斜拉橋索力測試方法的研究
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，斜拉橋索力測量的準確與否是關(guān)系到斜拉橋施工監(jiān)控能否順利實施、斜拉橋能否成功修建以及正常運行的關(guān)鍵問題之一。
1．斜拉橋索力的測試方法
斜拉橋索力測試的方法很多，經(jīng)過多年的實踐，目前常用的方法有：壓力表測定法、壓力傳感器測定法、磁通量法和頻率法。
壓力表測定法的原理是根據(jù)千斤頂張拉油缸中的液壓推算千斤頂?shù)膹埨Γ⒄J為千斤頂?shù)膹埨偷扔诶魉髁?。所以，只要通過精密壓力表或液壓傳感器測定油缸的液壓，就可求得索力。通常使用0.3~0.5級的精密壓力表，并應(yīng)事先對液壓系統(tǒng)進行標定，測得索力的精度可達到1%~2%。
壓力表測定法簡單易行，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，移動不便，且經(jīng)常有油不回零的情況，影響測試精度。并且不適合于已張拉好的斜拉索，如運營中的索力測試。
壓力傳感器測定法的原理是張拉時，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力傳感器，進而通過二次儀表的讀數(shù)得到千斤頂?shù)膹埨?。選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅鞒梢詽M足施工控制監(jiān)測要求外，還可用于橋梁使用過程中的索力測量。這種方法精度可達0.5%~1.0%。
壓力傳感器測定法精度相對較高。但使用時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試。此外，壓力傳感器售價相當(dāng)昂貴，只能在特定場合下使用。
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，它不會影響拉索的力學(xué)及物理特性。對任一種鐵磁材料，在實驗室進行幾組應(yīng)力、溫度下的試驗，建立磁通量變化與結(jié)構(gòu)應(yīng)力、溫度的關(guān)系后，即可用來測定由該種材料制造的拉索索力。
材料中的應(yīng)力變化時，磁滯曲線也發(fā)生變化。測定磁通量滲透系數(shù)就可推算出拉索的應(yīng)力。
用磁通量法測定斜拉橋的索力，國外應(yīng)用較多，多座實際橋梁結(jié)構(gòu)的安全檢測表明效果很好，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)索力與索的振動頻率之間存在對應(yīng)關(guān)系的特點，在已知索長度、兩端約束情況、分布質(zhì)量等參數(shù)時，將高靈敏度的拾振器綁在斜拉索上，拾取拉索在環(huán)境振動激勵下的振動信號，經(jīng)過濾波、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換和頻譜分析即可測出斜拉索的自振頻率，進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。現(xiàn)有儀器及分析手段，測定頻率精度可達到0.005Hz。
對于張緊的斜拉索，當(dāng)其垂度的影響忽略不計時，在其無阻尼時的自由振動微分方程為：
（1）
其中：x為沿索向的坐標；y（x，t）為斜拉索在t時刻垂直于索向的撓度；EI為索的抗彎剛度；t為時間，F(xiàn)為索內(nèi)拉力，假定沿索均勻分布，并不隨時間而變化；m為索單位長度的質(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)（即拉索長度內(nèi)的半波個數(shù)）；為索的第n階自振頻率（s-1）；l為拉索的自由或撓曲長度。
由式（2）可得：
?。?）
這樣，在頻域里，斜拉索的頻譜就是一個個間距逐漸加大的譜線。
而根據(jù)索長而細的結(jié)構(gòu)特征（長度一般都是其直徑的500倍以上），索的抗彎剛度與索長的平方相比很小。那么，在階次n不太大的情況下，根號內(nèi)的第二項比第一項要小得多，對頻率的影響很小，所以譜線接近等間距。大多數(shù)情況下，可以忽略不計，則（3）式簡化為：
（4）
其中，為斜拉索自由振動的第一自振頻率，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，再進一步求得索力。
目前我國大部分成橋索力的測量方法是采用頻率法。
2 頻率法測定索力的影響因素
用頻率法進行索力測試，具有快速、方便、實用、可重復(fù)測試的特點，精確度較高（測試精度可以達到萬分之一）。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、索的計算長度、索的線密度等），各參數(shù)的偏差會影響到索力計算的精度。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)的頻率測算索力時，力測量精度不受拉索垂度影響；（2）測量索力時盡量不采用奇數(shù)階模態(tài)的頻率，若采用奇數(shù)階模態(tài)的頻率計索力時應(yīng)進行修正，則索力算結(jié)果偏大。
拉索計算長度：斜拉索一般采用φ5mm或φ7mm的預(yù)應(yīng)力高強鋼絲并攏經(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行長途運輸，亦在工廠中機械化制作。從試驗得知，紐絞角小于4°時，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。對于理論模型與實際拉索邊界條件的差別可以用修正索長的辦法進行模擬，即用于索力計算的計算索長L的取值要比拉索兩端的實際錨固點間距小。經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)分析整理得出，索長修正的經(jīng)驗公式
式中，L為斜拉索的計算索長；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）抗彎慣性矩對短粗索的索力影響較大，對長細索的索力影響較小；（4）對同一規(guī)格的斜拉索，其索長越長，抗彎慣性矩對索力的影響越小。
3．測量條件對索力測量的影響
在用頻率法測量索力時，為減小各種因素影響、提高測量精度，索力測量應(yīng)遵守以下規(guī)則：（1）索力測量在清晨日出前進行，以避免日照對索力的影響；（2）測量時應(yīng)盡量避開雨天、大風(fēng)天，避開大風(fēng)的振動干擾，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，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，這樣會測好的低階頻率；（4）測量采樣時間要適當(dāng)。時間太短，采樣數(shù)據(jù)少，分析得到的頻率不夠準確；時間太長，人工激振的低階振型衰減，高頻振型占優(yōu)。
4. 結(jié)論
壓力表測定法和壓力傳感器測定法一般僅適用于正在張拉的斜拉索的索力測定，很難用于對已張拉斜拉索的索力進行測試。磁通量法是測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試，但我國當(dāng)前無論在技術(shù)上，還是經(jīng)驗上都很不完善。因此，當(dāng)需要對已施工完畢的斜拉索進行索力復(fù)測時，頻率法幾乎是較好的選擇。
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