像素數(shù)，無特別要求時，取值為2；

3成像設(shè)備最大采集幀率應(yīng)滿足本指南第4.5條采集頻率的要求。

條文說明：

1工業(yè)相機(jī)一般經(jīng)過特殊設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)實、不易損壞，連續(xù)工作時間長，快門時間特別

短，傳輸速率高，能清晰地抓拍高速振動的結(jié)構(gòu)，適合于在高速拍攝、長期實時監(jiān)測、惡劣環(huán)境

等場景下使用。普通相機(jī)包括數(shù)碼相機(jī)、單反相機(jī)、手機(jī)等，價格相對便宜，使用便捷，適合于

在沒有特定測試要求下使用。

2當(dāng)有實時監(jiān)測、評估和預(yù)警需求時應(yīng)采用工業(yè)相機(jī)。當(dāng)測量場地不允許或不方便搭設(shè)平臺

放置計算機(jī)及沒有供電設(shè)備時，或無實時監(jiān)測需求的情況下宜采用普通相機(jī)或者工業(yè)相機(jī)先進(jìn)行

數(shù)據(jù)采集，再進(jìn)行后處理。

3根據(jù)奈奎斯特采樣定律，必須對信號每個周期采樣兩個點以上才能完整恢復(fù)該信號，所以

在沒有特別要求的情況下，應(yīng)至少采用兩個像素來表示目標(biāo)中的最小特征。

視覺系統(tǒng)分辨率是成像設(shè)備可以識別出檢測目標(biāo)的最小細(xì)節(jié)或最小特征，如“要求系統(tǒng)檢測

精度達(dá)到0.1mm”，應(yīng)確定待測拉索的精度，參照計量檢定規(guī)程《JJG(交通)143-2020橋梁撓度檢

測儀》中對計量性能要求的規(guī)定。

以某個例子說明，有一個分辨率為1200x960的相機(jī)，希望知道在任意方向上可以檢測出的最

小特征的分辨率。因為要求測量不依賴于方向，因此取尺寸參數(shù)中的短邊，即960，假設(shè)想捕獲的

FOV是250mm。因此，能夠檢測到的最小特征尺寸是FOV除以傳感器分辨率再乘以2（最小特征尺

寸=(250/960)*2）。這樣可以計算出能檢測到的最小特征尺寸就是0.52mm。需要注意的是，該公式

沒有考慮到鏡頭失真、具體的特征檢測算法以及是否采用亞像素精度。

4當(dāng)被測物體有運動要求時，要選擇幀數(shù)高的工業(yè)相機(jī)。但需注意，分辨率越高，幀數(shù)越低。

4.2.6鏡頭的選擇應(yīng)符合下列要求：

14

1宜選用量測型鏡頭，鏡頭靶面尺寸應(yīng)大于等于圖像傳感器的對角線尺寸，鏡頭接口應(yīng)與相機(jī)

接口相適配。宜選擇低畸變的鏡頭，減少因畸變造成的誤差。

2鏡頭焦距的選擇應(yīng)由測量工作距離、圖像傳感器尺寸、視場范圍確定，按以下公式確定所需

焦距大?。?/p>

Sf

=(4.2.6)

FOVWD

式中：S—圖像傳感器尺寸，單位：mm；

f—鏡頭焦距，單位：mm；

WD—工作距離，即相機(jī)鏡頭到檢測目標(biāo)的距離（相當(dāng)于物距），單位：mm。

條文說明：

一般出廠的鏡頭都有標(biāo)準(zhǔn)焦距，通常包括6mm，25mm，35mm，50mm，75mm等幾種。一旦選擇的

焦距接近圖像采集系統(tǒng)所需焦距的鏡頭，應(yīng)調(diào)整物距以使被檢測物體合焦。工作距離和圖像傳感

器尺寸確定的情況下，焦距數(shù)值小，所觀察的視場范圍大；焦距數(shù)值大，所觀察的視場范圍小。

目標(biāo)鏡頭傳感器

S

FOV

WDf

圖4.2.6成像原理示意圖

4.2.7在線式光學(xué)測量設(shè)備應(yīng)具備相機(jī)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集和處理、數(shù)據(jù)儲存等主要功能，主

要包括以下功能：

1具備工業(yè)相機(jī)工作狀態(tài)和通信狀態(tài)監(jiān)測和顯示功能；

2具備工業(yè)相機(jī)采集幀率、曝光時間、增益等參數(shù)調(diào)整功能；

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3具備目標(biāo)位移的自動計算功能，實時顯示數(shù)位移據(jù)曲線或列表，實時保存位移文本數(shù)據(jù)；

4具備不小于180天的位移數(shù)據(jù)存儲空間，應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中斷情況下原始數(shù)據(jù)的本地存儲，

并應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后將數(shù)據(jù)回傳至監(jiān)控中心；

5具備圖像或視頻數(shù)據(jù)本地存儲回放功能，圖像或視頻數(shù)據(jù)存儲方式宜采用循環(huán)更新存儲方式，

普通圖像或視頻存儲宜不小于1個月，突發(fā)事件圖像或視頻應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移備份存儲并永久保存；

6具備對橋梁拉索出現(xiàn)的異常狀態(tài)進(jìn)行實時警示報警的功能；

7在線式光學(xué)測量設(shè)備應(yīng)保證其在復(fù)雜環(huán)境下（光影變化、基點擾動等）的匹配精準(zhǔn)度，能夠

在高溫、高振動、高電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境下連續(xù)穩(wěn)定運行。

條文說明：

在線式光學(xué)測量設(shè)備為保證其實時性，應(yīng)輕量化算法，圖像追蹤算法宜采用灰度平方質(zhì)心法。

4.2.7光學(xué)測量設(shè)備，除應(yīng)符合本指南外，尚應(yīng)符合國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)程的規(guī)定。

4.3現(xiàn)場測試要求

4.3.1測量前應(yīng)掌握被測拉索的預(yù)估索力、錨固點間的距離、截面構(gòu)造、單位長度質(zhì)量、減振

器形式及位置等相關(guān)參數(shù)。

4.3.2現(xiàn)場測量環(huán)境應(yīng)符合下列要求：

1拉索應(yīng)受到良好的光照條件，表面應(yīng)亮度均勻，且與背景明顯區(qū)分開。

2現(xiàn)場工作溫度、濕度等應(yīng)符合測量設(shè)備工作要求，必要時可采用防護(hù)罩。

4.3.3測量前應(yīng)保證成像設(shè)備、鏡頭和三腳架之間連接穩(wěn)固，保證成像設(shè)備與計算機(jī)采集系統(tǒng)

的數(shù)據(jù)連接線接觸良好。

4.3.4成像設(shè)備宜布設(shè)在穩(wěn)固的地面或平臺上以避免振動。

4.3.5成像設(shè)備站點視野應(yīng)能覆蓋拉索所選定測量區(qū)域，應(yīng)避免障礙物遮擋被測拉索。

4.3.6成像設(shè)備站點應(yīng)符合現(xiàn)場交通條件要求，應(yīng)選擇安全區(qū)域，宜選取檢修道。

4.3.7成像設(shè)備光軸應(yīng)盡量垂直于拉索長度方向。

16

4.3.8拉索測量區(qū)域應(yīng)符合下列要求：

1遠(yuǎn)離錨固端，避免模態(tài)節(jié)點區(qū)域。

2拉索測量區(qū)域應(yīng)選擇拉索表面特征明顯處，便于后處理圖像追蹤。

3拉索測量區(qū)域宜位于圖像中心處。

4應(yīng)考慮拉索景深范圍，使拉索測量區(qū)域清晰完整，反差適中。

4.3.9非接觸式索力在線測量中，現(xiàn)場應(yīng)對測點與測量儀器予以防護(hù)，避免日照、風(fēng)雨、振動

和周圍其他干擾。

4.3.10在線式光學(xué)測量設(shè)備安裝運行后，應(yīng)保持供電和通信暢通，以避免在線系統(tǒng)停止工作和

數(shù)據(jù)缺失。

4.3.11應(yīng)詳細(xì)檢查接電、接地、防雨（水）、防塵、防風(fēng)、防雷等措施是否正確、完備；所有

設(shè)備都應(yīng)輕拿輕放、安置穩(wěn)固；運輸過程中應(yīng)按設(shè)備本身的防振、防塵要求進(jìn)行包裝防護(hù)。

4.4現(xiàn)場測量方法

4.4.1現(xiàn)場測試中，根據(jù)成像設(shè)備站點選定的不同，測量方法主要分為以下兩種，拉索位移提

取方法參見附錄B。

1在現(xiàn)場允許條件下，宜將成像設(shè)備放置于橋墩上部橋面板或橋塔與橋面板連接處的檢修道或

安全道上，將成像設(shè)備瞄準(zhǔn)對面一側(cè)拉索面。

2若橋上條件無法滿足，宜將成像設(shè)備放置橋梁底部側(cè)面，根據(jù)公式4.2.6由所選成像設(shè)備和

鏡頭確定工作距離，將成像設(shè)備瞄準(zhǔn)較近一側(cè)拉索面。

4.4.2進(jìn)行多根拉索索力同時測量時，應(yīng)綜合考慮成像設(shè)備分辨率、視場范圍、鏡頭焦距、圖

像傳感器尺寸、測量距離等因素影響。首先根據(jù)本指南第4.2.5條中確定成像設(shè)備的分辨率后，根

據(jù)所需測量拉索根數(shù)估計視場范圍，再通過公式4.2.6選擇合適鏡頭。

條文說明：

拉索測量根數(shù)根據(jù)現(xiàn)場條件確定。在測量距離和圖像傳感器尺寸確定的情況下，若進(jìn)行單根

拉索索力測量時宜選擇大焦距鏡頭。若進(jìn)行多根拉索索力測量時宜選擇小焦距鏡頭，拉索數(shù)目越

17

多，焦距越小。應(yīng)保證最遠(yuǎn)處被測拉索直徑占據(jù)至少20個像素，拉索數(shù)目不超過10個為宜。

4.4.3現(xiàn)場激振條件要求

1環(huán)境振動作用下，當(dāng)拉索振動響應(yīng)比較微弱時，測量設(shè)備測試站點宜選取較近位置或被測拉

索測試區(qū)域宜選取拉索中部附近響應(yīng)較大位置。

2當(dāng)采用外部激勵裝置加大拉索振動響應(yīng)時，激振裝置選用原則為激勵力的頻率范圍大于所需

的頻帶范圍，保證能夠激勵起被測拉索所需的各階固有模態(tài)頻率，激勵位置宜在拉索振動響應(yīng)比

較大的位置，激勵方向應(yīng)與傳感器采集方向一致。激勵荷載應(yīng)保證不破壞拉索的保護(hù)套，應(yīng)符合

國家有關(guān)安全生產(chǎn)的規(guī)定。

4.4.4在線式光學(xué)測量設(shè)備的測點放樣與站點布設(shè)應(yīng)符合下列規(guī)定：

1現(xiàn)場測點放樣應(yīng)事先準(zhǔn)備詳細(xì)的測點布置方案。

2站點布置時，如需局部調(diào)整布置方案，應(yīng)做好記錄。

3站點布設(shè)時應(yīng)保證成像設(shè)備與安裝支架黏結(jié)良好，不松動，無振動，且對站點做好防護(hù)措施。

4.4.5采用在線式光學(xué)測量設(shè)備測量時，現(xiàn)場測量應(yīng)滿足下列要求：

1在線式光學(xué)測量設(shè)備主機(jī)站點應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場測試條件布設(shè)，不應(yīng)阻礙交通，宜安裝在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

上，如橋塔上。

2其余現(xiàn)場測試要求參見本指南第4.3條相關(guān)規(guī)定。

3成像設(shè)備可同步監(jiān)測多根拉索，相關(guān)要求參見本指南第4.4.2條相關(guān)規(guī)定。

4.5數(shù)據(jù)采集

4.5.1數(shù)據(jù)采集前應(yīng)調(diào)試成像設(shè)備位姿及光圈并對焦，成像設(shè)備應(yīng)連接至計算機(jī)，以便于從計

算機(jī)采集軟件上查看實時圖像。

4.5.2確定成像設(shè)備站點、位姿后，在數(shù)據(jù)采集軟件中根據(jù)各拉索距離成像設(shè)備的距離確認(rèn)拉

索的編號，并做好工況記錄工作。工況記錄表見附錄D，宜包含下列內(nèi)容：

1工程概況；

2檢測目的、內(nèi)容、范圍及依據(jù)；

18

3成像設(shè)備及其參數(shù)；

4計算機(jī)采集系統(tǒng)參數(shù)選擇；

5拉索編號、基本信息；

6工況存儲文件夾；

7必要的數(shù)據(jù)處理過程。

4.5.3根據(jù)成像設(shè)備的性能指標(biāo)和拉索的設(shè)計頻率設(shè)置采樣頻率以及數(shù)據(jù)采集長度。采集頻率

根據(jù)奈奎斯特采樣定理確定，采集頻率不應(yīng)小于模擬信號頻譜中最高頻率的2倍，即ffs2max。

考慮到光學(xué)相機(jī)通過測量拉索的位移響應(yīng)得到拉索頻率一般不超過五階，因此光學(xué)相機(jī)的采樣頻

率不宜小于30Hz。頻率分辨率不應(yīng)小于0.01Hz。

4.6數(shù)據(jù)分析

4.6.1圖像預(yù)處理：應(yīng)視具體要求，宜選擇適宜的圖像預(yù)處理操作（包括降噪與增強(qiáng)、畸變校

正、以及裁剪縮放等）。

4.6.2提取位移：應(yīng)在初始參考圖中選擇被測拉索的興趣區(qū)域，通過圖像追蹤算法得到拉索的

位移。常見的圖像追蹤算法包括數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）、SIFT或者SURF特征點匹配、Lucas-

Kanade光流法、邊緣檢測、質(zhì)心檢測、角點檢測等，宜采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)進(jìn)行拉索位移測量，

相關(guān)原理詳見附錄B。

4.6.3位移數(shù)據(jù)預(yù)處理：測量的位移數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，常用的預(yù)處理方法有消除趨勢項、濾

波以及施加窗函數(shù)等，振動信號預(yù)處理流程見附錄A；

4.6.4拉索頻譜分析：對預(yù)處理后的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，讀取能量峰值對應(yīng)的橫坐標(biāo)作

為拉索的各階固有頻率。

條文說明：

1對非接觸設(shè)備采集得到的拉索振動信號宜采用時域描述或頻域描述進(jìn)行分析與結(jié)果呈現(xiàn)。

時域描述用來描述信號的幅值隨時間變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式；頻域描述是指將采集的信號通過傅里葉

變換轉(zhuǎn)換為頻域信號，繪制信號幅值與結(jié)構(gòu)固有頻率的變化關(guān)系。在時域信號描述中，拉索各階

固有頻率可以通過時域模態(tài)參數(shù)識別方法得到，常用的時域模態(tài)識別方法有自然激勵法、隨機(jī)減

19

量法、隨機(jī)子空間方法和特征系統(tǒng)實現(xiàn)算法等。在頻域信號描述中，拉索各階固有頻率可以從頻

譜曲線上得到，常用的頻域模態(tài)參數(shù)識別算法有峰值法、復(fù)模態(tài)指示函數(shù)法和PolyMAX方法等。

2宜通過拉索實測相鄰階次頻率的差值判斷是否存在漏頻。若各相鄰階頻率差值大致相等，

且近似于第1階頻率，則不存在漏頻。

4.6.5拉索索力計算：結(jié)合拉索已知參數(shù)和測量所得動力特性（固有頻率、模態(tài)振型），根據(jù)本

指南第3.2~3.5條索力相關(guān)公式求解索力大小。

20

5微波雷達(dá)測量

5.1一般規(guī)定

5.1.1基于微波雷達(dá)的索力現(xiàn)場測量是指按規(guī)定周期或在線利用微波雷達(dá)設(shè)備對大跨橋梁單/多

根拉索的索力進(jìn)行現(xiàn)場測量。測量內(nèi)容為被測拉索沿微波雷達(dá)視線方向的位移測量，索力計算方

法應(yīng)按照本指南第3.2條~3.5條的規(guī)定執(zhí)行。

5.1.2根據(jù)微波雷達(dá)工作原理，微波雷達(dá)設(shè)備具備全天候全天時、遠(yuǎn)距離高精度和微波穿透性

的優(yōu)勢。相較于光學(xué)相機(jī)、加速度計等傳感器，微波雷達(dá)較適用于斜拉橋拉索面各拉索索力的同

步測量，以及適用于具備高密度聚乙烯（HDPE）護(hù)套的拉索索力測量。

5.2微波雷達(dá)測量設(shè)備

5.2.1微波雷達(dá)非接觸式索力測量設(shè)備應(yīng)包括雷達(dá)主機(jī)、計算機(jī)、三腳架、移動電源、數(shù)據(jù)線

等，示意圖如圖5.2.1所示。

圖5.2.1微波雷達(dá)非接觸式索力測量設(shè)備示意圖

5.2.2微波雷達(dá)非接觸式索力測量設(shè)備的工作頻率應(yīng)按國家無線電管理委員會規(guī)定，根據(jù)測試

21

要求宜在K波段中選取，具體指標(biāo)由產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定。

5.2.3微波雷達(dá)非接觸式索力測量設(shè)備的測量精度不宜低于0.02mm，距離分辨率不宜低于2m。

5.2.4微波雷達(dá)非接觸式索力測量設(shè)備的工作溫度-40℃～+65℃，應(yīng)具有防雨、防雷、防潮、

防風(fēng)沙措施，雷達(dá)主機(jī)為小功率，輻射安全應(yīng)符合《電磁環(huán)境控制限值》GB8702-2014的規(guī)定。

5.2.5微波雷達(dá)非接觸式索力測量設(shè)備應(yīng)具備雷達(dá)工作參數(shù)控制調(diào)節(jié)、被測拉索位移監(jiān)控、拉

索數(shù)據(jù)采集處理、測試數(shù)據(jù)讀取顯示等主要功能。一般應(yīng)包括以下方面：

1由于索力測試現(xiàn)場環(huán)境不同，所需配置的雷達(dá)參數(shù)（發(fā)射增益、回波門限、相干累積次數(shù)）、

輔助單元諸如激光指示器和激光測距儀工作狀態(tài)、以及微波雷達(dá)設(shè)備通信在線狀態(tài)不同，微波雷

達(dá)系統(tǒng)應(yīng)具備微波雷達(dá)工作狀態(tài)和通信狀態(tài)控制調(diào)節(jié)以及顯示功能；

2微波雷達(dá)設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)具備被測拉索距離信息和其位移時程曲線實時監(jiān)控和選取功能，以便工

作人員確定被測目標(biāo)編號和監(jiān)控數(shù)據(jù)是否異常；

3在拉索大位移振動時，即其位移變化量大于雷達(dá)設(shè)備微波波長的二分之一，微波雷達(dá)設(shè)備系

統(tǒng)應(yīng)具備自適應(yīng)相位解纏繞功能，以實現(xiàn)被測拉索真實位移數(shù)據(jù)的自動錄??；

4微波雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)具備多根拉索位移數(shù)據(jù)的實時顯示和存儲回放等功能。

5.2.6微波雷達(dá)非接觸式索力測量設(shè)備，除應(yīng)符合本指南外，尚應(yīng)符合國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)程

的規(guī)定。

5.3現(xiàn)場測試要求

5.3.1測量前應(yīng)掌握被測拉索的基本信息，具體參見本指南第4章第4.3.1條相關(guān)規(guī)定。

5.3.2現(xiàn)場測量環(huán)境應(yīng)符合下列要求：

1測試應(yīng)在不影響正常工作的振動和電磁干擾等的條件下進(jìn)行。

2氣象條件相對穩(wěn)定，應(yīng)不受到強(qiáng)電磁場、電場、以及振動等干擾。

3現(xiàn)場工作溫度、濕度等應(yīng)符合測量設(shè)備工作要求，必要時采用防護(hù)罩。

5.3.3測量前應(yīng)保證雷達(dá)主機(jī)和三腳架之間連接穩(wěn)固，保證雷達(dá)主機(jī)與計算機(jī)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)

22

連接線接觸良好。

5.3.4微波雷達(dá)設(shè)備宜布設(shè)在穩(wěn)固的地面或平臺上以避免振動。

5.3.5微波雷達(dá)設(shè)備站點視野應(yīng)能覆蓋拉索所選定測量區(qū)域，應(yīng)避免障礙物遮擋被測拉索。

5.3.6微波雷達(dá)設(shè)備站點應(yīng)符合現(xiàn)場交通條件要求，應(yīng)選擇安全區(qū)域，宜選取檢修道。

5.3.7現(xiàn)場測試中，拉索測量區(qū)域應(yīng)遠(yuǎn)離錨固端，避免模態(tài)節(jié)點區(qū)域。

5.4現(xiàn)場測量方法

5.4.1現(xiàn)場測試中，根據(jù)微波雷達(dá)站點選定的不同，測量方法主要分為以下三種，拉索位移提

取方法參見附錄C。

1當(dāng)測量單根拉索振動信號時，宜將微波雷達(dá)放置于圖5.4.1中的位置1測量。

2當(dāng)測量多根拉索索力時，現(xiàn)場測試環(huán)境較好，允許分批次測量拉索面。宜將微波雷達(dá)放置于

圖5.4.1的位置2測試距離較近的多根拉索；宜將微波雷達(dá)放置于圖5.4.1的位置3測試距離較遠(yuǎn)的

多根拉索。

3當(dāng)測量多根拉索索力時，現(xiàn)場測試環(huán)境惡劣，不允許分批次測量拉索面，宜將微波雷達(dá)放置

于圖5.4.1的位置2測試整個拉索面。針對該監(jiān)測方案，測試中微波雷達(dá)的有效測量單元數(shù)目小于

監(jiān)測拉索數(shù)，且各距離單元內(nèi)的信號為各拉索信號的混疊信號，需考慮引入信號盲源分離的方法

分離各拉索信號以滿足測試需求。

拉索測試區(qū)域拉索測試區(qū)域

拉索測試區(qū)域

位置3位置2位置1

圖5.4.1微波雷達(dá)非接觸式測索力現(xiàn)場測試位置示意圖

條文說明：

23

1在現(xiàn)場測試環(huán)境允許條件下，將微波雷達(dá)放置于橋墩上部橋面板或橋塔與橋面板連接處，

以盡量抑制橋面板的振動對測試結(jié)果的影響；同時，通過現(xiàn)場勘測以合理俯仰角度監(jiān)測橋梁拉索

位移。

2分批次測量多根拉索振動信號時，通過現(xiàn)場勘測以合理俯仰角度監(jiān)測橋梁多根拉索，從而

實現(xiàn)各拉索位于微波雷達(dá)的不同測試距離單元內(nèi)，可通過不同距離單元信息判別被測拉索編號。

3若上述分批次測試條件無法滿足，則宜將微波雷達(dá)放置橋梁底部側(cè)面，在微波雷達(dá)水平面

上盡可能同被測試多拉索平行。此時，微波雷達(dá)測試距離相對較遠(yuǎn)，其視線方向上距離單元輻射

范圍越寬，同一距離單元內(nèi)存在多根拉索。因此，需引入融合變分模態(tài)分解(VMD)和時頻分析的單

通道信號盲源分離方法進(jìn)行信號分離。具體為：1)對雷達(dá)距離單元觀測信號進(jìn)行變分模態(tài)分解；2)

將雷達(dá)距離單元觀測信號與分解得到的各獨立模態(tài)分量及其殘余項組成多維虛擬信號；3)基于貝

葉斯信息準(zhǔn)則估計雷達(dá)距離單元觀測信息中信號源的數(shù)目；4)構(gòu)建正定觀測信號，并基于時頻分

析進(jìn)行信號盲源分離；5)對源信號進(jìn)行估計；6)基于本指南第4章相關(guān)規(guī)定的索力公式進(jìn)行拉索索

力識別。

5.4.2現(xiàn)場激振條件要求參見本指南第4.4.3條相關(guān)規(guī)定。

5.5數(shù)據(jù)采集

5.5.1數(shù)據(jù)采集前應(yīng)調(diào)試微波雷達(dá)設(shè)備位姿以確定拉索測量區(qū)域位于微波雷達(dá)視線內(nèi)，上述設(shè)

備應(yīng)連接至計算機(jī)，以便于從計算機(jī)上查看實時被測拉索的回波信號。

5.5.2確定微波雷達(dá)設(shè)備站點、位姿后，在數(shù)據(jù)采集軟件中根據(jù)各拉索距離微波雷達(dá)設(shè)備的距

離確認(rèn)拉索的編號，并做好工況記錄工作。工況記錄表見附錄D，宜包含下列內(nèi)容：

1工程概況。

2檢測目的、內(nèi)容、范圍及依據(jù)。

3微波雷達(dá)設(shè)備及其參數(shù)。

4計算機(jī)采集系統(tǒng)參數(shù)選擇。

5拉索編號、基本信息、工況存儲文件夾。

6必要的數(shù)據(jù)處理過程。

5.5.3根據(jù)微波雷達(dá)的性能指標(biāo)和拉索的設(shè)計頻率、橫截面積等參數(shù)，設(shè)置采樣頻率、微波信

號相干累計次數(shù)以及數(shù)據(jù)采集長度。

24

5.5.4微波雷達(dá)設(shè)備的采樣頻率應(yīng)根據(jù)奈奎斯特采樣定理確定，即ffs2max?？紤]到微波雷達(dá)

通過測量拉索的位移響應(yīng)得到拉索頻率一般不超過五階，因此微波雷達(dá)設(shè)備的采樣頻率不宜小于

30Hz。頻率分辨率具體參考本指南第4.5.3條規(guī)定。

5.6數(shù)據(jù)分析

5.6.1數(shù)據(jù)預(yù)處理：應(yīng)對測試信號進(jìn)行檢查和評判，將采集到的拉索位移響應(yīng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟

件，應(yīng)視具體要求，宜選擇適宜的數(shù)據(jù)預(yù)處理操作（包括降噪與增強(qiáng)、去趨勢項等）。

5.6.2提取拉索位移：基于線性調(diào)頻技術(shù)，微波雷達(dá)設(shè)備通過發(fā)射并接收微波信號，得到各被

測拉索距離微波雷達(dá)的距離信息，進(jìn)而通過相位干涉法得到被測拉索的位移信號，具體原理詳見

附錄C。

5.6.3拉索頻譜分析和拉索索力計算參見本指南第4.6.4條和4.6.5條相關(guān)規(guī)定。

25

附錄A拉索振動測試及數(shù)據(jù)處理流程

A.1振動數(shù)據(jù)處理流程示意圖

拉索振動

采集參數(shù)設(shè)置儀器布置

數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)初步質(zhì)量檢查

（趨勢項消除、數(shù)據(jù)異常處理）

數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)

（濾波、分段平均、施加窗函數(shù)）據(jù)

前

處

隨機(jī)減量法自然激勵法

理

觸發(fā)水平數(shù)據(jù)長度平均參考點選擇互相關(guān)函數(shù)

單位脈沖響應(yīng)

傅里葉變換

頻率響應(yīng)函數(shù)

模態(tài)參數(shù)識別數(shù)

據(jù)

后

時域方法頻域方法

處

理

ITDERASSIPPCMIFPolyMAX

固有頻率、模態(tài)振型

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A.2頻域識別法

頻域模態(tài)參數(shù)識別法主