軍都山斜拉渡槽索力測(cè)試

李召娟

(河北道橋工程檢測(cè)有限公司)

軍都山斜拉渡槽是北京市延慶縣白河堡水庫(kù)南干渠上的重要輸水建筑物。該渡槽是一座跨度為 66m+126m+ 66m的雙塔雙索面懸浮式混凝土斜拉渡槽,是我國(guó)目前最大跨度和流量的斜拉渡槽,其寬跨比僅為 1/39.375,是世界上寬跨比最小的斜拉鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之一。該渡槽結(jié)構(gòu)采用扇形密索、四柱框架式塔墩、U形斷面主梁(即槽身)、三孔連續(xù)的塔墩固結(jié)懸浮體系。該地區(qū)為山口地帶,冬春季多風(fēng),最大風(fēng)速達(dá)24m/s。

每塔 10對(duì)斜拉索和垂直索組成一個(gè)索面。全橋共 84根拉索,其中外邊索與槽身最小夾角21°,最大索長(zhǎng) 65.1m。每根索根據(jù)拉力大小分別采用 4、6、8根Φ15(7Φ5)鋼絞線,兩端用組合式槽銷(xiāo)錨錨固在索塔和槽身牛腿上。拉索外套PE管,采用內(nèi)灌水泥改性漿的方法進(jìn)行拉索防護(hù)。

1 現(xiàn)有的一些索力測(cè)試方法

斜拉索是斜拉渡槽、塔和索體系中的一個(gè)重要組成部分,斜拉索索力大小直接影響渡槽上部結(jié)構(gòu)的受力和變形狀態(tài)。渡槽在使用過(guò)程中,拉索往往由于腐蝕和振動(dòng)等原因受到損害,導(dǎo)致拉索的索力松弛,而變化的索力會(huì)影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布和結(jié)構(gòu)線型,因此索力可以作為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估的重要指標(biāo)。

目前,索力測(cè)定的方法有以下幾種。

(1)壓力表測(cè)定法。由于千斤頂?shù)膹埨透字幸簤汉蛷埨τ兄苯拥年P(guān)系,所以測(cè)定張拉油缸的液壓,就可求得索力。壓力表測(cè)定法是施工過(guò)程中控制索力最常用的一種方法,但它無(wú)法測(cè)量已張拉完畢的拉索。

(2)壓力傳感器測(cè)定法。張拉時(shí),在千斤頂張拉活塞與連接桿螺母之間套裝一個(gè)穿心式的壓力傳感器,受壓后輸出電訊號(hào),于是就可在配套的二次儀表上讀出千斤頂?shù)膹埨Α毫鞲衅鞯氖蹆r(jià)相當(dāng)高,尤其是大噸位的傳感器就更貴,自身重量也大。因此只在特定場(chǎng)合下使用。

(3)其他方法。包括電阻應(yīng)變片測(cè)定法、拉索伸長(zhǎng)量測(cè)定法和索拉力垂度關(guān)系測(cè)定法。這三種方法從理論上講是可行的,但實(shí)施會(huì)遇到較多的實(shí)際問(wèn)題,一般不予采用。

由以上分析可知,現(xiàn)有的這些直接測(cè)定索力的方法,或者不盡合適,或者無(wú)法復(fù)測(cè)索力。

2 振動(dòng)法測(cè)索力及存在的一些問(wèn)題

振動(dòng)法也稱(chēng)為頻率法,即實(shí)測(cè)斜拉索的固有頻率,利用索的張力和固有頻率的關(guān)系計(jì)算索力。振動(dòng)法可采用激振器激振或人工激振,亦可采用環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法。測(cè)試時(shí)用索夾或綁帶將傳感器固定在拉索上,以環(huán)境振動(dòng)或者強(qiáng)迫激勵(lì)拉索,傳感器記錄下時(shí)程數(shù)據(jù),并由此識(shí)別出索的振動(dòng)頻率。

振動(dòng)法測(cè)定索力,設(shè)備可重復(fù)使用,整套儀器攜帶、安裝方便,測(cè)定結(jié)果可靠。當(dāng)需要對(duì)已施工完畢的斜拉索的索力進(jìn)行復(fù)測(cè)時(shí),頻率法幾乎是惟一的選擇。

采用基于振動(dòng)理論的頻率法,其索力測(cè)量精度受到很多因素的影響,下面列出主要的影響因素并尋求出解決的辦法。

(1)實(shí)際的拉索具有一定的抗彎剛度。

將拉索的抗彎剛度考慮進(jìn)弦振動(dòng)理論,其微元的動(dòng)力平衡微分方程為

式中:y為橫向坐標(biāo)(垂直于拉索的長(zhǎng)度方向);X為縱向坐標(biāo)(沿拉索的長(zhǎng)度方向);m為單位索重;T為拉索的索力;t為時(shí)間;EI為拉索的抗彎剛度。

當(dāng)拉索兩端的邊界條件鉸支時(shí),上述微分方程的解可以表示拉索索力的顯示解

式中:T、m、EI同上;l為拉索的長(zhǎng)度,m;fn為拉索的第n階振動(dòng)頻率,Hz;n為拉索的振動(dòng)階次。

(2)實(shí)際的拉索由于自重具有一定的垂度。

面內(nèi)對(duì)稱(chēng)振動(dòng)使有一定垂度的索伸長(zhǎng),因而產(chǎn)生附加的拉力,從而對(duì)面內(nèi)對(duì)稱(chēng)振動(dòng)產(chǎn)生影響。而面外振動(dòng)不會(huì)引起索的伸長(zhǎng),因而索的垂度對(duì)索的面外自振頻率沒(méi)有任何影響。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí),如將加速度傳感器側(cè)向捆綁,則可采集到面外振動(dòng)的數(shù)據(jù)。從而所測(cè)索的自振頻率不受索的垂度的影響。

(3)拉索的邊界條件(計(jì)算長(zhǎng)度)的影響。

斜拉索一般采用 Φ5或 Φ7的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲并攏經(jīng)大節(jié)距扭絞而形成的半平行鋼絲索。從實(shí)驗(yàn)得知,扭絞角小于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)公式為

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。

3 用振動(dòng)法對(duì)軍都山渡槽斜拉索進(jìn)行索力測(cè)試

測(cè)量時(shí)不必對(duì)被測(cè)的拉索進(jìn)行人為激振。由于風(fēng)等環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)的激勵(lì),拉索一直在作微幅的隨機(jī)振動(dòng)。加速度傳感器將拉索的這種隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào),電信號(hào)經(jīng)放大器放大后送到信號(hào)分析儀或帶有信號(hào)分析軟件的計(jì)算機(jī)中進(jìn)行譜分析,便能確定被測(cè)拉索的振動(dòng)頻率。

自振特性的測(cè)量及分析儀器采用加速度傳感器配濾波放大器和便攜式數(shù)據(jù)采集分析儀,具體型號(hào)及配套框圖如下:

圖1 斜拉索索力測(cè)試流程圖

本次數(shù)據(jù)采集采用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所的INV306型智能信號(hào)采集分析系統(tǒng)。測(cè)量斜拉索索力的基本步驟:

(1)將加速度傳感器用索夾或綁帶側(cè)向固定在索上人手可及的高度;

(2)測(cè)量并記錄各測(cè)點(diǎn)水平方向的面外振動(dòng)信號(hào);

(3)對(duì)測(cè)得的各點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行譜分析處理,得到各測(cè)點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)的功率譜;

(4)各階模態(tài)的自振頻率可以通過(guò)譜圖上的峰值位置來(lái)確定;

(5)根據(jù)拉索的索力與其自振頻率存在的關(guān)系推算出該拉索的索力。

圖2為一測(cè)點(diǎn)的典型的環(huán)境振動(dòng)加速度時(shí)程曲線,對(duì)采集到的環(huán)境振動(dòng)加速度進(jìn)行自功率譜分析,即可得到圖 3典型的振動(dòng)功率譜曲線。將拉索的抗彎剛度、索長(zhǎng)、單位索重及索兩端的支承條件等參數(shù)輸入分析系統(tǒng),即可得出拉索的索力。當(dāng)然,也可以利用公式(2)自己算出。

圖2 典型的斜拉索環(huán)境振動(dòng)加速度時(shí)程曲線(3號(hào)斜拉索)

圖3 典型的振動(dòng)功率譜曲線(3號(hào)斜拉索)

圖4 典型的斜拉索索力曲線圖(3號(hào)斜拉索)

通過(guò)對(duì)軍都山斜拉渡槽 84根斜拉索頻率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,即可得出每根拉索的索力值。

實(shí)測(cè)過(guò)程中存在以下一些問(wèn)題。

(1)由于一階振型在索中央處振幅較大,在端部振幅很小,實(shí)測(cè)中受條件限制,傳感器只能安裝在拉索靠近橋面端附近,因而一般得到的信號(hào)中基頻成份就相對(duì)較小,而高次諧波成份占優(yōu)勢(shì)。由弦理論公式可知,當(dāng)索力一定時(shí),高階頻率是基頻的整數(shù)倍,表現(xiàn)在功率譜上則是譜上會(huì)出現(xiàn)一系列等間距的峰值,峰值的間距就是基頻。由此我們可以判斷出各峰值對(duì)應(yīng)的為幾階頻率。

(2)對(duì)于環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試,由于干擾因素較多,所以采樣時(shí)間要適當(dāng)加長(zhǎng)。一般可設(shè)為600s。

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