斜拉橋施工過程斜拉索力監(jiān)測(cè)分析

李 劭 暐

(上海市政建設(shè)有限公司，上海 200092)

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斜拉橋施工過程斜拉索力監(jiān)測(cè)分析

李 劭 暐

(上海市政建設(shè)有限公司，上海 200092)

介紹了采用頻率法測(cè)試某斜拉橋施工過程索力的難點(diǎn)與步驟，分析了運(yùn)用頻率法測(cè)試其索力的各種影響因素，并提出了索力頻率法測(cè)試誤差的控制措施，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明了該測(cè)試方法的有效性。

斜拉橋，頻率法，索力，誤差

1 斜拉橋索力頻率法測(cè)試的難點(diǎn)分析

能否對(duì)斜拉索索力進(jìn)行精確的測(cè)量，在很大程度上決定著斜拉橋施工質(zhì)量和正常運(yùn)營(yíng)。斜拉橋索力測(cè)試的方法很多，其中頻率法確定斜拉索力具有精度高、使用方便、適合長(zhǎng)期和多次測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)。其原理是利用索力與索的振動(dòng)頻率之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系的特點(diǎn)，在已知索長(zhǎng)度、兩端約束情況、分布質(zhì)量等參數(shù)時(shí)，將高靈敏度的拾振器綁在斜拉索上，拾取拉索在環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過頻譜分析即可測(cè)出斜拉索的自振頻率，進(jìn)而由索力與拉索自振頻率之間的關(guān)系獲得索力。

1.1 斜拉索頻率測(cè)試

在斜拉索的中間位置，振動(dòng)的能量主要集中在低階頻率上，而在錨固點(diǎn)附近，振動(dòng)的能量相對(duì)比較平均。在測(cè)試時(shí)傳感器的布置不可能放到拉索的中點(diǎn)位置，只能布置在相對(duì)靠近錨固點(diǎn)的位置，故斜拉索基頻的測(cè)試精度不高，甚至有些時(shí)候測(cè)不到準(zhǔn)確的基頻。

1.2 斜拉索力計(jì)算

頻率法是間接測(cè)試索力，拉索的質(zhì)量、剛度、垂度、長(zhǎng)度和減震器都會(huì)影響索力的計(jì)算精度。斜拉橋施工過程中未安裝減震器，并且拉索的質(zhì)量和長(zhǎng)度都可以比較準(zhǔn)確的取值，對(duì)索力計(jì)算影響最大的是拉索本身的剛度。

目前大多數(shù)商業(yè)軟件計(jì)算索力時(shí)假定斜拉索為一根張緊的弦，忽略其本身抗彎剛度的影響，張緊弦的頻率之間成倍數(shù)關(guān)系，即從低階到高階的各階頻率值的比例為1∶2∶3∶4…，因而有f1=fn/n，其中,f1為斜拉索基頻;fn為斜拉索的n階頻率，并且相鄰階數(shù)頻率之差為基頻。因此在測(cè)試中只要確定出頻率差，或者判斷出某階頻率的階數(shù)就能夠計(jì)算索力。但是大跨度斜拉橋拉索直徑較大，由于剛度的影響，fn>nf1，故計(jì)算索力時(shí)剛度的影響是不能忽略的。

2 索力頻率法測(cè)試步驟

通過前文的分析可知，索力測(cè)試的難度主要體現(xiàn)在如何辨識(shí)頻率，如何通過測(cè)得的少數(shù)幾階甚至是只有某一階的頻率來計(jì)算實(shí)際的索力。我們采用的方法和步驟如下：

1)基于ANSYS，編寫了計(jì)算斜拉索振動(dòng)特征值的有限元程序，考慮了拉索剛度和邊界條件的影響，以千斤頂?shù)膹埨瓟?shù)據(jù)作為輸入值計(jì)算出斜拉索的各階頻率，以此為參考量來辨識(shí)實(shí)際測(cè)得頻率的階數(shù)。 2)將低頻信號(hào)較好的傳感器布置在斜拉索上，用DASP系列采集儀測(cè)試，采樣(分析)頻率和低通抗混濾波轉(zhuǎn)折頻率根據(jù)上一步的計(jì)算結(jié)果確定：分析頻率范圍內(nèi)保證能夠測(cè)得8階左右的頻率。3)通過快速傅里葉變換獲得斜拉索的頻譜圖，根據(jù)計(jì)算的頻率快速確定實(shí)測(cè)頻率的階數(shù)，如果大橋斜拉索垂度影響大，計(jì)算索力時(shí)一般采用4階以上的頻率。4)再次調(diào)用斜拉索特征值計(jì)算程序，通過改變斜拉索的張力進(jìn)行迭代，使得計(jì)算出的頻率與實(shí)際測(cè)得的頻率接近，以計(jì)算頻率與實(shí)測(cè)頻率差值小于某一個(gè)預(yù)定值則認(rèn)為收斂，此時(shí)計(jì)算出的索力即為實(shí)測(cè)索力。若能測(cè)出多階頻率，則取各階頻率計(jì)算出的索力的平均值為最后的實(shí)測(cè)索力。

3 索力頻率法測(cè)試實(shí)例分析

對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析需要解決以下問題：測(cè)得的頻率是否是斜拉索的頻率，是第幾階的頻率；如何通過測(cè)得的頻率來計(jì)算索力，計(jì)算方法有哪些可能的誤差。由此思路出發(fā)，以1號(hào)索為例，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析如下。

3.1 實(shí)測(cè)頻率辨識(shí)

從圖1上游邊跨1號(hào)索(SC1上游)的實(shí)測(cè)頻譜圖，可以看出，邊跨的斜拉索實(shí)測(cè)的前8階頻率倍頻關(guān)系明確、各階頻率明顯，也測(cè)得了較為可靠的基頻。邊跨1號(hào)索的實(shí)測(cè)頻譜明確，與理論值可以一一對(duì)應(yīng)，可以判定測(cè)得的頻率是索的頻率。

3.2 實(shí)測(cè)索力的確定

通過頻率辨識(shí)明確了實(shí)測(cè)的頻率階數(shù)和頻率值后，再利用本文編制的計(jì)算程序通過反復(fù)迭代確定實(shí)測(cè)索力。

對(duì)于邊跨1號(hào)索，1階～8階的實(shí)測(cè)頻率都很明確，為了減少垂度影響，故取4階～7階頻率進(jìn)行分析，定義各階次的計(jì)算頻率與實(shí)測(cè)頻率之差小于0.002 Hz時(shí)的索力為該階頻率對(duì)應(yīng)的索力，最后取上述索力的平均值為實(shí)測(cè)索力。

根據(jù)上述方法，確定1號(hào)索實(shí)測(cè)索力為3 129 kN，與指令張拉索力接近，說明張拉質(zhì)量控制較好。

4 索力頻率法測(cè)試誤差控制

不論哪種測(cè)試手段都有一定的誤差，施工期間索力測(cè)試以頻率法為主，為了確保施工的安全性和索力控制質(zhì)量，還結(jié)合其他測(cè)試手段控制誤差：

在1號(hào)索張拉過程中，安裝了壓力傳感器對(duì)頻率法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，通過與千斤頂張拉數(shù)據(jù)和壓力傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)的比較列于表1，可知測(cè)試的索力數(shù)據(jù)非常接近，相差約1%，從一個(gè)側(cè)面說明了頻率法測(cè)試的準(zhǔn)確性。

表1 頻率法和錨索計(jì)實(shí)測(cè)索力對(duì)比 kN

5 結(jié)語

使用頻率法完成了某大橋施工過程的監(jiān)測(cè)，針對(duì)該方法的具體問題提出了解決方法，并在實(shí)踐中得到了成功的應(yīng)用。

Monitoring analysis on cable force in cable-stayed bridge construction process

Li Shaowei

(Shanghai Municipal Construction Co., Ltd, Shanghai 200092, China)

The paper introduces cable fore difficulties and procedures in testing the cable-stayed bridge construction process with frequency method, analyzes various factors influencing cable force with frequency method, and puts forward control measures of testing errors with cable frequency method, and finally proves the above-mentioned testing method is effective through in-situ practice.

cable-stayed bridge, frequency method, cable force, error

1009-6825(2017)12-0169-02

2017-02-17

李劭暐(1983- )，男，工程師

U446

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