頻率法測短吊桿索力測量方法的比較分析

劉靈勇，陳 強

(湖南城市學院，湖南益陽413000)

湖南益陽康富南路跨線橋主跨為120 m下承式鋼管混凝土系桿拱。如今系桿拱橋的應(yīng)用越來越廣，其吊桿作為其重要部件直接影響系桿拱橋的壽命。在施工監(jiān)控階段，吊桿的受力是其重要的監(jiān)測內(nèi)容。在營運階段，吊桿的受力的監(jiān)測也很重要，吊桿受力情況直接影響著橋梁的內(nèi)力分布和穩(wěn)定性。以前修建的系桿拱橋，因為缺乏保護和合理的養(yǎng)護維修，其吊桿的受力狀態(tài)大部分都令人堪憂。因此，對系桿拱橋吊桿索力測試進行系統(tǒng)研究是很有必要［1］。

1 吊桿索力的測試方法

對于系桿拱橋柔性吊索的拉力測試方法，目前在工程上常用的有直接法和間接法兩類。直接法有壓力表測定法和電測法等。電測法是運用電阻應(yīng)變片測量的原理，像粘貼有電阻應(yīng)變片的張拉連桿或壓力傳感器等。間接法中常有的有振動頻率法。這些方法中壓力表測試法主要應(yīng)用于橋梁施工階段對吊索張力的控制;壓力傳感器法可用于橋梁運營階段橋也可應(yīng)用于梁施工階段，但如今壓力傳感器的相對價格較高，在橋梁運營階段其實際使用得非常少;以弦振動理論為基礎(chǔ)的振動頻率法是橋梁健康檢測中檢測索力的一種常用間接方法。這種方法因為原理明晰、測試技術(shù)成熟等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于斜拉橋、懸索橋、系桿拱橋等懸吊結(jié)構(gòu)索力的測試。振動法頻率法利用吊索的振動和吊索拉力之間的關(guān)系，通過測定吊索的自振頻率及確定吊索的關(guān)鍵參數(shù)，建立頻率和索力之間的方程求得索力，由于系桿拱橋的吊桿比較短，且吊桿索力受兩端約束條件影響比較大，根據(jù)本例實際考慮了短粗拉索的抗彎剛度，采用邊界條件為兩端鉸接拉索的自由振動進行分析，建立由頻率識別拉索索力的近似公式。對拉索索力影響較大的參數(shù)有斜拉索計算長度，拉索振動基頻，索的重力集度［2-3］。

2 吊桿索力測試

2.1 頻率法測短吊桿索力測量方法

本文以益陽康富南路跨線橋為實例，對其吊桿索力分別采用DASP動態(tài)采集分析系統(tǒng)和JMM-268索力動測儀進行測試，從而比較兩種頻率測量方法用于短吊桿索力測量的優(yōu)劣?？蹈荒下房缇€橋立面布置圖如圖1所示。

圖1 康富南路跨線橋立面布置圖Fig.1 Facade layout of Kangfu South Road Overpass

2.2 吊桿編號及測點布置

2.2.1 吊桿編號

吊桿編號在拱橋西邊 (W)外層 (W)吊桿由南S往北N編為1#(WW1)至12#(WW12)，在拱橋西邊 (W)內(nèi)層 (N)吊桿由南S往北N編為1#(WN1)至22#(WN22)，在拱橋東邊(E)外層(W)吊桿由南S往北N編為1#(EW1)至12#(EW12)，在拱橋東邊 (E)內(nèi)層(N)吊桿由南S往北N編為1#(EN1)至22#(EN22)編號，如圖2所示。

圖2 索力測試吊桿編號圖Fig.2 Numbering of suspenders for cable force test

2.2.2 測點布置

本試驗對西邊外索1#(WWI)、6#(WW6)，內(nèi)索1#(WNI)、6#(WN6)、11#(WN11);東邊外索1#(EWI)、6#(EW6)，內(nèi)索1#(ENI)、6#(EN6)、11#(EN11)進行布點測量。

3 測試方法

分別采用DASP動態(tài)采集分析系統(tǒng)和JMM-268索力動測儀進行測點索力的測量。

DASP動態(tài)采集分析系統(tǒng)通過壓電式加速度傳感器采集時域隨機振動信號。傳感器采集的振動信號經(jīng)放大、然后把放大后的振動信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再傳送至電腦，再由DASP動態(tài)數(shù)據(jù)分析軟件進行頻譜分析和時域分析，以確定橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型等。其系統(tǒng)框架如圖3所示。用DASP測試系統(tǒng)測量索力，如圖4所示。

圖3 DASP動態(tài)采集分析測試系統(tǒng)框圖Fig.3 Diagram of DASP dynamic collection and analysis test system

JMM-268索力動測儀是一種便攜式微振動信號的單通道或雙通道振動檢測分析儀。由于兩端嵌固且自由振動的弦 (索)其自振頻率 (基頻)平方與其張力成正比，所以索力動測儀可通過采集弦(索)的多諧振動曲線后進行頻譜分析 (FFT)以求取纜索張力。該儀器可應(yīng)用于機械、建筑、交通、鐵路、冶金和運輸?shù)刃袠I(yè)微振動信號的采集分析，也可應(yīng)用于纜索、鋼絲、吊桿和系桿的拉力測量。用索力動測儀測量索力如圖5所示。

圖4 用DASP測試系統(tǒng)測量索力Fig.4 Using DASP test system to test cable force

圖5 用索力動測儀測量索力Fig.5 Using cable force vibration measuring device to test cable force

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 頻率測試試驗結(jié)果

用JMM-268索力動測儀對西邊外索1#(WWI)、6#(WW6)， 內(nèi) 索 1#(WNI)、6#(WN6)、11#(WN11);東邊外索1#(EWI)、6#(EW6)，內(nèi) 索 1#(ENI)、6#(EN6)、11#(EN11)進行布點測量。試驗測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 索力動測儀測得頻率Tab.1 Frequency measured by cable force vibration measuring device

用DASP動態(tài)采集分析系統(tǒng)對西邊外索1#(WWI)、6#(WW6)， 內(nèi) 索 1#(WNI)、6#(WN6)、11#(WN11);東邊外索1#(EWI)、6#(EW6)，內(nèi) 索 1#(ENI)、6#(EN6)、11#(EN11)進行布點測量。試驗測量數(shù)據(jù)見表2。

表2 DASP系統(tǒng)測得頻率Tab.2 Frequency measured by DASP system

4.2 頻率法所得索力分析

各吊桿長度L(單位為m)，見表3。

表3 各測量吊桿長度Tab.3 Boom length measurement

由張力和頻率之間的關(guān)系式為;

式中:n=1;ρ=62.8kg/m(線密度);L為吊桿長度，m。根據(jù)張力和頻率之間的關(guān)系式得索力動測儀所測吊桿張力見表4。

表4 索力動測儀測得索力Tab.4 Cable force measured by cable force vibration measuring device

根據(jù)張力和頻率之間的關(guān)系式得DASP動態(tài)采集分析系統(tǒng)所測吊桿張力見表5。

表5 DASP系統(tǒng)測得索力Tab.5 Cable force measured by DASP system

5 結(jié)論

將實測頻率計算結(jié)果與安裝在吊桿里的力傳感器結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)DASP動態(tài)采集分析系統(tǒng)測得頻率所計算得到索力比用JMM-268索力動測儀測得頻率所計算得到索力更加準確。也驗證了索力動測儀不適用短吊桿的索力測量。

［1］趙 洋，李樹山，李曉克.系桿拱橋吊桿索力測試研究［J］.工程抗震與加固改造，2011，33(4):56-60.

［2］張征文.系桿拱橋吊索索力的振動測試方法［J］.浙江交通職業(yè)技術(shù)學院學報，2011，12(1):1-3.

［3］王 勇，王立彬.斜拉橋極限承載力計算的雙組合單元法［J］.森林工程，2011，27(2):73-79.