斜拉橋索力測(cè)試方法的研究
2018-04-23
斜拉索是斜拉橋的主要承載構(gòu)件，斜拉索的工作狀態(tài)是斜拉橋是否處于正常狀態(tài)的主要決定因素，因此，斜拉橋索力測(cè)量的準(zhǔn)確與否是關(guān)系到斜拉橋施工監(jiān)控能否順利實(shí)施、斜拉橋能否成功修建以及正常運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
1．斜拉橋索力的測(cè)試方法
斜拉橋索力測(cè)試的方法很多，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，目前常用的方法有：壓力表測(cè)定法、壓力傳感器測(cè)定法、磁通量法和頻率法。
壓力表測(cè)定法的原理是根據(jù)千斤頂張拉油缸中的液壓推算千斤頂?shù)膹埨?，并認(rèn)為千斤頂?shù)膹埨偷扔诶魉髁ΑＫ?，只要通過(guò)精密壓力表或液壓傳感器測(cè)定油缸的液壓，就可求得索力。通常使用0.3~0.5級(jí)的精密壓力表，并應(yīng)事先對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)得索力的精度可達(dá)到1%~2%。
壓力表測(cè)定法簡(jiǎn)單易行，比較直觀、可靠，是施工中控制索力最適用的方法。但該法所用儀器較笨重，移動(dòng)不便，且經(jīng)常有油不回零的情況，影響測(cè)試精度。并且不適合于已張拉好的斜拉索，如運(yùn)營(yíng)中的索力測(cè)試。
壓力傳感器測(cè)定法的原理是張拉時(shí)，在張拉連桿上粘貼應(yīng)變片或利用穿心式壓力傳感器，也可在錨頭和錨座之間安裝測(cè)力傳感器，進(jìn)而通過(guò)二次儀表的讀數(shù)得到千斤頂?shù)膹埨Α＿x擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅鞒梢詽M足施工控制監(jiān)測(cè)要求外，還可用于橋梁使用過(guò)程中的索力測(cè)量。這種方法精度可達(dá)0.5%~1.0%。
壓力傳感器測(cè)定法精度相對(duì)較高。但使用時(shí)傳感器必須與千斤頂配合使用，所以該方法也只限于施工階段的索力測(cè)試。此外，壓力傳感器售價(jià)相當(dāng)昂貴，只能在特定場(chǎng)合下使用。
磁通量法是利用放置在索中的小型電磁傳感器，測(cè)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。該法所用的關(guān)鍵儀器是電磁傳感器（E—M傳感器），這種傳感器由兩層線圈組成，除磁化拉索外，它不會(huì)影響拉索的力學(xué)及物理特性。對(duì)任一種鐵磁材料，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行幾組應(yīng)力、溫度下的試驗(yàn)，建立磁通量變化與結(jié)構(gòu)應(yīng)力、溫度的關(guān)系后，即可用來(lái)測(cè)定由該種材料制造的拉索索力。
材料中的應(yīng)力變化時(shí)，磁滯曲線也發(fā)生變化。測(cè)定磁通量滲透系數(shù)就可推算出拉索的應(yīng)力。
用磁通量法測(cè)定斜拉橋的索力，國(guó)外應(yīng)用較多，多座實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的安全檢測(cè)表明效果很好，目前我市也有幾座橋梁安裝了磁通量傳感器，但是磁通量傳感器有一定次數(shù)的壽命并且采集具有滯后性。
頻率法是依據(jù)索力與索的振動(dòng)頻率之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系的特點(diǎn)，在已知索長(zhǎng)度、兩端約束情況、分布質(zhì)量等參數(shù)時(shí)，將高靈敏度的拾振器綁在斜拉索上，拾取拉索在環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換和頻譜分析即可測(cè)出斜拉索的自振頻率，進(jìn)而由索力與拉索自振頻率之間的關(guān)系獲得索力。這是一種間接方法?，F(xiàn)有儀器及分析手段，測(cè)定頻率精度可達(dá)到0.005Hz。
對(duì)于張緊的斜拉索，當(dāng)其垂度的影響忽略不計(jì)時(shí)，在其無(wú)阻尼時(shí)的自由振動(dòng)微分方程為：
（1）
其中：x為沿索向的坐標(biāo)；y（x，t）為斜拉索在t時(shí)刻垂直于索向的撓度；EI為索的抗彎剛度；t為時(shí)間，F(xiàn)為索內(nèi)拉力，假定沿索均勻分布，并不隨時(shí)間而變化；m為索單位長(zhǎng)度的質(zhì)量。
假定索的兩端為鉸支，則該微分方程的解為：
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其中：n為索自振頻率的階數(shù)（即拉索長(zhǎng)度內(nèi)的半波個(gè)數(shù)）；為索的第n階自振頻率（s-1）；l為拉索的自由或撓曲長(zhǎng)度。
由式（2）可得：
?。?）
這樣，在頻域里，斜拉索的頻譜就是一個(gè)個(gè)間距逐漸加大的譜線。
而根據(jù)索長(zhǎng)而細(xì)的結(jié)構(gòu)特征（長(zhǎng)度一般都是其直徑的500倍以上），索的抗彎剛度與索長(zhǎng)的平方相比很小。那么，在階次n不太大的情況下，根號(hào)內(nèi)的第二項(xiàng)比第一項(xiàng)要小得多，對(duì)頻率的影響很小，所以譜線接近等間距。大多數(shù)情況下，可以忽略不計(jì)，則（3）式簡(jiǎn)化為：
（4）
其中，為斜拉索自由振動(dòng)的第一自振頻率，頻譜圖從而完全成為等間距的譜線。
由譜線圖可以準(zhǔn)確地判斷出哪些譜線是索的自振頻率及其自振頻率的階數(shù)n，再進(jìn)一步求得索力。
目前我國(guó)大部分成橋索力的測(cè)量方法是采用頻率法。
2 頻率法測(cè)定索力的影響因素
用頻率法進(jìn)行索力測(cè)試，具有快速、方便、實(shí)用、可重復(fù)測(cè)試的特點(diǎn)，精確度較高（測(cè)試精度可以達(dá)到萬(wàn)分之一）。但頻率法所確定的索力精度在很大程度上取決于索本身參數(shù)的可靠性（諸如索的彎曲剛度、索的計(jì)算長(zhǎng)度、索的線密度等），各參數(shù)的偏差會(huì)影響到索力計(jì)算的精度。另外，拉索的斜度、垂度及邊界條件等因素也有相應(yīng)的影響。
拉索垂度：（1）用偶數(shù)階模態(tài)的頻率測(cè)算索力時(shí)，力測(cè)量精度不受拉索垂度影響；（2）測(cè)量索力時(shí)盡量不采用奇數(shù)階模態(tài)的頻率，若采用奇數(shù)階模態(tài)的頻率計(jì)索力時(shí)應(yīng)進(jìn)行修正，則索力算結(jié)果偏大。
拉索計(jì)算長(zhǎng)度：斜拉索一般采用φ5mm或φ7mm的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲并攏經(jīng)大節(jié)距扭絞，繞包且在其外熱擠包裹高密度聚乙烯護(hù)層而形成的半平行鋼絲索，這種索撓曲性能好，可以自由地纏繞在卷筒上進(jìn)行長(zhǎng)途運(yùn)輸，亦在工廠中機(jī)械化制作。從試驗(yàn)得知，紐絞角小于4°時(shí)，其彈性模量和疲勞性能不受損減。斜拉索兩端為冷鑄墩頭錨。這種拉索既非理想的柔性索，兩端也不完全是固定鉸接。對(duì)于理論模型與實(shí)際拉索邊界條件的差別可以用修正索長(zhǎng)的辦法進(jìn)行模擬，即用于索力計(jì)算的計(jì)算索長(zhǎng)L的取值要比拉索兩端的實(shí)際錨固點(diǎn)間距小。經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)分析整理得出，索長(zhǎng)修正的經(jīng)驗(yàn)公式
式中，L為斜拉索的計(jì)算索長(zhǎng)；L0為斜拉索上下兩端索孔錨板中心的幾何距離；D為斜拉索外徑。
拉索抗彎剛度：（1）若不考慮拉索抗彎慣性矩的影響，應(yīng)盡量采用低階頻率，階數(shù)越高，越偏離其真值，其誤差也就越大；（2）若考慮拉索抗彎慣性矩的影響，其低階和高階頻率均可采用；（3）抗彎慣性矩對(duì)短粗索的索力影響較大，對(duì)長(zhǎng)細(xì)索的索力影響較小；（4）對(duì)同一規(guī)格的斜拉索，其索長(zhǎng)越長(zhǎng)，抗彎慣性矩對(duì)索力的影響越小。
3．測(cè)量條件對(duì)索力測(cè)量的影響
在用頻率法測(cè)量索力時(shí)，為減小各種因素影響、提高測(cè)量精度，索力測(cè)量應(yīng)遵守以下規(guī)則：（1）索力測(cè)量在清晨日出前進(jìn)行，以避免日照對(duì)索力的影響；（2）測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)雨天、大風(fēng)天，避開(kāi)大風(fēng)的振動(dòng)干擾，否則人工激振不明顯；（3）如果人工前拉索已存在較大的振動(dòng)，應(yīng)可采取適當(dāng)措施，先減小拉索自振振幅，然后再用人工激振，這樣會(huì)測(cè)好的低階頻率；（4）測(cè)量采樣時(shí)間要適當(dāng)。時(shí)間太短，采樣數(shù)據(jù)少，分析得到的頻率不夠準(zhǔn)確；時(shí)間太長(zhǎng)，人工激振的低階振型衰減，高頻振型占優(yōu)。
4. 結(jié)論
壓力表測(cè)定法和壓力傳感器測(cè)定法一般僅適用于正在張拉的斜拉索的索力測(cè)定，很難用于對(duì)已張拉斜拉索的索力進(jìn)行測(cè)試。磁通量法是測(cè)定斜拉橋索力的非破壞性方法，可以用于已張拉斜拉索的索力測(cè)試，但我國(guó)當(dāng)前無(wú)論在技術(shù)上，還是經(jīng)驗(yàn)上都很不完善。因此，當(dāng)需要對(duì)已施工完畢的斜拉索進(jìn)行索力復(fù)測(cè)時(shí)，頻率法幾乎是較好的選擇。
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