橋梁索結構拉索索力測定方法研究

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

關鍵詞：拉索索力；振動測定；橋梁索結構

中圖分類號：U443 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）12-0021-03

1 概述

隨著橋梁技術的不斷發(fā)展和人們對于橋梁審美要求的不斷進步，促進了拉索結構橋梁的快速發(fā)展。拉索作為高效地承受拉力的結構構件，被運用于各種橋梁工程中，如斜拉橋、懸索橋等。這些橋梁結構具有整體剛度及抗風性能好、造型優(yōu)美、建設相對容易等優(yōu)點。但在水汽、海水及鹽霧等環(huán)境下，索體系橋梁中的索結構容易腐蝕生銹，從而導致事故的發(fā)生。2001年宜賓南門大橋的承重鋼纜生銹，導致吊桿突然斷裂，橋面兩端發(fā)生坍塌，造成了巨大損失和惡劣的影響。事故調查發(fā)現(xiàn)大橋的鋼纜吊桿中的4對出現(xiàn)斷裂，而這4對均為短索（吊桿）?？梢姳O(jiān)測拉索的狀態(tài)，準確測定橋梁索結構拉索索力具有重要的實際意義。

索結構拉索索力的測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定。索力的大小將會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重要問題。索力常用的測量方法分為直接法（壓力表測定法、電測定法等）和間接法（振動頻率法等）兩類。

2 壓力表測定法

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系，來求得索力。使用之前要對千斤頂和配套的油壓表進行準確的標定，建立較為準確的斜索索力與油壓表讀數間的相關曲線。但實際工程中，由于油壓表使用精度不高，千斤頂的內摩擦阻力不易精確計算，使得采用油壓千斤頂法測得的索力與真實結果有出入。另外壓力表測定法只能在橋梁建設過程中運用，橋梁建成后，就無法使

用了。

3 電測法

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

電測法能夠精確測得索力，卻不適宜大量使用，因為它測量用的導線很長，同時壓力傳感器價格昂貴，大噸位造價更高。同時隨著應變片使用時間的增大，其對變形的反應會變得越來越遲鈍，檢測誤差也隨之不斷增大。

4 振動頻率法

振動頻率法是通過實測拉索橋的固有頻率，利用索的張力和固有頻率的關系計算索力。

振動法可采用激振器激振或人工激振，亦可采用環(huán)境隨機振動法。測試時用索夾或綁帶將傳感器固定在拉索上，進行激振和信號采集，現(xiàn)場分析，可以很方便地測求索力。其原理是不計算抗彎剛度拉索的振動微分方程為：

（1）

式中：

y——縱坐標（垂直于索的長度方向）

x——橫坐標（索的長度方向）

W——單位索長的質量

g——重力加速度

T——索的張力

t——時間

假設索結構兩端固定，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——索的計算長度

n——振動階數

用振動測定索力的優(yōu)點是經濟方便，精度能夠滿足工程應用的需求。不需要消耗一次性儀表，所有的儀器都可以重復使用。

考慮抗彎剛度后索的自由振動微分方程為：

（4）

式中：

EI——拉索的抗彎剛度

其余符號意義同前

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）

另外計入索自重時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

經過對斜拉索實例參數分析，以上兩個公式計算結果非常接近，所以計算索力時可以不計拉索自重和斜度的影響，求得的索力為拉索下端的拉力。

經過以上分析可知，對細長拉索不計抗彎剛度時求得的索力比計入抗彎剛度時偏大，但一般不會超過3%，對于長度小于40m的斜拉索和系桿拱的吊桿有可能超過5%，此時應計入抗彎剛度的影響。

通過理論分析，發(fā)現(xiàn)當拉索的初應力較小時，計算索力時要考慮垂度的影響。斜拉索在橋梁建設過程中要經過多次的張拉。第一次張拉索的初應力較小，垂度較大，垂度對實測低階頻率影響較大，為了減小垂度對實測索力的影響，建議采用4階以上頻率計算索力。

對斜拉索兩端處理為鉸接或固定時，對索力的影響小于5%。如果將索長增加，抗彎剛度減小，則這兩種邊界條件分析的結果會更接近。對于跨徑內安裝減振器的斜拉索，如索長度大于150m減振器對索力的影響不會超過5%；對于一般情況，應在安裝減振器前后進行識別，確定安裝減振器前后拉索的支承剛度。

由上面的分析可知，在求拉索索力時要用其自振頻率。因此如果能準確測量索頻就可以準確地測得索力。信號處理技術在計算機技術的發(fā)展下取得了長足的發(fā)展和應用，目前利用信號處理技術已不難解決測試頻率的問題。

在實際施工過程中，可以將以上方法綜合使用，從而收到較好的效果。

參考文獻

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作者簡介：吳潤澤（1993—），男，安徽五河人，西南交通大學土木工程學院學生，研究方向：橋梁。

（責任編輯：吳 濤）