凤台淮河大桥斜拉索索力测试.pdf

第9 卷第3 期2 0 1 0 年6 月江南大学学报(自然科学版)J o u r n a lo fJ i a n g n a nU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V 0 1 9J u n，N o 32 0 1 0凤台淮河大桥斜拉索索力测试杨勇，周安+，刘向华，毛羽亮，邢立新，刘俊(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥2 3 0 0 0 9)摘要：由于现场环境的复杂性以及斜拉索自身的特性，很难由频谱图直接得出索体的基本频率。在直接频差法的基础上，运用最小二乘法原理，介绍了一种求拉索基频的间接方法(简称“间接频差法”)，并应用于凤台淮河大桥的索力测试中，与1 9 9 3，1 9 9 9 和2 0 0 4 年实测值进行对比，证明了这种方法的有效性。关键词：斜拉桥；索力；弦振动；最小二乘法；间接频差法中图分类号：U4 4 8 2 7文献标识码：A文章编号：1 6 7 1 7 1 4 7(2 0 1 0)0 3 0 3 1 9 0 4C a b l eF o r c eD e t e r m i n a t i o nf o rF e n g t a iH u a i h eR i v e rB r i d g ei nF r e q u e n c yD o m a i nY A N GY o n g，Z H O UA n，L I UX i a n g-h u a，M A OY u l i a n g，X I N GL i x i n，L I UJ u n(S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n g，H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y，H e f e i2 3 0 0 0 9，C h i n a)A b s t r a c t：O w i n gt ot h ec o m p l e x i t yo fe n v i r o n m e n ta n dt h ec h a r a c t e ro fc a b l ei t s e l f，i ti sd i f f i c u l tt oi d e n t i f yt h ef u n d a m e n t a lf r e q u e n c yf r o ms p e c t r u m T h ep a p e rp r o p o s e sa n o t h e rm e t h o dt oi d e n t i f yt h ef u n d a m e n t a lf r e q u e n e y，c a l l e di n d i r e c tm e t h o du s i n gl e a s t s q u a r e s，b a s e do nd i r e c tf r e q u e n c yd i f f e r e n c em e t h o d T h i sm e t h o dw a su s e di nf o r c et e s t i n go fF e n g t a iH u a i h eR i v e rB r i d g e T h et e s tr e s u l tp r o v e dt h a tt h i sm e t h o dw a se f f e c t i v ec o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e dv a l u eo fy e a r1 9 9 3，1 9 9 9，2 0 0 4 K e yw o r d s：c a b l e s t a y e db r i d g e，c a b l ef o r c e，v i b r a t i o no fs t r i n g，l e a s t s q u a r e sm e t h o d，i n d i r e c t l yf r e q u e n c yd i f f e：r e n e em e t h o d近年来，随着我国交通事业的迅猛发展，桥型种类越来越多，斜拉桥作为一种美观实用的桥型倍受人们的青睐。从斜拉桥本身的结构受力角度来说，主要依靠斜拉索将主梁上的荷载传到桥墩，然后传到基础，可见斜拉索作为主要承重构件，为桥体本身提供了高次超静定约束，对桥体的承载力和使用有着重要影响。在斜拉桥施工、运营过程中，由于施工误差、运营中的损伤等偶然因素的存在，有着拉索内力与设计情况不符合的可能，从而导致主梁线型不能满足设计要求。因此，必须在斜拉桥施工运营期间定期检测拉索索力。在工程实践中，常用的索力测量方法有压力表测定法、压力传感器测定法以及频率法。前两种方法适用于施工中张拉斜拉索时的索力测定，当需要收稿日期：2 0 0 9 1 2 2 0；修订日期：2 0 1 0 0 l 一2 2。作者简介：杨勇(1 9 8 4 一)，男，江苏大丰人，结构1=程专业硕士研究生。宰通信作者：周安(1 9 6 4 一)，男，安徽绩溪人，教授，硕士生导师。主要从事预应力结构、组合结构等研究。E m a i l：z h o u a n g h 1 6 3 C O I I I万方数据3 2 0江南大学学报(自然科学版)第9 卷对已张拉完毕的索力进行复核时，频率法几乎是唯一的选择，并在实际工程中有着广泛应用。如方志、张智勇将此种方法应用于铜陵长江公路大桥的索力测试中，满足了工程的要求；郭良友将频率法测索力的理论研究成果应用于武汉长江二桥的索力测试中【2】，取得良好的效果；李枝军、李爱群等将频率法应用在南京长江二桥拉索索力测试中，并由此进一步讨论了车辆荷载、阻尼器以及环境温度的影响引；孔祥杰、崔来军等在北京市五环路石景山南站高架斜拉桥工程中应用了此法，并进一步讨论了拉索抗弯刚度、索力测试仪的标定、拉索锚固回缩损失等因素的影响一。频率法，简言之，就是应用索力与索的振动频率之间的对应关系，在已经获得索长度、端部约束、分布质量等参数情况下，将高灵敏度的加速度传感器绑在斜拉索上，拾取激励振动下的振动信号，经过滤波、信号放大、A D 转换和频谱分析得出拉索自振频率，从而计算获得索力。索的频率测量精度受索的抗弯刚度、垂度、斜度、边界条件、阻尼器、温度以及测试系统的分析精度等因素影响，因此这些因素势必会给索力计算值带来一定的偏差。文献 1 经过对铜陵长江公路大桥索力测试研究认为：拉索垂度仅对基频影响较大，而对高阶谐振频率影响较小；拉索的倾角、抗弯刚度、边界条件，对索力的影响很小。南浦大桥的1 8 0 根拉索索力测试结果也表明：全桥中大部分实测索力与设计索力的相对差值在1 0 以内。因此，只要测出拉索的自振频率，就可以求出拉索的张力，并且满足工程精度要求。凤台淮河大桥是安徽省境内的第一座大跨度斜拉桥，主跨2 0 0m 以上，全桥共有1 5 孔，桥长7 5 2n l，设计荷载为汽车一超2 0 级，验算荷载为挂车1 2 0，按V I I 度抗震设防。其中主桥为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，全长4 5 2n l，跨径组合为(3 8+7 6+2 2 4+7 6+3 8)m，桥面铺装为7c m 厚钢筋混凝土；引桥为跨径3 0m 简支T 型梁，淮南岸l孔，凤台岸9 孔。该桥为双向四车道，行车道宽1 5n l，主桥两侧人行道各宽3 0 5m，引桥两侧人行道各宽2 2 5n l，设计车速为8 0k m h。凤台淮河大桥于1 9 9 0 年5 月建成通车，至今已经运营近2 0 年，不可避免地存在一些损伤或潜在的安全隐患。为此进行全面的检测评估显得尤其重要，索力测试是检测评估中的重要内容之一，因此采用公路桥梁承载能力检测评定规程(2 0 0 3)中推荐的频率法测试索力方法。1频率法测试索力原理与测试装置1 1频率法测试索力基本原理斜拉桥的拉索通常长几十米甚至几百米，拉索一头与桥塔固连，另一头连接桥面。尽管组成拉索的钢丝或钢绞线根数不同，但是对于整根索的长度及其所承担的张力而言，可近似看作两头铰接、自重忽略不计的拉弦形式。由文献 5 柔韧弦振动理论可知，在不考虑索垂度和抗弯刚度时，两端铰接的仅作微幅横向振动的匀质弦的振动平衡方程为m 掣：r 掣(1)a f a 矿其中：y(x，t)是拉索在垂直方向的振动位移；T 是拉索索力；m 为拉索单位长度的质量。可从上式中解得索力计算公式为T：掣厂：(2)n。如果考虑抗弯刚度对索力的影响，则计算公式变为T：2：n _ 2 1 r 厂2 E l(3)式中，Z 为拉索的长度以为第n 阶的自振频率；E l 为拉索的抗弯刚度。1 2测试方法在凤台淮河大桥的现场索力测试中，首先拆除斜拉索端部的橡胶阻尼器，因为阻尼器的存在抑制了索体的振动，耗散了部分能量，从而改变了拉索的振形，使索力和频率关系发生了改变，给索力测试带来偏差；其次，阻尼器拆除后，选用高灵敏度的Y D 系列加速度传感器，用索夹夹在索体的端部(见图1)，用外力激振的方法给索体施加强迫振动，待索体振动稳定后，用东华软件D H5 9 3 8 振动测量系统配合笔记本采集索体振动的时间波形图(见图2)，最后通过对时间波形图的傅里叶变换得到F 耵平均谱图，从而提取出频率。图1Y D 加速度传感器安装F i g 1S e t u po fY Da c c e l e r o m e t e r万方数据第3 期杨勇等：凤台淮河大桥斜拉索索力测试3 2 1图2数据采集系统F i g 2S y s t e mo fd a t ec o l l e c t i n g2间接频差法求索力如今斜拉桥跨度大，结构轻柔，索体长而细，抗弯刚度小，可以忽略不计，因此在实际工程中一般应用式(2)来计算索力。但是从式(3)可以看出，为了降低肼的影响，应尽量采用低阶频率计算索力。因此，一般计算总是采用一阶频率工来计算索力，于是上式(2)可以简化为T=4 m t 2 f；(4)由索的振型可知：基频振动在索的中间部位有最大振幅，而高次振动在索的两端附近有最大振幅怕J。由于测量条件的限制，不能将传感器安装在索的中间部位，只能安装在索的近桥面端，这样所采集的信号中高频信号占了很大一部分，低频信号很少，加上垂度对基频的影响较大，给后期的数据处理带来麻烦，于是如何处理数据通过高阶频率求解使其和理论基频误差最小，就成了解决问题的关键。图3，4 为凤台淮河大桥N E B I l 索的时间波形图和F F T 平均谱图，从图中可以看出拉索的振动特征。它的低阶自振分量较少，高阶自振分量较多，反映在F F T 平均谱图上就是高频的峰值较高，低频的峰值较小，有时基本分辨不出来(见图4)。针对多数文献从索的抗弯刚度、垂度、斜度、边界条件以及阻尼器等方面对提高索力精度的研究，文中试图从数据处理角度来说明提高索力精度的方法。结合凤台淮河大桥的N E B l 1 索的测试数据，文中提出间接频差法求索力的具体步骤。2 1确定自振频率所对应的阶数几由于受传感器安装部位的限制，在F F r r 平均谱图中低阶自振分量很弱，有时几乎没有，从而导致很难准确确定自振频率上所对应的阶数r t。为了解决上述困难，采取由直接频差法的办法，求出基频片，即计算出F 胛平均谱图中高阶相邻谐振频峰的差值的平均值，如表1 所示。凤台淮河大桥N E B l 1索F F T 平均谱图中的基频片为3 9 7 6H z。根据各阶频率之间的倍数关系以=须六=瓢，可以大致确定自振频率上所对应的阶数1,如表2 所示。童趔擎恻捌层图3凤台淮河大桥N E B l 一1 索时间波形F i g 3N E B l-1c a b l et i m e-w a v e sg r a p ho fF e n g t a iH u a i h eb r i d g e07 8 l1 5 6 32 3 4 431 2 53 9 0 6 lH z图4凤台淮河大桥N E B l 1 索F F T 平均谱F i g 4N E B l-1c a b l ea v e r a g es p e c t r u mg r a p ho fF e n g t a iH u a i h eb r i d g e表1 各谐振峰的频率值T a b 1F r e q u e n c yo fp e a kO37O370们毗眈叭咖昌疽奎世瑙具万方数据3 2 2江南大学学报(自然科学版)第9 卷裹2自振频率 所对应的阶数T a b 2O r d e rno ff r e q u e n c y 正频率f H z对应的阶数凡7 5 21 1 3 31 5 2 31 9 1 42 3 0 52 6 9 53 1 1 53 5 3 52 2自振频率 与阶数以的拟合方程将式(2)变形为f 广下等2 4 忐m l(5)厅对于同一根索T，m，Z 均为定值，也就是五与n成线性关系，对于线性方程常用最小二乘法进行拟合，拟合得到的正与n 线性关系为2 3确定基频正取n=1，代入式(6)，可以求出基频=3 8 7 3H z。由厅=3 9 7 6H z，Z=3 8 7 3H z 通过式(4)分别计算出索力为5 6 2 8k N，5 3 4 0k N，而1 9 9 3，1 9 9 9，2 0 0 4 年的实测值分别为5 0 9 4k N，5 0 7 1k N 和5 0 6 1k N；在不计阻尼器、拉索自身等随时间变化的因素造成的索力重新分配影响外，可以看出，由正求出的索力与往年实测值偏差更小。3结语通过介绍频率法测试斜拉索索力的测量原理，指出采用频率法测定拉索张力具有一定的精度，满足索力监测的要求，具有操作简单、节省费用的优点。同时根据弦振动的基本原理，在直接频差法的基础上，运用最 b-乘法原理，演变出了另外一种方法间接频差法，并运用于凤台淮河大桥的索力测试中。实桥测试结果表明，其所确定的基频误差小，正=3 8 7 3 n(6)计算出的索力精度高，值得在工程中推广应用。参考文献(R e f e r e n c e s)：1 方志，张智勇斜拉索的索力测试 J 中国公路学报，1 9 9 7，1 0(1)：5 1-5 8 F A N GZ h i，Z I t A N GZ h i-)，o n g T e s to fc a b l et e n s i o ni nc a b l e s t a y e db r i d g e s J C h i n aJ o u r n a lo fH i g h w a ya n dT r a n s p o r t，1 9 9 7，1 0(1)：5 1-5 8(i nC h i n e s e)2 郭良友，林一宁，李文波，等武汉长江二桥的索力、温度和应力测量 J 桥梁建设，1 9 9 5(3)：4 4 5 3 G I J OL i a n g-y o u，L I NY i-n i n g，L IW e n-b o，e ta 1 M e a s u r e m e n to fc a b l ef o r c e，t e m p e r a t u r ea n ds t r e s sa b o u tt h e2 n dY a n g t z eR i v e rB r i d g ea tW u h a nC i t y J B r i d g eC o n s t r u c t i o n，1 9 9 5(3)：“-5 3(i nC h i n e s e)3 李枝军，李爱群，缪长青，等运营状态下南京长江二桥拉索索力测试与分析 J 东南大学学报：自然科学版，2 0 0 7，3 7(6)：1 0 5 7-1 0 6 0 L IZ h i-j n，L IA i q u n，l V l I A OC h a n g-q i n g，e ta 1 M e a s u r e m e n ta n da n a l y s i so fc a b l et e n s i o ni nt h es e c o n dN a n j i n gY a n g t z aR i v e rB r i d g eu n d e rr u n n i n gc o n d i t i o n J J o u r n a lo fS o u t h e a s tU n i v e r s i t y：N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n，2 0 0 7，3 7(6)：1 0 5 7 1 0 6 0(i nC h i n e s e)4 孔祥杰，崔来军，张宾，等大直径高吨位斜拉索索力测试于分析 J 铁道建筑技术，2 0 0 8(2)：2 3-2 6 K O N GX i a n g-j i e，C U Im a i-j u n，Z H A N GB i n，e ta 1 C a b l et e n s i o nm e a s u r e n l e n ta n da n a l y s i so fh e a v y-l o a dl a r g e r-d i a m e t e rc a b l e s J R a i l w a yC o n s t r u c t i o nT e c h n o l o g y，2 0 0 8(2)：2 3-2 6(i nC h i n e s e)5 张宏跃，田石柱提高斜拉素索力估计精度的方法 J 地震工程与工程振动，2 0 0 4，2 4(4)：1 4 8 1 5 1 Z H A N GH o n g y u e，T I A NS h i z h u Am e t h o dt oe n h a n c et h ee s t i m a t i o na c c u r a c yo fs t a yc a b l et e n s i o n J E a r t h q u a k eE n g i n e e r i n ga n dE n g i n e e r i n gV i b r a t i o n，2 0 0 4，2 4(4)：1 4 8-1 5 1(i nC h i n e s e)6 陈文革，蔡键斜拉索索力的测试方法 J 华东公路，1 9 9 8，1 1 0(1)：6 1-6 3 C H E NW e n-g e，C A IJ i a n T h em e t h o do fc a b l ef o r c et e s ta b o u tc a b l e-s t a y e db r i d g e J E a s tC h i n aH i g h w a y，1 9 9 8，11 0(1)：6 1-6 3(i nC h i n e s e)(责任编辑：杨勇)万方数据凤台淮河大桥斜拉索索力测试凤台淮河大桥斜拉索索力测试作者：杨勇，周安，刘向华，毛羽亮，邢立新，刘俊，YANG Yong，ZHOU An，LIU Xiang-hua，MAO Yu-liang，XING Li-xin，LIU Jun作者单位：合肥工业大学,土木与水利工程学院,安徽,合肥,230009刊名：江南大学学报(自然科学版)英文刊名：JOURNAL OF JIANGNAN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)年，卷(期)：2010,09(3)参考文献(6条)参考文献(6条)1.陈文革;蔡键 斜拉索索力的测试方法 1998(01)2.张宏跃;田石柱 提高斜拉索索力估计精度的方法期刊论文-地震工程与工程振动 2004(04)3.孔祥杰;崔来军;张宾 大直径高吨位斜拉索索力测试于分析期刊论文-铁道建筑技术 2008(02)4.李枝军;李爱群;缪长青 运营状态下南京长江二桥拉索索力测试与分析期刊论文-东南大学学报(自然科学版)2007(06)5.郭良友;林一宁;李文波 武汉长江二桥的索力、温度和应力测量期刊论文-桥梁建设 1995(03)6.方志;张智勇 斜拉索的索力测试 1997(01)本文链接：