空間曲梁單邊懸索橋靜載試驗(yàn)中的索力測試

上海建科院上海市工程結(jié)構(gòu)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200032

1 工程概述

上海國際旅游度假區(qū)空間曲梁單邊懸索橋東橋跨徑組合為“43.60 m+80.00 m+43.60 m”，西橋跨徑組合為“28.20 m+48.20 m+28.20 m”，2座橋設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)基本相同。

東、西橋拉索均為鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層密封鋼索，吊索直徑包含38 mm和63 mm兩種規(guī)格，其中與主塔連接的吊索直徑規(guī)格為63 mm，其余各吊索直徑規(guī)格均為38 mm。東橋的背索規(guī)格為φ115 mm，西橋的背索規(guī)格為φ90 mm。東橋背索如圖1所示，東橋主吊索（主塔處吊索）如圖2所示。

圖1 東橋背索結(jié)構(gòu)示意

由東西兩橋背索和主吊索的詳圖可知，背索和吊索兩端均近似鉸接，索長取兩鉸中心之間的距離，其中東橋吊索長度范圍為2.45～20.72 m，西橋吊索長度范圍為2.56～13.74 m，特別短的索只能保證基頻測量的精度，基頻換算為索力的計(jì)算公式誤差較大。

圖2 東橋主吊索結(jié)構(gòu)示意

2 荷載試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

橋梁靜力荷載試驗(yàn)，主要是通過測量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力試驗(yàn)荷載作用下的變形和內(nèi)力，用以確定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)期望值是否相符。它是檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際工作性能最直接和最有效的手段和方法。

本試驗(yàn)旨在通過測量背索索力、吊索索力來反映橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)，并判斷吊索和背索的安全儲備。

2.2 測試工況

為了保證加載過程中結(jié)構(gòu)的安全和測試的完整性，東西兩橋均按照以下工況加載和卸載：初始值，主橋空載、副橋半載，主橋空載、副橋滿載，主橋半載、副橋滿載，主橋滿載、副橋滿載，偏載，主橋滿載、副橋空載，卸載后。為了驗(yàn)證本文的2種基頻推算索力的計(jì)算方法，選取索力變化較大的工況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如表1所示。

表1 東西橋索力分析工況

3 剛性索測試方法

3.1 測試流程

利用頻率法測試索力的現(xiàn)場流程為：綁扎加速度傳感器→信號采集儀調(diào)試→采樣頻率選擇→采樣→濾波→信號分析→計(jì)算處理。

綁扎加速度傳感器需要注意的是距離錨固端減振器距離應(yīng)大于1.50 m，在現(xiàn)場條件允許的情況下宜遠(yuǎn)離錨固端；且傳感器的敏感方向宜與拉索較易發(fā)生的橫向振動方向一致。

信號采集儀的調(diào)試主要指基線漂移處理，結(jié)構(gòu)的溫度變化或者低階振動均有可能造成信號零基準(zhǔn)點(diǎn)的漂移，漂移的過程是連續(xù)變化的，使得監(jiān)測信號在整個采集過程中均產(chǎn)生誤差，所以在采集之前應(yīng)進(jìn)行基線漂移處理[1-2]。

根據(jù)采樣定理和工程實(shí)踐，一般情況要求采樣頻率至少為被測信號的2.5倍；采用頻率的選擇視關(guān)拉索的頻率的階數(shù)而定，在采樣之前可以根據(jù)式（1）估算拉索基頻，而采樣頻率取估算基頻的6～8倍。

式中：Tq——期望索力，N；

L——拉索的計(jì)算長度，m；

m——拉索單位長度的質(zhì)量，kg/m。

濾波是將噪聲濾去，并將信號進(jìn)行一定程度放大，在進(jìn)行信號采集時，應(yīng)用低通濾波器將高于分析頻率的信號濾掉，以免頻率混疊的發(fā)生。

一方面，完善財(cái)務(wù)崗位的管理制度，注重財(cái)務(wù)人員專業(yè)素養(yǎng)提升。對于財(cái)務(wù)人員而言，崗位管理制度影響著個人的工作行為、理念和專業(yè)素養(yǎng)等各方面。新時代下，應(yīng)當(dāng)從財(cái)務(wù)崗位管理制度的完善入手，要求財(cái)務(wù)人員從計(jì)劃管理、預(yù)算、決策和整理分析等方面提升加大學(xué)習(xí)力度，以逐步提升專業(yè)素養(yǎng)；

信號分析指的是將信號數(shù)字化，然后通過FFT變換得出功率譜圖，在實(shí)踐中要注意的是FFT分析的點(diǎn)數(shù)的選擇，過低造成分析的精度不夠，過高則要求采樣的塊數(shù)較多，不利于快速取樣。最后的計(jì)算處理則是根據(jù)頻率和索力的對應(yīng)關(guān)系，將頻率值換算成索力值。

3.2 2種換算方法

利用頻率法測試索力的精度主要取決于2方面：一是拉索頻率的測試精度，主要體現(xiàn)在頻率識別的問題；二是索力分析計(jì)算方法的精度，對于拉索兩端邊界條件可以簡化成鉸支的剛性索，可采用公式法推算索力。方法一是根據(jù)弦的振動理論，對于張緊的索，當(dāng)忽略其垂度影響時，在無阻尼時的自由振動方程如式（2）所示：

運(yùn)用分離變量法對上述公式進(jìn)行求解，在拉索兩端為鉸接的邊界條件下，可以得到拉索索力和振動頻率的關(guān)系如式（3）所示：

式中：T——索力，N；

n——索自振頻率的階數(shù)；

fn——第n階自振頻率；

L——拉索的計(jì)算長度，m；

I——拉索截面剛度，可取與全斷面鋼絲面積相等的

圓截面慣性矩，m4。

由于截面剛度難以確定其真實(shí)值，所以方法二是采用抵消截面剛度的方法。對于可以將拉索兩端簡化成鉸支邊界條件的情況，又能測得二階以上的拉索振動頻率，則可以根據(jù)測得的任意兩階頻率計(jì)算索力如式（4）所示：

式中：fn——實(shí)測的第n階拉索振動頻率；

fc1——只考慮幾何剛度時的索的第1階振動頻率；

fb1——只考慮彎曲剛度時的索的第1階振動頻率。分別將任意兩階拉索的實(shí)測振動頻率代入上式消去fb1即可得到fc1，再利用公式T=4mfc12L2計(jì)算索力，這樣得到的索力即消除了抗彎剛度對頻率的影響。

3.3 拉索計(jì)算參數(shù)的確定

換算公式確定以后，需根據(jù)公式確定拉索的計(jì)算參數(shù)。因?yàn)楸竟こ谈骼鞯乃鏖L均較短，且為剛性索，所以拉索計(jì)算參數(shù)還應(yīng)包括拉索的質(zhì)量、彈性模量、截面抗彎剛度等參數(shù)。

拉索的質(zhì)量根據(jù)圖紙信息獲取，方法一中用到的截面抗彎剛度按照拉索的規(guī)格進(jìn)行面積相等的圓截面慣性矩?fù)Q算。拉索的彈性模量則通過實(shí)測獲取。測量所得的各種規(guī)格拉索的彈性模量如表2所示。

表2 各規(guī)格拉索彈性模量實(shí)測值

3.4 換算結(jié)果分析

在實(shí)測過程中，為了排除溫度的影響，本荷載試驗(yàn)各工況各拉索索力的測量時間均控制在清晨03：30～06：30，結(jié)構(gòu)溫度在26～28℃，荷載加載過程由監(jiān)理單位進(jìn)行監(jiān)督檢查，因此滿足各項(xiàng)荷載試驗(yàn)條件，測量數(shù)據(jù)受加載及溫度影響相對較小。圖3展示的是典型的頻譜分析結(jié)果。

圖3 典型索力測試頻譜分析

根據(jù)東西橋測得的頻率值分別用方法一和方法二進(jìn)行索力值的換算，其中方法一采用基頻值計(jì)算，方法二采用基頻值和二階頻率值進(jìn)行換算。

為了比較2種方法的換算效果，將方法一和方法二的實(shí)測增量值和理論增量值的偏差用“方法一偏差”和“方法二偏差”表示，分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖4、圖5。

由分析可知，運(yùn)用2種方法換算的索力實(shí)測增量值和理論增量值的偏差的趨勢基本是一致的。

對于東橋，工況一到工況二的增量偏差分析中，方法一和方法二換算的吊索偏差絕對值最大分別為33.90 kN和32.70 kN，背索偏差絕對值最大分別為53.30 kN和34.50 kN；工況二到工況三的增量偏差分析中，方法一和方法二換算的吊索偏差絕對值最大分別為87.60 kN和85.50 kN，背索偏差絕對值最大分別為169.00 kN和192.20 kN。

對于西橋，工況一到工況二的增量偏差分析中，方法一和方法二換算的吊索偏差絕對值最大分別為47.70 kN和49.40 kN，背索偏差絕對值最大分別為26.10 kN和31.80 kN；工況二到工況三的增量偏差分析中，方法一和方法二換算的吊索偏差絕對值最大分別為32.10 kN和30.10 kN，背索偏差絕對值最大分別為44.40 kN和66.90 kN。

分析可知，偏差絕對值較大的拉索基本為背索和主塔對應(yīng)處的主吊索，這是因?yàn)楸乘骱椭鞯跛鞯乃髁^對值都較大[3-4]。

4 結(jié)語

由本荷載試驗(yàn)索力測量的實(shí)踐可知：

1）索力測試的精度既取決于拉索頻率的測試精度，也取決于索力換算方法的精度。

2）在索力測試過程中應(yīng)注意信號零基準(zhǔn)點(diǎn)的漂移、采用頻率的選取等問題。

圖4 東橋增量偏差分析

圖5 西橋增量偏差分析

3）對于短索，不能忽視索抗彎剛度對于索力換算的影響，文中提到的2種方法均可以修正索的抗彎剛度的影響。公式計(jì)算方便簡單，可供工程實(shí)際應(yīng)用，誤差在工程允許范圍之內(nèi)。