頻率法測短吊桿索力測量方法的比較分析

劉靈勇，陳 強(qiáng)

(湖南城市學(xué)院，湖南益陽413000)

湖南益陽康富南路跨線橋主跨為120 m下承式鋼管混凝土系桿拱。如今系桿拱橋的應(yīng)用越來越廣，其吊桿作為其重要部件直接影響系桿拱橋的壽命。在施工監(jiān)控階段，吊桿的受力是其重要的監(jiān)測內(nèi)容。在營運(yùn)階段，吊桿的受力的監(jiān)測也很重要，吊桿受力情況直接影響著橋梁的內(nèi)力分布和穩(wěn)定性。以前修建的系桿拱橋，因?yàn)槿狈ΡＷo(hù)和合理的養(yǎng)護(hù)維修，其吊桿的受力狀態(tài)大部分都令人堪憂。因此，對系桿拱橋吊桿索力測試進(jìn)行系統(tǒng)研究是很有必要［1］。

1 吊桿索力的測試方法

對于系桿拱橋柔性吊索的拉力測試方法，目前在工程上常用的有直接法和間接法兩類。直接法有壓力表測定法和電測法等。電測法是運(yùn)用電阻應(yīng)變片測量的原理，像粘貼有電阻應(yīng)變片的張拉連桿或壓力傳感器等。間接法中常有的有振動(dòng)頻率法。這些方法中壓力表測試法主要應(yīng)用于橋梁施工階段對吊索張力的控制;壓力傳感器法可用于橋梁運(yùn)營階段橋也可應(yīng)用于梁施工階段，但如今壓力傳感器的相對價(jià)格較高，在橋梁運(yùn)營階段其實(shí)際使用得非常少;以弦振動(dòng)理論為基礎(chǔ)的振動(dòng)頻率法是橋梁健康檢測中檢測索力的一種常用間接方法。這種方法因?yàn)樵砻魑?、測試技術(shù)成熟等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于斜拉橋、懸索橋、系桿拱橋等懸吊結(jié)構(gòu)索力的測試。振動(dòng)法頻率法利用吊索的振動(dòng)和吊索拉力之間的關(guān)系，通過測定吊索的自振頻率及確定吊索的關(guān)鍵參數(shù)，建立頻率和索力之間的方程求得索力，由于系桿拱橋的吊桿比較短，且吊桿索力受兩端約束條件影響比較大，根據(jù)本例實(shí)際考慮了短粗拉索的抗彎剛度，采用邊界條件為兩端鉸接拉索的自由振動(dòng)進(jìn)行分析，建立由頻率識別拉索索力的近似公式。對拉索索力影響較大的參數(shù)有斜拉索計(jì)算長度，拉索振動(dòng)基頻，索的重力集度［2-3］。

2 吊桿索力測試

2.1 頻率法測短吊桿索力測量方法

本文以益陽康富南路跨線橋?yàn)閷?shí)例，對其吊桿索力分別采用DASP動(dòng)態(tài)采集分析系統(tǒng)和JMM-268索力動(dòng)測儀進(jìn)行測試，從而比較兩種頻率測量方法用于短吊桿索力測量的優(yōu)劣?？蹈荒下房缇€橋立面布置圖如圖1所示。

圖1 康富南路跨線橋立面布置圖Fig.1 Facade layout of Kangfu South Road Overpass

2.2 吊桿編號及測點(diǎn)布置

2.2.1 吊桿編號

吊桿編號在拱橋西邊 (W)外層 (W)吊桿由南S往北N編為1#(WW1)至12#(WW12)，在拱橋西邊 (W)內(nèi)層 (N)吊桿由南S往北N編為1#(WN1)至22#(WN22)，在拱橋東邊(E)外層(W)吊桿由南S往北N編為1#(EW1)至12#(EW12)，在拱橋東邊 (E)內(nèi)層(N)吊桿由南S往北N編為1#(EN1)至22#(EN22)編號，如圖2所示。

圖2 索力測試吊桿編號圖Fig.2 Numbering of suspenders for cable force test

2.2.2 測點(diǎn)布置

本試驗(yàn)對西邊外索1#(WWI)、6#(WW6)，內(nèi)索1#(WNI)、6#(WN6)、11#(WN11);東邊外索1#(EWI)、6#(EW6)，內(nèi)索1#(ENI)、6#(EN6)、11#(EN11)進(jìn)行布點(diǎn)測量。

3 測試方法

分別采用DASP動(dòng)態(tài)采集分析系統(tǒng)和JMM-268索力動(dòng)測儀進(jìn)行測點(diǎn)索力的測量。

DASP動(dòng)態(tài)采集分析系統(tǒng)通過壓電式加速度傳感器采集時(shí)域隨機(jī)振動(dòng)信號。傳感器采集的振動(dòng)信號經(jīng)放大、然后把放大后的振動(dòng)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再傳送至電腦，再由DASP動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行頻譜分析和時(shí)域分析，以確定橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型等。其系統(tǒng)框架如圖3所示。用DASP測試系統(tǒng)測量索力，如圖4所示。

圖3 DASP動(dòng)態(tài)采集分析測試系統(tǒng)框圖Fig.3 Diagram of DASP dynamic collection and analysis test system

JMM-268索力動(dòng)測儀是一種便攜式微振動(dòng)信號的單通道或雙通道振動(dòng)檢測分析儀。由于兩端嵌固且自由振動(dòng)的弦 (索)其自振頻率 (基頻)平方與其張力成正比，所以索力動(dòng)測儀可通過采集弦(索)的多諧振動(dòng)曲線后進(jìn)行頻譜分析 (FFT)以求取纜索張力。該儀器可應(yīng)用于機(jī)械、建筑、交通、鐵路、冶金和運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)微振動(dòng)信號的采集分析，也可應(yīng)用于纜索、鋼絲、吊桿和系桿的拉力測量。用索力動(dòng)測儀測量索力如圖5所示。

圖4 用DASP測試系統(tǒng)測量索力Fig.4 Using DASP test system to test cable force

圖5 用索力動(dòng)測儀測量索力Fig.5 Using cable force vibration measuring device to test cable force

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 頻率測試試驗(yàn)結(jié)果

用JMM-268索力動(dòng)測儀對西邊外索1#(WWI)、6#(WW6)， 內(nèi) 索 1#(WNI)、6#(WN6)、11#(WN11);東邊外索1#(EWI)、6#(EW6)，內(nèi) 索 1#(ENI)、6#(EN6)、11#(EN11)進(jìn)行布點(diǎn)測量。試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 索力動(dòng)測儀測得頻率Tab.1 Frequency measured by cable force vibration measuring device

用DASP動(dòng)態(tài)采集分析系統(tǒng)對西邊外索1#(WWI)、6#(WW6)， 內(nèi) 索 1#(WNI)、6#(WN6)、11#(WN11);東邊外索1#(EWI)、6#(EW6)，內(nèi) 索 1#(ENI)、6#(EN6)、11#(EN11)進(jìn)行布點(diǎn)測量。試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)見表2。

表2 DASP系統(tǒng)測得頻率Tab.2 Frequency measured by DASP system

4.2 頻率法所得索力分析

各吊桿長度L(單位為m)，見表3。

表3 各測量吊桿長度Tab.3 Boom length measurement

由張力和頻率之間的關(guān)系式為;

式中:n=1;ρ=62.8kg/m(線密度);L為吊桿長度，m。根據(jù)張力和頻率之間的關(guān)系式得索力動(dòng)測儀所測吊桿張力見表4。

表4 索力動(dòng)測儀測得索力Tab.4 Cable force measured by cable force vibration measuring device

根據(jù)張力和頻率之間的關(guān)系式得DASP動(dòng)態(tài)采集分析系統(tǒng)所測吊桿張力見表5。

表5 DASP系統(tǒng)測得索力Tab.5 Cable force measured by DASP system

5 結(jié)論

將實(shí)測頻率計(jì)算結(jié)果與安裝在吊桿里的力傳感器結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)DASP動(dòng)態(tài)采集分析系統(tǒng)測得頻率所計(jì)算得到索力比用JMM-268索力動(dòng)測儀測得頻率所計(jì)算得到索力更加準(zhǔn)確。也驗(yàn)證了索力動(dòng)測儀不適用短吊桿的索力測量。

［1］趙 洋，李樹山，李曉克.系桿拱橋吊桿索力測試研究［J］.工程抗震與加固改造，2011，33(4):56-60.

［2］張征文.系桿拱橋吊索索力的振動(dòng)測試方法［J］.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，12(1):1-3.

［3］王 勇，王立彬.斜拉橋極限承載力計(jì)算的雙組合單元法［J］.森林工程，2011，27(2):73-79.