斜拉橋結(jié)構(gòu)模型試驗索力測試方法研究

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(石家莊鐵道大學 工程力學系,河北 石家莊 050043)

橋梁模型試驗是解決橋梁工程科研和設(shè)計中出現(xiàn)的新問題時不可缺少的手段，也是對橋梁結(jié)構(gòu)進行損傷識別研究的重要手段之一。斜拉橋結(jié)構(gòu)由于其跨越能力大，造型美觀等特點，得到了越來越多的應(yīng)用。對斜拉橋結(jié)構(gòu)的模型試驗研究也越來越多[1-7]。斜拉索作為斜拉橋結(jié)構(gòu)重要的受力構(gòu)件，其索力的測試一直是關(guān)注的重點和熱點問題。對斜拉橋結(jié)構(gòu)模型試驗中的索力測試研究目前上不夠深入。文獻[1-2]中斜拉索索力測試采用將測力裝置串聯(lián)在斜拉索中進行，文獻[3]則采用在斜拉索上粘帖應(yīng)變片的方式進行索力測試；文獻[4]中斜拉索由上、下錨件、中間連接段、測力裝置和索力調(diào)整裝置串聯(lián)而成。這些索力測試方法在模型試驗中均存在一定的局限性，如索力測試采用串聯(lián)測力裝置在拉索中，由于須將拉索斷開，對拉索的剛度造成了一定程度的改變，也影響了拉索的整體受力性能，而在拉索上粘帖應(yīng)變片的方式則質(zhì)量難以保證，不能長期進行監(jiān)測。

結(jié)合一座獨塔斜拉橋試驗?zāi)Ｐ?，對斜拉橋模型試驗中的索力測試方法展開研究，創(chuàng)新的將壓力環(huán)傳感器引入到模型試驗的索力測試中，對索力測試系統(tǒng)進行了系統(tǒng)的設(shè)計和仿真分析，并將理論分析結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比分析，實現(xiàn)了拉索索力的方便、快捷、準確、長期測試。

圖1 試驗?zāi)Ｐ筒贾?/p>

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試驗?zāi)Ｐ涂缍葹?.6 m+2.6 m，主梁選用鋁合金材料，箱型截面，分節(jié)段栓接而成；主塔選用I字鋼，杠桿加載系統(tǒng)由門架、杠桿組織和過梁系統(tǒng)三部分組成。斜拉索全橋共9組，每組4根，共計36根，選用高強鋼絲。試驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

2 斜拉索索力測試系統(tǒng)

圖2 索力測試系統(tǒng)

索力測試系統(tǒng)主要有定位螺桿、找平塊、壓力環(huán)傳感器、調(diào)節(jié)螺栓等構(gòu)件組成，安裝在索梁錨固區(qū)。將壓力環(huán)傳感器與測試儀器用導(dǎo)線連接，可以實時、快捷的對斜拉索索力進行測量。索力測試系統(tǒng)構(gòu)造如圖2所示。

2.1 壓力環(huán)傳感器的制作

為節(jié)約試驗成本，本次試驗壓力環(huán)傳感器傳感原件主要采用電阻應(yīng)變片，根據(jù)電阻應(yīng)變片的測試靈敏度，壓力環(huán)材料選用鋁合金圓環(huán)，外徑13 mm，壁厚2.5 mm。制作過程相對簡單，將電阻應(yīng)變片粘貼于壓力環(huán)表面，為消除偏心影響，每個壓力環(huán)上粘貼2個電阻應(yīng)變片，外用防水膠帶保護。本模型共計36根斜拉索，每個拉索下均設(shè)置一個壓力環(huán)傳感器，共計36個。

2.2 索力測試系統(tǒng)仿真

數(shù)值仿真基于Ansys分析平臺進行，建立壓力環(huán)傳感器測力系統(tǒng)的有限元分析模型。根據(jù)圖2所示，壓力環(huán)與找平塊以及壓力環(huán)與調(diào)索螺栓之間均為擠壓接觸連接，因此應(yīng)按接觸問題進行仿真。

圖3 壓力環(huán)有限元分析模型

接觸問題實質(zhì)上是一種高度非線性行為，可以分成兩種基本類型：剛體—柔體接觸和柔體—柔體接觸。本文中由于壓力環(huán)的材料彈模遠小于找平塊材料以及調(diào)索螺栓材料，因此簡略認為是剛—柔接觸問題。系統(tǒng)包括兩個接觸對，一為壓力環(huán)與找平塊，一為壓力環(huán)與調(diào)索螺栓。選擇壓力環(huán)的上下面為接觸面，選擇找平塊、調(diào)索螺栓與壓力環(huán)接觸的面為目標面。接觸面選用Conta174單元(三維8節(jié)點面面接觸單元)模擬，目標面選用Targe170單元(三維8節(jié)點目標面單元)模擬。壓力環(huán)采用SOLID187單元模擬，拉索采用LINK10單元模擬?？紤]到索力測試系統(tǒng)錨固與主梁下方，拉索與主塔連接，而主梁、主塔的剛度均較大，但單根調(diào)索時引起主梁、主塔的變形很小，因此近似認為找平塊與主梁接觸面為固結(jié)，拉索上端為固結(jié)。由此建立的有限元分析模型如圖3所示。

仿真分析中主要討論了壓力環(huán)角度、斜拉索長度以及斜拉索索力改變時壓力環(huán)傳感器的應(yīng)變變化情況。具體仿真分析結(jié)果如表1、表2及表3所示。

表1 傾角對壓力環(huán)傳感器應(yīng)變的影響角度/(°)應(yīng)變(×10-4)角度/(°)應(yīng)變(×10-4)33-4.135 846-4.135 535-4.135 752-4.135 537-4.135 661-4.135 439-4.135 672-4.135 542-4.135 5

表2 拉索長度對壓力環(huán)傳感器應(yīng)變的影響拉索長度/m應(yīng)變(×10-4)拉索長度/m應(yīng)變(×10-4)0.956-4.134 01.932-4.134 01.102-4.134 12.166-4.134 11.278-4.133 72.403-4.134 11.481-4.134 02.643-4.133 91.703-4.134 1

表3 索力對壓力環(huán)傳感器應(yīng)變的影響索力/N應(yīng)變索力/N應(yīng)變00820.43-1.695 7×10-4100.99-2.087 4×10-51 008.6-2.084 5×10-4292.09-6.037 1×10-51 149-2.374 7×10-4376.25-7.776 6×10-51 306-2.699 3×10-4455.46-9.413 7×10-51 410.9-2.916 2×10-4560.42-1.158 3×10-41 652.5-3.415 6×10-4613.89-1.268 8×10-42 001.1-4.135 9×10-4681.21-1.408 0×10-4

表1～表3中的應(yīng)變值為壓力環(huán)中部5 mm長度應(yīng)變的平均值，主要是為消除應(yīng)力集中等影響。

圖4 索力與應(yīng)變關(guān)系曲線

從表1、表2可以看出：傳感器的傾角改變、斜拉索長度的改變均不影響傳感器的應(yīng)變值。從表3可以看出：斜拉索索力是影響壓力環(huán)傳感器應(yīng)變的直接和主要因素，根據(jù)表中數(shù)值，做出斜拉索索力與壓力環(huán)傳感器應(yīng)變之間的關(guān)系曲線如圖4所示。

按照最小二乘方法，將曲線擬合成曲線，曲線方程為

F=-4.838 3ε+0.001 7

(1)

式中,ε為壓力環(huán)傳感器測試的微應(yīng)變。

3 試驗驗證

為驗證基于壓力環(huán)傳感器的索力測試系統(tǒng)的工作性能，采用測頻法進行了對比試驗。考慮到實驗室場地條件的限制，斜拉索索長較短，且質(zhì)量很小，為提高測頻法的精度，選用了北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所研發(fā)的ICP加速度傳感器，該傳感器質(zhì)量非常小，測試精度較高，其規(guī)格型號為INV9824，靈敏度為5 mV/g，頻率范圍為1～15 kHz，傳感器自重為8 g，量程為1 000 g，諧振頻率為40 kHz。加速度傳感器測試數(shù)據(jù)的采集和分析系統(tǒng)選用了東方所開發(fā)的與之配套的DASP動態(tài)信號測試和分析系統(tǒng)。

在試驗平臺上，安裝斜拉索，將壓力環(huán)傳感器索力測試系統(tǒng)調(diào)零，調(diào)節(jié)調(diào)索螺栓，使斜拉索張緊，記錄靜態(tài)應(yīng)變儀測量的應(yīng)變，根據(jù)式(1)式計算壓力環(huán)傳感器測試的斜拉索索力；然后采用敲擊的方式對斜拉索進行激振，用加速度傳感器進行測量，并用信號分析處理系統(tǒng)計算斜拉索索力，將兩者測量結(jié)果進行對比。限于篇幅，給出了第9組斜拉索加速度傳感器測試索力的頻譜曲線如圖5所示。從圖5可知，該組斜拉索的基頻為13 Hz，該組斜拉索索長2.745 m，單位索重為0.22 kg/m，由此由DASP動態(tài)信號分析系統(tǒng)可求出該索的索力為1 120.6 N。其余拉索的分析過程從略，僅給出最終索力分析值與壓力環(huán)傳感器的測量結(jié)果匯總于表4中。

圖5 9#拉索加速度傳感器索力測試頻譜分析

表4 索力測試對比索號索長/m傾角/(°)壓力環(huán)傳感器/μεε1ε2 ε壓力環(huán)傳感器計算索力/N加速度傳感器測試索力/N誤差/%10.9272-95-52-73.5355.61328.478.321.1261-52-84-68.0329.0300.529.531.3152-21-69-40.0193.53166.4916.241.5346-72-62-67.0324.16296.639.351.7642-65-23-44.0212.88185.5314.762.039-40-58-49.0237.08211.4212.172.2337-54-65-59.5289.88262.849.582.4735-117-109-113.0547.73510.377.192.74533-252-238-245.01185.381120.65.8

從表4可以看出：采用本文自制的壓力環(huán)傳感器測試斜拉索的索力與采用加速度傳感器測試的索力吻合情況良好，隨著索力的增加，兩者之間的誤差也越來越小。這表明本文提出的壓力環(huán)傳感器測試索力的方法是可靠的，壓力環(huán)傳感器性能穩(wěn)定，測試結(jié)果準確。同時從表4中可以看出：壓力環(huán)傳感器的測試結(jié)果較加速度傳感器的測試結(jié)果大。由于受到實驗室條件的限制，本文的斜拉索索長均較短，根據(jù)現(xiàn)有文獻可認為加速度傳感器的測試結(jié)果誤差較大，這也在一定程度上反映了壓力環(huán)傳感器測試結(jié)果的精度較高。

4 結(jié)論

斜拉索的索力測試一直是工程界關(guān)注的重點問題。本文為解決斜拉橋模型試驗中索力測試的難題，研發(fā)了一種基于壓力環(huán)傳感器的索力測試系統(tǒng)。結(jié)合Ansys分析軟件，對該系統(tǒng)按照接觸問題進行了仿真分析，得到了索力與測試應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系式。同時在實驗室將該系統(tǒng)的測試結(jié)果與傳統(tǒng)的測頻法的測試結(jié)果進行了對比驗證，結(jié)果表明：本章研發(fā)的索力測試系統(tǒng)性能可靠，操作方便，測試結(jié)果精度較高，當選擇合適的傳感元件時，該系統(tǒng)可應(yīng)用于斜拉索索力的長期、實時監(jiān)測。

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