淺談?wù)駝?dòng)頻率法在橋梁拉索索力檢測(cè)方面的研究

孫樹(shù)寶　李景祥

摘要：橋梁中的拉索是至關(guān)重要的傳力構(gòu)件，對(duì)其索力進(jìn)行的測(cè)試，關(guān)系到成橋驗(yàn)收和橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。而振動(dòng)頻率法在拉索索力測(cè)量方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，本文介紹了振動(dòng)頻率法測(cè)定拉索索力的原理及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理方法，對(duì)振動(dòng)頻率的最新成果進(jìn)行了總結(jié)歸納。

Abstract： The cable-stayed bridge is a vital force transmission member， and testing its cable force is related to the safe operation of the bridge into acceptance and bridges. The vibration frequency method has great advantages in terms of cable force measurement， this paper describes the processing method of the oscillation frequency cable force determination and measurement data， and the latest results of vibrational frequencies are summarized.

關(guān)鍵詞：振動(dòng)頻率法；拉索；索力；數(shù)據(jù)處理

Key words： vibration frequency method；cable；cable tension；data processing

中圖分類號(hào)：TU317 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）30-0085-02

0 引言

拉索在大跨斜拉橋、懸索橋等結(jié)構(gòu)之中應(yīng)用廣泛，而拉索索力在這些結(jié)構(gòu)中有扮演著一個(gè)極為重要的的角色，尤其對(duì)大跨斜拉橋拉索顯得最為重要，建橋中，必須對(duì)索力進(jìn)行監(jiān)控；成橋后，還需要對(duì)拉索進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)，以確定拉索是否處于安全狀態(tài)，而橋梁拉索的工作狀態(tài)又是衡量橋梁是否正常運(yùn)營(yíng)的重要標(biāo)志之一。因此，準(zhǔn)確測(cè)定拉索索力具有較為現(xiàn)實(shí)的意義。目前工程中常用拉索索力的測(cè)量方法主要為振動(dòng)頻率法。振動(dòng)頻率法不僅適用于索力在施工階段的測(cè)量，而且對(duì)成橋后的索力測(cè)量也是一種較為理想的選擇。

1 振動(dòng)頻率法檢測(cè)拉索索力介紹

由于拉索的振動(dòng)頻率與索力之間存在一定關(guān)系，而這一關(guān)系可由拉索的動(dòng)力平衡微分方程與拉索兩端的支承條件反映出來(lái)，如果己知拉索的計(jì)算長(zhǎng)度、拉索的每延米質(zhì)量，通過(guò)測(cè)量拉索的振動(dòng)頻率，便可計(jì)算出拉索的索力。振動(dòng)頻率法測(cè)定拉索振動(dòng)頻率的方法可分為隨機(jī)振動(dòng)法和共振法。

1.1 隨機(jī)振動(dòng)法

使用隨機(jī)振動(dòng)法對(duì)拉索頻率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不需要進(jìn)行人工激振，僅利用環(huán)境隨機(jī)激振源激振，在環(huán)境激勵(lì)下，拉索的振動(dòng)是一種隨機(jī)振動(dòng)，利用頻譜分析儀對(duì)拉索的隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可以確定拉索的振動(dòng)頻率。

1.2 共振法

使用共振法確定拉索振動(dòng)頻率時(shí)，需要進(jìn)行人工激振，即使拉索作單一的基頻振動(dòng)，這樣有利用頻譜分析儀檢測(cè)出拉索的基頻信號(hào)，便于后期分析處理。

一般在工程實(shí)踐之中，共振法等多應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量拉索頻率。

2 振動(dòng)頻率法基本理論分析

索力測(cè)定的理論基礎(chǔ)是弦振動(dòng)理論。主要承受軸向拉力的拉索，如果考慮拉索的抗彎剛度，則應(yīng)用動(dòng)力學(xué)普遍原理可建立均勻線密度拉索的振動(dòng)微分方程為：

3 振動(dòng)頻率法測(cè)量索力數(shù)據(jù)結(jié)果的處理

為進(jìn)一步減小利用振動(dòng)頻率法求解索力的誤差，確定振動(dòng)頻率法的數(shù)據(jù)結(jié)果的處理方式就顯得尤為重要，下面針對(duì)振動(dòng)頻率法的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行介紹。

3.1 頻率法

在建立拉索的基本振動(dòng)平衡方程過(guò)程中，忽略拉索的抗彎剛度和垂度以及在索兩端邊界條件的影響，這些因素的略去均會(huì)對(duì)頻率法測(cè)定索力造成誤差。而拉索的垂度僅對(duì)基頻影響較大，對(duì)4階以上的高階頻率影響很小；而斜拉索的斜度、抗彎剛度以及邊界條件對(duì)索力測(cè)試的影響一般不會(huì)超過(guò)5%。據(jù)此，振動(dòng)頻率法測(cè)試?yán)魉髁r(shí)有一定的精度保證。因此，只要測(cè)得拉索的自振頻率，即可得出拉索的張力。

3.2 直接頻差法

利用頻譜分析儀得到的頻譜圖中相鄰兩諧振峰之間的頻率差求得拉索基頻也是常用的方法。雖然這種方法從理論上可行，而實(shí)測(cè)時(shí)卻會(huì)帶來(lái)較大誤差。因拉索作為弦振動(dòng)的簡(jiǎn)化模型已是近似計(jì)算，此外還有諸多因素會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成干擾，這些都影響了頻譜圖中各相鄰頻譜圖的頻率差的準(zhǔn)確性。因此，采用直接頻差法確定拉索基頻的精度誤差較大。

3.3 新基頻法

在進(jìn)行拉索自振頻率的測(cè)量時(shí)，實(shí)測(cè)過(guò)程中受多種條件的限制，對(duì)于較長(zhǎng)的橋索傳感器的安裝位置也會(huì)受到限制。而此時(shí)傳感器測(cè)量的信號(hào)中基頻成分就相對(duì)較少，高階頻譜信號(hào)成分相對(duì)較多，這樣就會(huì)出現(xiàn)頻譜圖中基頻不突出而高次諧振峰突出的現(xiàn)象。由于很難找到基頻，所以通常用高階頻譜來(lái)推算橋索振動(dòng)基頻。

首先在頻譜圖中選擇波形振動(dòng)幅度較大的波峰，先假設(shè)它是索的第n階頻率，則按照弦振動(dòng)理論，其它各階頻率應(yīng)該是由假設(shè)n階頻率計(jì)算出來(lái)的基頻的整數(shù)倍。如果其他階次頻率與假設(shè)的第n次頻率得出的基頻的比值非常接近于整數(shù)，則說(shuō)明信號(hào)中干擾較少，可以采用。如果不符合則將假設(shè)的第n階頻率加一階或減一階再次進(jìn)行計(jì)算，直到確定基頻為止。若應(yīng)用以上方法還不能確定基頻則說(shuō)明信號(hào)中干擾因素較大，則需重新進(jìn)行測(cè)量。

因此采用以上方法，不僅從原理上符合弦的振動(dòng)基礎(chǔ)理論，而且精度也有很大提高，于此同時(shí)數(shù)據(jù)處理選擇的頻譜是振動(dòng)幅值最大的，外界環(huán)境等干擾因素的影響也較弱一些。

4 結(jié)束語(yǔ)

①在識(shí)別拉索基頻后，可以采用索力計(jì)算公式：確定拉索的張力。

②在應(yīng)用振動(dòng)頻率法測(cè)量索力數(shù)據(jù)結(jié)果處理時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用新基頻法確定拉索的固有頻率。

③用振動(dòng)頻率法測(cè)定拉索索力不但精度有保證，而且簡(jiǎn)單易行，具有極大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，應(yīng)用前景十分廣闊。

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