橋梁索結(jié)構(gòu)拉索索力測(cè)定方法研究

摘要：索結(jié)構(gòu)是橋梁的重要組成部分，故對(duì)拉索的索力進(jìn)行測(cè)定有十分重大的意義。文章對(duì)拉索索力測(cè)定方法進(jìn)行了探析，研究利用索結(jié)構(gòu)在變化環(huán)境下的隨機(jī)振動(dòng)特征來測(cè)定斜索頻率的振動(dòng)法，從而為拉索的養(yǎng)護(hù)、安全服役提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：拉索索力；振動(dòng)測(cè)定；橋梁索結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U443 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）12-0021-03

1 概述

隨著橋梁技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對(duì)于橋梁審美要求的不斷進(jìn)步，促進(jìn)了拉索結(jié)構(gòu)橋梁的快速發(fā)展。拉索作為高效地承受拉力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，被運(yùn)用于各種橋梁工程中，如斜拉橋、懸索橋等。這些橋梁結(jié)構(gòu)具有整體剛度及抗風(fēng)性能好、造型優(yōu)美、建設(shè)相對(duì)容易等優(yōu)點(diǎn)。但在水汽、海水及鹽霧等環(huán)境下，索體系橋梁中的索結(jié)構(gòu)容易腐蝕生銹，從而導(dǎo)致事故的發(fā)生。2001年宜賓南門大橋的承重鋼纜生銹，導(dǎo)致吊桿突然斷裂，橋面兩端發(fā)生坍塌，造成了巨大損失和惡劣的影響。事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)大橋的鋼纜吊桿中的4對(duì)出現(xiàn)斷裂，而這4對(duì)均為短索（吊桿）。可見監(jiān)測(cè)拉索的狀態(tài)，準(zhǔn)確測(cè)定橋梁索結(jié)構(gòu)拉索索力具有重要的實(shí)際意義。

索結(jié)構(gòu)拉索索力的測(cè)定主要是指斜拉橋和懸索橋中斜拉索或吊索中索力大小的測(cè)定。索力的大小將會(huì)影響到橋梁成橋狀態(tài)后受力和變形的狀態(tài)。在施工階段索力的控制也是此類橋梁施工控制中的一個(gè)重要問題。索力常用的測(cè)量方法分為直接法（壓力表測(cè)定法、電測(cè)定法等）和間接法（振動(dòng)頻率法等）兩類。

2 壓力表測(cè)定法

為了使斜索拉緊，在施工中采用油壓千斤頂來得到斜索的張拉力。因此可以通過千斤頂中油缸油壓和索拉力的關(guān)系，來求得索力。使用之前要對(duì)千斤頂和配套的油壓表進(jìn)行準(zhǔn)確的標(biāo)定，建立較為準(zhǔn)確的斜索索力與油壓表讀數(shù)間的相關(guān)曲線。但實(shí)際工程中，由于油壓表使用精度不高，千斤頂?shù)膬?nèi)摩擦阻力不易精確計(jì)算，使得采用油壓千斤頂法測(cè)得的索力與真實(shí)結(jié)果有出入。另外壓力表測(cè)定法只能在橋梁建設(shè)過程中運(yùn)用，橋梁建成后，就無法使

用了。

3 電測(cè)法

電測(cè)法主要的測(cè)量原理就是采用電阻應(yīng)變片，將粘有電阻應(yīng)變片的張拉連桿或筒式壓力傳感器接在千斤頂上，把索力的變化轉(zhuǎn)成電信號(hào)，由電阻應(yīng)變儀顯示出來。

電測(cè)法能夠精確測(cè)得索力，卻不適宜大量使用，因?yàn)樗鼫y(cè)量用的導(dǎo)線很長(zhǎng)，同時(shí)壓力傳感器價(jià)格昂貴，大噸位造價(jià)更高。同時(shí)隨著應(yīng)變片使用時(shí)間的增大，其對(duì)變形的反應(yīng)會(huì)變得越來越遲鈍，檢測(cè)誤差也隨之不斷增大。

4 振動(dòng)頻率法

振動(dòng)頻率法是通過實(shí)測(cè)拉索橋的固有頻率，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，進(jìn)行激振和信號(hào)采集，現(xiàn)場(chǎng)分析，可以很方便地測(cè)求索力。其原理是不計(jì)算抗彎剛度拉索的振動(dòng)微分方程為：

（1）

式中：

y——縱坐標(biāo)（垂直于索的長(zhǎng)度方向）

x——橫坐標(biāo)（索的長(zhǎng)度方向）

W——單位索長(zhǎng)的質(zhì)量

g——重力加速度

T——索的張力

t——時(shí)間

假設(shè)索結(jié)構(gòu)兩端固定，由式（1）可以求出拉索的自振頻率為：

（2）

（3）

式中：

fn——索的第n階自振頻率

l——索的計(jì)算長(zhǎng)度

n——振動(dòng)階數(shù)

用振動(dòng)測(cè)定索力的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)方便，精度能夠滿足工程應(yīng)用的需求。不需要消耗一次性儀表，所有的儀器都可以重復(fù)使用。

考慮抗彎剛度后索的自由振動(dòng)微分方程為：

（4）

式中：

EI——拉索的抗彎剛度

其余符號(hào)意義同前

假定拉索的邊界條件為兩端鉸接，可由上式解得拉索拉力為：

（5）

另外計(jì)入索自重時(shí)可解得拉索下端的拉力：

（6）

式中：

T——拉索下端的拉力

α——拉索弦線和水平方向的夾角

經(jīng)過對(duì)斜拉索實(shí)例參數(shù)分析，以上兩個(gè)公式計(jì)算結(jié)果非常接近，所以計(jì)算索力時(shí)可以不計(jì)拉索自重和斜度的影響，求得的索力為拉索下端的拉力。

經(jīng)過以上分析可知，對(duì)細(xì)長(zhǎng)拉索不計(jì)抗彎剛度時(shí)求得的索力比計(jì)入抗彎剛度時(shí)偏大，但一般不會(huì)超過3%，對(duì)于長(zhǎng)度小于40m的斜拉索和系桿拱的吊桿有可能超過5%，此時(shí)應(yīng)計(jì)入抗彎剛度的影響。

通過理論分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)拉索的初應(yīng)力較小時(shí)，計(jì)算索力時(shí)要考慮垂度的影響。斜拉索在橋梁建設(shè)過程中要經(jīng)過多次的張拉。第一次張拉索的初應(yīng)力較小，垂度較大，垂度對(duì)實(shí)測(cè)低階頻率影響較大，為了減小垂度對(duì)實(shí)測(cè)索力的影響，建議采用4階以上頻率計(jì)算索力。

對(duì)斜拉索兩端處理為鉸接或固定時(shí)，對(duì)索力的影響小于5%。如果將索長(zhǎng)增加，抗彎剛度減小，則這兩種邊界條件分析的結(jié)果會(huì)更接近。對(duì)于跨徑內(nèi)安裝減振器的斜拉索，如索長(zhǎng)度大于150m減振器對(duì)索力的影響不會(huì)超過5%；對(duì)于一般情況，應(yīng)在安裝減振器前后進(jìn)行識(shí)別，確定安裝減振器前后拉索的支承剛度。

由上面的分析可知，在求拉索索力時(shí)要用其自振頻率。因此如果能準(zhǔn)確測(cè)量索頻就可以準(zhǔn)確地測(cè)得索力。信號(hào)處理技術(shù)在計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展下取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和應(yīng)用，目前利用信號(hào)處理技術(shù)已不難解決測(cè)試頻率的問題。

在實(shí)際施工過程中，可以將以上方法綜合使用，從而收到較好的效果。

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作者簡(jiǎn)介：吳潤(rùn)澤（1993—），男，安徽五河人，西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：橋梁。

（責(zé)任編輯：吳 濤）