斜拉桥索力测试方法的研究
2018-04-23
斜拉索是斜拉桥的主要承载构件，斜拉索的工作状态是斜拉桥是否处于正常状态的主要决定因素，因此，斜拉桥索力测量的准确与否是关系到斜拉桥施工监控能否顺利实施、斜拉桥能否成功修建以及正常运行的关键问题之一。
1．斜拉桥索力的测试方法
斜拉桥索力测试的方法很多，经过多年的实践，目前常用的方法有：压力表测定法、压力传感器测定法、磁通量法和频率法。
压力表测定法的原理是根据千斤顶张拉油缸中的液压推算千斤顶的张拉力，并认为千斤顶的张拉力就等于拉索索力。所以，只要通过精密压力表或液压传感器测定油缸的液压，就可求得索力。通常使用0.3~0.5级的精密压力表，并应事先对液压系统进行标定，测得索力的精度可达到1%~2%。
压力表测定法简单易行，比较直观、可靠，是施工中控制索力最适用的方法。但该法所用仪器较笨重，移动不便，且经常有油不回零的情况，影响测试精度。并且不适合于已张拉好的斜拉索，如运营中的索力测试。
压力传感器测定法的原理是张拉时，在张拉连杆上粘贴应变片或利用穿心式压力传感器，也可在锚头和锚座之间安装测力传感器，进而通过二次仪表的读数得到千斤顶的张拉力。选择恰当的传感器除可以满足施工控制监测要求外，还可用于桥梁使用过程中的索力测量。这种方法精度可达0.5%~1.0%。
压力传感器测定法精度相对较高。但使用时传感器必须与千斤顶配合使用，所以该方法也只限于施工阶段的索力测试。此外，压力传感器售价相当昂贵，只能在特定场合下使用。
磁通量法是利用放置在索中的小型电磁传感器，测定磁通量变化，根据索力、温度与磁通量变化的关系，推算索力。该法所用的关键仪器是电磁传感器（E—M传感器），这种传感器由两层线圈组成，除磁化拉索外，它不会影响拉索的力学及物理特性。对任一种铁磁材料，在实验室进行几组应力、温度下的试验，建立磁通量变化与结构应力、温度的关系后，即可用来测定由该种材料制造的拉索索力。
材料中的应力变化时，磁滞曲线也发生变化。测定磁通量渗透系数就可推算出拉索的应力。
用磁通量法测定斜拉桥的索力，国外应用较多，多座实际桥梁结构的安全检测表明效果很好，目前我市也有几座桥梁安装了磁通量传感器，但是磁通量传感器有一定次数的寿命并且采集具有滞后性。
频率法是依据索力与索的振动频率之间存在对应关系的特点，在已知索长度、两端约束情况、分布质量等参数时，将高灵敏度的拾振器绑在斜拉索上，拾取拉索在环境振动激励下的振动信号，经过滤波、信号放大、A/D转换和频谱分析即可测出斜拉索的自振频率，进而由索力与拉索自振频率之间的关系获得索力。这是一种间接方法。现有仪器及分析手段，测定频率精度可达到0.005Hz。
对于张紧的斜拉索，当其垂度的影响忽略不计时，在其无阻尼时的自由振动微分方程为：
（1）
其中：x为沿索向的坐标；y（x，t）为斜拉索在t时刻垂直于索向的挠度；EI为索的抗弯刚度；t为时间，F为索内拉力，假定沿索均匀分布，并不随时间而变化；m为索单位长度的质量。
假定索的两端为铰支，则该微分方程的解为：
（2）
其中：n为索自振频率的阶数（即拉索长度内的半波个数）；为索的第n阶自振频率（s-1）；l为拉索的自由或挠曲长度。
由式（2）可得：
（3）
这样，在频域里，斜拉索的频谱就是一个个间距逐渐加大的谱线。
而根据索长而细的结构特征（长度一般都是其直径的500倍以上），索的抗弯刚度与索长的平方相比很小。那么，在阶次n不太大的情况下，根号内的第二项比第一项要小得多，对频率的影响很小，所以谱线接近等间距。大多数情况下，可以忽略不计，则（3）式简化为：
（4）
其中，为斜拉索自由振动的第一自振频率，频谱图从而完全成为等间距的谱线。
由谱线图可以准确地判断出哪些谱线是索的自振频率及其自振频率的阶数n，再进一步求得索力。
目前我国大部分成桥索力的测量方法是采用频率法。
2 频率法测定索力的影响因素
用频率法进行索力测试，具有快速、方便、实用、可重复测试的特点，精确度较高（测试精度可以达到万分之一）。但频率法所确定的索力精度在很大程度上取决于索本身参数的可靠性（诸如索的弯曲刚度、索的计算长度、索的线密度等），各参数的偏差会影响到索力计算的精度。另外，拉索的斜度、垂度及边界条件等因素也有相应的影响。
拉索垂度：（1）用偶数阶模态的频率测算索力时，力测量精度不受拉索垂度影响；（2）测量索力时尽量不采用奇数阶模态的频率，若采用奇数阶模态的频率计索力时应进行修正，则索力算结果偏大。
拉索计算长度：斜拉索一般采用φ5mm或φ7mm的预应力高强钢丝并拢经大节距扭绞，绕包且在其外热挤包裹高密度聚乙烯护层而形成的半平行钢丝索，这种索挠曲性能好，可以自由地缠绕在卷筒上进行长途运输，亦在工厂中机械化制作。从试验得知，纽绞角小于4°时，其弹性模量和疲劳性能不受损减。斜拉索两端为冷铸墩头锚。这种拉索既非理想的柔性索，两端也不完全是固定铰接。对于理论模型与实际拉索边界条件的差别可以用修正索长的办法进行模拟，即用于索力计算的计算索长L的取值要比拉索两端的实际锚固点间距小。经过大量的数据分析整理得出，索长修正的经验公式
式中，L为斜拉索的计算索长；L0为斜拉索上下两端索孔锚板中心的几何距离；D为斜拉索外径。
拉索抗弯刚度：（1）若不考虑拉索抗弯惯性矩的影响，应尽量采用低阶频率，阶数越高，越偏离其真值，其误差也就越大；（2）若考虑拉索抗弯惯性矩的影响，其低阶和高阶频率均可采用；（3）抗弯惯性矩对短粗索的索力影响较大，对长细索的索力影响较小；（4）对同一规格的斜拉索，其索长越长，抗弯惯性矩对索力的影响越小。
3．测量条件对索力测量的影响
在用频率法测量索力时，为减小各种因素影响、提高测量精度，索力测量应遵守以下规则：（1）索力测量在清晨日出前进行，以避免日照对索力的影响；（2）测量时应尽量避开雨天、大风天，避开大风的振动干扰，否则人工激振不明显；（3）如果人工前拉索已存在较大的振动，应可采取适当措施，先减小拉索自振振幅，然后再用人工激振，这样会测好的低阶频率；（4）测量采样时间要适当。时间太短，采样数据少，分析得到的频率不够准确；时间太长，人工激振的低阶振型衰减，高频振型占优。
4. 结论
压力表测定法和压力传感器测定法一般仅适用于正在张拉的斜拉索的索力测定，很难用于对已张拉斜拉索的索力进行测试。磁通量法是测定斜拉桥索力的非破坏性方法，可以用于已张拉斜拉索的索力测试，但我国当前无论在技术上，还是经验上都很不完善。因此，当需要对已施工完毕的斜拉索进行索力复测时，频率法几乎是较好的选择。
参考文献：
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