基于頻率法的下承式系桿拱橋吊桿索力檢測(cè)探析

摘要 為探索基于頻率法的下承式系桿拱橋吊桿索力檢測(cè)要點(diǎn)，為橋梁運(yùn)營(yíng)提供可靠指導(dǎo)，以某公路橋梁為例，構(gòu)建起系桿拱橋吊桿索力和自振頻率的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而展開現(xiàn)場(chǎng)吊桿索力檢測(cè)，對(duì)各級(jí)張拉力及對(duì)應(yīng)的吊桿基頻值、吊桿抗彎剛度等進(jìn)行分析。結(jié)果表明，所構(gòu)建起的吊桿索力和自振頻率的關(guān)系公式對(duì)下承式系桿拱橋索力張拉階段十分適用，有助于頻率法在類似橋型索力檢測(cè)中的推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 下承式；系桿拱橋；吊桿；索力；檢測(cè)

中圖分類號(hào) U448.225 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）01-0076-03

0 引言

系桿拱橋因承載力高，跨越及適應(yīng)性能強(qiáng)，外形美觀，在我國(guó)公路工程建設(shè)中得到一定程度的應(yīng)用，但系桿拱橋施工及運(yùn)營(yíng)期間面臨復(fù)雜的體系轉(zhuǎn)換，進(jìn)而造成吊桿索力的頻繁變化，進(jìn)而影響拱肋和系梁內(nèi)力及形變，為此在施工期間必須加強(qiáng)吊桿索力檢測(cè)，確保對(duì)吊桿索力展開精確識(shí)別。近年來(lái)出現(xiàn)的頻率法主要通過(guò)構(gòu)建吊桿索力和自振頻率的關(guān)系展開索力識(shí)別。該方法省去了檢測(cè)元件預(yù)埋過(guò)程，只需在待測(cè)桿件處粘貼高靈敏度拾振器，通過(guò)人工激振方式收集振動(dòng)信號(hào)，處理后得出實(shí)際振頻，根據(jù)索力和自振頻率的關(guān)系推求索力，該檢測(cè)技術(shù)施測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)便，測(cè)值精度高，測(cè)試過(guò)程可重復(fù)展開?；诖?，該文以具體橋梁為例，對(duì)頻率法檢測(cè)過(guò)程及結(jié)果展開分析研究，以期為此類檢測(cè)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供借鑒參考。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

某公路橋梁為跨越省道連接線，采用鋼管混凝土簡(jiǎn)支拱形式，設(shè)計(jì)跨徑為88.0 m，系梁為整體式箱梁結(jié)構(gòu)，按照單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面布置。拱肋矢跨比為1/5，拱軸線為拋物線形式，拱肋按8.6 m的中心距布設(shè)，中間和兩端分別通過(guò)橫撐和K形撐連接，全橋所布設(shè)的吊桿數(shù)為13對(duì)。

1.2 吊桿體系

該下承式系桿拱橋全橋按5.5 m間距共布設(shè)13對(duì)吊索，吊索全部由整束擠壓式高強(qiáng)低松弛鋼絞線冷鑄而成，外部包裹PE防護(hù)套管，吊索疲勞應(yīng)力幅及荷載作用下的應(yīng)力幅峰值分別為200 MPa和482 MPa。

整束擠壓式吊桿是通過(guò)大型擠壓設(shè)備將套筒內(nèi)數(shù)根鋼絞線和套索壓合，在外表面套筒上鎖緊螺母而制成。為達(dá)到較好的擠壓效果，主要采用擠壓錨固套、密封裝置、握裹材料等組成的擠壓錨具，此后展開吊桿整體張拉，有利于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)尺寸的緊湊性、錨固的可靠性和調(diào)索的便利性。

2 系桿拱橋吊桿索力和自振頻率關(guān)系的構(gòu)建

根據(jù)《在用公路橋梁現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（JTG/T 5214—2022）及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，系桿拱橋吊桿索力和頻率的二次方之間存在線性關(guān)系，該文在總結(jié)與分析頻率法檢測(cè)索力原理及計(jì)算思路的基礎(chǔ)上，將索力和頻率關(guān)系歸納如下[1]：

（1）

（2）

式（1）～（2）中：T——吊桿索力（kN）；A——比例系數(shù)，取值與吊桿邊界條件有關(guān)；m——線密度

（kg/m）；l——索長(zhǎng)（m）；f——基頻（Hz）；EI——抗彎剛度（kN·m2）；——拉彎比。

3 吊桿索力檢測(cè)步驟

3.1 檢測(cè)儀器

使用JMM-268型索力動(dòng)測(cè)儀展開該下承式系桿拱橋吊桿索力頻率測(cè)量，施測(cè)過(guò)程中，主要將該儀器黏附于待測(cè)吊桿處，借助人工激勵(lì)等方式采集振動(dòng)信號(hào)；處理后的振動(dòng)信號(hào)曲線、頻譜曲線、索力測(cè)值等均通過(guò)液晶屏顯示[2]。此類索力測(cè)試儀器重量和體積小，攜帶及使用簡(jiǎn)便，測(cè)試時(shí)間短，測(cè)值精度高，在拱橋拉力檢測(cè)中應(yīng)用廣泛，儀器外觀及現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)圖如圖1所示。

采用以上儀器施測(cè)后主要顯示最高點(diǎn)主振頻率，同時(shí)以相鄰峰值點(diǎn)間的最小頻率為基頻值，以兩者之比計(jì)算主振頻率階次，根據(jù)《公路橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JT/T 1037—2022）及工程實(shí)際，應(yīng)用JMM-268型索力動(dòng)測(cè)儀所采集到的下承式系桿拱橋頻率以基頻為主，其主振頻率階次具有較好的可識(shí)別性[3]。

3.2 吊桿索力現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

從該系桿拱橋大里程段開始將吊桿依次編號(hào)為1～7#，從小里程段開始依次編號(hào)為1’～6’#，待吊桿索安裝完成，在其豎向下部端頭設(shè)置測(cè)點(diǎn)，并布設(shè)JMM-268型索力動(dòng)測(cè)儀，展開不同工況下吊桿索力檢測(cè)。該系桿拱橋吊桿索張拉參數(shù)取值情況見表1所示，每根吊桿彈性模量均為195×106 kN/m2，抗彎剛度峰值為

190×106 kN/m2，線密度均為34.1 kg/m。

吊桿張拉過(guò)程中，將拱肋支架拆除，此后向2片拱肋對(duì)稱施加張拉力，隨后按照4#、4’#→7#→2#、2’#→5#、5’#→3#、3’#→6#、6’#→1#、1’#的次序展開吊桿索張拉。

3.2.1 吊桿張拉力與基頻

依次按照設(shè)計(jì)張拉力的15%、30%和100%展開分級(jí)張拉，其間通過(guò)油壓表進(jìn)行實(shí)際張拉力讀取，由于油壓表在使用前經(jīng)過(guò)標(biāo)定和校準(zhǔn)，故讀取的索力值可視為真實(shí)索力[4]。各級(jí)張拉力以及對(duì)應(yīng)的吊桿基頻測(cè)值匯總至表2所示，因該拱橋結(jié)構(gòu)為對(duì)稱形式，故只分析大里程段1～7#吊桿。

通過(guò)分析表中數(shù)據(jù)看出，索力實(shí)測(cè)值與基頻之間呈線性關(guān)系，表明實(shí)測(cè)值基本可靠。進(jìn)一步展開兩者關(guān)系公式擬合，結(jié)果如表3所示，根據(jù)得出的擬合公式斜率展開A值換算，表中，y為實(shí)測(cè)吊桿索力，x為基頻的

二次方。

綜合以上分析，大里程段1～7#吊桿索力實(shí)測(cè)值與基頻關(guān)系公式的相關(guān)系數(shù)均取1.000，表明擬合結(jié)果合理可靠，吊桿抗彎剛度雖然尚未確定，但根據(jù)吊桿張拉力和吊桿長(zhǎng)度估算出的取值越大，意味著函數(shù)關(guān)系式斜率越大，對(duì)應(yīng)的A值與4.0也越接近。由此看出，對(duì)于下承式系桿拱橋吊桿分級(jí)張拉過(guò)程而言，該文提出的檢測(cè)方法較為適用，既能保證測(cè)值精度，又省去了識(shí)別吊桿抗彎剛度的過(guò)程，從測(cè)試儀器中直接讀取張拉力及基頻并展開換算即可。值得注意的是，該方法應(yīng)用時(shí)索力與基頻的對(duì)應(yīng)關(guān)系至少需要2組，故對(duì)于一次張拉就位的吊桿并不適用。

3.2.2 吊桿抗彎剛度

應(yīng)用該文構(gòu)建起的索力和頻率關(guān)系公式展開吊桿抗彎剛度反算，抗彎剛度峰值用EImax表示，按照抗彎剛度峰值的0.2～0.7倍取值并計(jì)算吊桿索力。將計(jì)算結(jié)果與油壓表讀數(shù)展開比較，選擇誤差最小者[5]，此處僅羅列吊桿1不同抗彎剛度對(duì)應(yīng)的索力值，如表4所示。

根據(jù)表中結(jié)果，當(dāng)實(shí)際抗彎剛度按照抗彎剛度峰值的0.3倍取值時(shí)，索力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值誤差僅為0.46%，按照以上思路進(jìn)一步細(xì)化抗彎剛度值，得出的抗彎剛度峰值0.32倍時(shí)的索力與真實(shí)索力基本一致，故將吊桿抗彎剛度確定為0.32 EImax。通過(guò)分析其余吊桿實(shí)測(cè)索力和計(jì)算索力的誤差看出，當(dāng)抗彎剛度值取0.3 EImax時(shí)，計(jì)算索力和實(shí)測(cè)索力最為吻合。

4 結(jié)論

綜上所述，吊桿是系桿拱橋重要的組成部分，準(zhǔn)確識(shí)別吊桿力對(duì)系桿拱橋施工質(zhì)量控制及安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)十分重要，頻率法在系桿拱橋吊桿索力檢測(cè)中得到一定程度應(yīng)用，如何提高其測(cè)試精度是當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)之一。該文以某公路下承式系桿拱橋?yàn)槔?，?duì)其整束擠壓式吊桿索力張拉施工階段索力展開檢測(cè)，根據(jù)測(cè)值總結(jié)出索力和基頻二次方的函數(shù)關(guān)系，對(duì)系桿拱橋吊索張拉期間索力檢測(cè)與控制提供了可靠依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-06-17

作者簡(jiǎn)介：舒樂(lè)（1983—），男，本科，高級(jí)工程師，從事公路橋梁檢測(cè)等工作。