啞鈴型鋼管混凝土系桿拱橋吊桿索力測試研究

趙青 盧康 程龍樹

摘要：本文以某啞鈴型鋼管混凝土系桿拱橋為研究對象，詳細介紹了索力的計算方法和試驗方法.利用橋梁的Midas計算軟件，建立有限元模型，進行理論分析，現(xiàn)場進行加載荷試驗，得到測量數(shù)據(jù).通過現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的綜合分析，進一步驗證索力與其自身頻率關(guān)系的科學性與準確性，從而對橋梁吊桿結(jié)構(gòu)做出評價.

關(guān)鍵詞：系桿拱橋;吊桿;索力測試;弦振動理論

中圖分類號：TU312? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）04-0121-04

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，橋梁作為路橋交通系統(tǒng)的重要組成部分，對橋梁的檢測要求也越來越高.在系桿拱橋中，各類荷載都會通過吊桿進行傳遞.而索力作為直接承擔橋梁荷載的重要研究對象，同時也控制著整個橋梁上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布情況與線型構(gòu)造情況.2012年，攀枝花市的金沙江大橋一根吊桿的脫落，導致大橋發(fā)生部分塌陷，對以后的使用造成了嚴重的安全隱患.截至到目前為止，由于吊桿破壞而帶來的工程損壞還在不斷的發(fā)生，這就要求專業(yè)人員加強對吊桿的檢測與監(jiān)控，實時了解吊桿的變化，為降低橋梁事故的概率提供可靠的依據(jù).

本次試驗測試通過Midas計算軟件，模擬分析拱橋在車輛荷載加載作用下吊桿的受力荷載的影響線，從而確定出荷載的加載位置，并將此加載方法與振動頻率法應用于某啞鈴型鋼管混凝土系桿拱橋.將模擬的理論數(shù)據(jù)與現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)振動頻率法具有較高的準確性與科學性，基本符合規(guī)范要求，同時也為同類橋梁結(jié)構(gòu)的吊桿索力分析評估提供重要依據(jù)與參考.

1 工程概況

該橋為啞鈴型鋼管混凝土系桿拱橋，橋面寬度為20.9米，雙向四車道公路.車行道寬2×7.5m，人行道寬2×1.5m.上部結(jié)構(gòu)是一個鋼管混凝土拱，跨度為84米，計算跨度為78.5米，跨度比為1/4.拱肋由16Mn，12mm厚的鋼板軋制成.其理論拱軸線為二次拋物線.在啞鈴拱肋之間使用兩對風撐，并且肋通過吊桿與系桿連接.共有兩側(cè)18對吊桿，吊桿采用PE索，顏色為乳白色，相鄰吊桿的間距為4m.

2 索力測試理論及方法

振動頻率法是一種測試結(jié)構(gòu)固有振動頻率并分析其固有振動特性以確定拉索索力值的方法.將測試儀器的振動檢測器安裝在測試部位上，拾取振動信號，進行過濾，放大和頻譜分析，最后獲得吊桿的固有頻率.根據(jù)索力值與吊桿頻率之間的固有關(guān)系確定索力值的大小.同時索力測試儀對信號采集后快速自動進行傅里葉變換并顯示頻譜圖，若存在等間距的各階頻率，相鄰波段的間距值大小就是所需要的基頻f1.在現(xiàn)場實際測量時，吊桿自振的頻譜是否準確可以通過這一特性來判斷.

振動頻率法使用方便，快速，靈活，成本較低，其設(shè)備可以重復利用，在斜拉橋梁拉索、吊桿張拉力，預應力鋼筋、鋼鉸線張拉和受拉索道張拉力測試以及橋梁后期的檢測和日常養(yǎng)護應用廣泛.此方法對于數(shù)據(jù)采集時的抗干擾能力差，但只要準確的操作，同樣也可以達到很高的精度.

2.1 基本假設(shè)

為了工程計算的需要，假定單位質(zhì)量為W的拉索在張力T的作用下被張緊，吊桿拉索的剛度為EI.同時吊桿的垂度和彎曲在此次測試時數(shù)值都不大，即吊桿的軸線為直線;吊桿的兩端同時也是固定不動的;在振動時吊桿的微元段重量相對其兩端的張力忽略不計.

2.2 張力弦振動理論

假定吊桿在任意點沿x軸的垂直方向發(fā)生振動，取微元弧進行分析，當?shù)鯒U沿速度方向作微幅振動時，在吊桿的微段上作用有張力、慣性力、彎矩和剪力以及干擾力（計入吊桿重力在內(nèi)）.吊桿微元 的受力情況如圖1所示.考慮彎曲引起的變形，不計剪切引起的變形以及轉(zhuǎn)動慣量的影響，則在t時刻運動方程為：

2.2 固有自振頻率確定

理論上，根據(jù)式（4）在已知一階自振頻率f1（也稱基頻）即可計算出吊桿張力T，即：

式（6）和（7）可以表達為高階自振頻率為其基頻的整數(shù)倍.

3 有限元模型的建立

采用Midas Civil 2015對本橋梁建立空間有限元模型，如圖2所示，全橋吊桿為離散獨立的桁架單元，橋面為板單元，其余為梁單元.整個橋梁分為222個節(jié)點和423個單元，其中36個是桁架單元，250個是梁單元，137個是板單元.吊桿的單位質(zhì)量為14.052kg/m，在模型中各構(gòu)件所采用的材料與幾何特性參數(shù)均與實際一致.通過對本橋的有限元模型進行理論分析，得出對橋梁穩(wěn)定性影響最大的位置，作為試驗荷載加載的最不利工況的依據(jù)，獲取理論計算數(shù)據(jù).

4 試驗加載工況

通過利用Midas Civil 2015計算軟件對本橋三維空間有限元模型的分析，得到了對橋梁穩(wěn)定性影響最大的截面位置.根據(jù)橋梁規(guī)范的規(guī)定，并經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析計算確定該橋的內(nèi)力控制截面，建議在1/2跨度上進行加載.采用6輛運輸裝載車（每個重約310kN）進行對稱滿載和偏載滿載加載，并在最不利的部署形式下測試所選吊桿的索力值的變化.

5 測點布置

本次索力測試選定在空載和設(shè)計活載作用下，分別對東、西兩側(cè)的吊桿進行索力信息采集.同一根吊桿選取多個測試部分進行，最后選取一個測試索力值與理論索力對比.各根吊桿的編號布置見圖2所示，現(xiàn)場測試儀器布置圖如圖3、圖4所示.

6 索力綜合分析

根據(jù)試驗加載方案，對該橋段的吊桿拉力進行了多次測試與分析得到吊桿弦振動的頻率實測結(jié)果和實測索力值，為了更清楚地了解索力加載前后的變化，將其部分吊桿數(shù)據(jù)列于表1、表2、表3.

為了展現(xiàn)吊桿索力的走向趨勢，以便更直觀的觀察，全部吊桿的索力值的分布情況見圖6～圖9.

經(jīng)對表1、表2、表3以及圖6～圖9數(shù)據(jù)分析可得：

（1）中載加載作用下橋梁兩側(cè)相應位置的索力值存在著一定差異，兩側(cè)吊桿索力理論值與實測值誤差百分比均小于5%，符合規(guī)范要求.在偏載加載作用下，橋梁加載一側(cè)相應位置的索力值較大，兩側(cè)吊桿索力理論值與實測值誤差百分比均小于5%，符合規(guī)范要求.

（2）通過頻率法測試索力值的計算方法可知，索力與其自身的頻率成反比.現(xiàn)場荷載作用下的數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)也反映了這一規(guī)律，充分體現(xiàn)了理論計算的準確性與科學性.

（3）該橋于1999年12月28日竣工通車，左、右幅橋梁吊桿在活載作用下索力變化不均勻，且試驗活載采用的是設(shè)計活載（汽車-20級），但對于橋梁實際運營過程中的超載情況無法估計，加之本橋的交通量較大，造成吊桿疲勞，適應結(jié)構(gòu)變形的能力較差.

7 結(jié)語

通過對啞鈴型鋼管混凝土系桿拱橋吊桿的檢測研究，掌握全橋結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有工作狀態(tài)，判斷橋梁的實際工作狀態(tài)是否符合現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范要求，其檢測結(jié)論可以為今后的養(yǎng)護提供技術(shù)參考，也可以為同類橋梁的評定提供參考依據(jù).

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