帶HDPE外殼鋼絞線斜拉索索力測(cè)試研究

劉大洋，何曉琴

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

帶HDPE外殼鋼絞線斜拉索索力測(cè)試研究

劉大洋，何曉琴

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

通過(guò)有限元軟件模擬分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的方法，研究實(shí)際工程中帶HDPE外殼的鋼絞線斜拉索的索力測(cè)試的可靠性與準(zhǔn)確性問(wèn)題。對(duì)鋼絞線與HDPE外殼上不同采集記錄點(diǎn)時(shí)程信號(hào)分析表明：在對(duì)帶HDPE外殼的鋼絞線斜拉索的索力進(jìn)行測(cè)試時(shí)，直接將采集傳感器安裝在鋼絞線約束圈對(duì)應(yīng)的HDPE外殼上，可以有效識(shí)別拉索的索力，并在東水門(mén)大橋上得以證實(shí)。

橋梁工程；鋼絞線斜拉索；HDPE外殼；索力測(cè)試；可靠性

0 引 言

拉索作為斜拉橋的主要受拉構(gòu)件，其將橋面活載與主梁恒載傳遞給主要承重構(gòu)件橋塔，拉索的受力情況對(duì)全橋的結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。在斜拉橋的施工過(guò)程期間與運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)階段，索力測(cè)試結(jié)果是評(píng)估橋梁狀態(tài)的重要依據(jù)。

與其他類型的斜拉索相比，鋼絞線斜拉索具有抗拉強(qiáng)度高，而使其在同樣噸位的要求下具有自重輕的特點(diǎn)，同時(shí)該種拉索在施工時(shí)可單根穿束，張拉、調(diào)試等明顯優(yōu)勢(shì)，使其應(yīng)用日益廣泛。在實(shí)際工程中，為提高鋼絞線的耐久性，一般在其外部安裝HDPE外殼對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，外殼與鋼絞線之間通過(guò)固定間距的絞線約束圈連接。在索力測(cè)試時(shí)，不允許每次測(cè)試都進(jìn)行開(kāi)窗作業(yè)，而是直接把拾振器安裝在HDPE保護(hù)殼上[1]。

目前，關(guān)于在HDPE外殼上直接安裝拾振器，測(cè)試該類拉索索力的準(zhǔn)確性與可靠性方面的研究較少。主要研究集中在鋼絞線斜拉索施工階段拉索張拉狀態(tài)調(diào)整及線形控制[2-6]，拉索復(fù)雜邊界條件與索力誤差分析[7-8]。陳建勇等[9]以該類拉索的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析為依據(jù)，得出在采用振動(dòng)法測(cè)試該類拉索的索力時(shí)，傳感器可直接安裝在HDPE外殼上。

筆者以東水門(mén)大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，采用有限元軟件建立帶HDPE外殼拉索的空間模型，在拉索模型的端部施加白噪聲模擬環(huán)境激勵(lì)，記錄模型中鋼絞線與外殼對(duì)應(yīng)各記錄點(diǎn)的速度與加速度時(shí)程曲線，并對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證有限元模擬分析的合理性，以及該索力測(cè)試方法的可靠性。

1 工程概況

東水門(mén)大橋?yàn)殡p塔單索面鋼桁架斜拉橋，上層為雙向四車道道路，下層同軌道交通6號(hào)線，橋梁全長(zhǎng)1 124.95 m，其中主橋跨徑布置為222.5 m+445 m+190.5 m=858 m。大橋的每根斜拉索由139根平行鋼絞線構(gòu)成，其噸位在實(shí)橋應(yīng)用中為世界之最。東水門(mén)大橋橋型布置如圖1。

圖1 東水門(mén)大橋橋型布置(單位：m)Fig. 1 Layout of East-Watergate Bridge

整根拉索表層為HDPE外殼(聚乙烯材料)，內(nèi)腔為標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa高強(qiáng)低松弛鍍鋅鋼絞線。

2 有限元模型

以東水門(mén)大橋南邊跨的SBK03號(hào)拉索為分析對(duì)象，SBK03號(hào)拉索的參數(shù)如表1：

表1 SBK03號(hào)拉索參數(shù)

拉索模型簡(jiǎn)化與假定：將整根拉索截面劃分多個(gè)子截面，以考慮實(shí)際相對(duì)獨(dú)立的多根鋼絞線的拉力不均勻；HDPE外殼只有自重荷載，無(wú)初應(yīng)力；約束圈位置只考慮垂直于拉索軸線方向的自由度耦合。單元選擇：HDPE保護(hù)殼采用SHELL63殼單元，鋼絞線采用Link10線單元。為提高計(jì)算分析效率，在建模中打開(kāi)減縮質(zhì)量矩陣。約束方法：對(duì)拉索端部節(jié)點(diǎn)的3個(gè)平動(dòng)自由度進(jìn)行約束。

模型進(jìn)行靜力分析與瞬態(tài)分析，模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試索力激振過(guò)程，采集鋼絞線拉索和HDPE保護(hù)殼各模擬記錄點(diǎn)的加速度、速度與位移時(shí)程數(shù)據(jù)。模擬采集點(diǎn)的選取，考慮以下3個(gè)方面：離鋼絞線拉索約束圈的距離；實(shí)際工程安裝測(cè)試高度的限制；HDPE外殼記錄點(diǎn)與鋼絞線上的記錄點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)。具體拉索采集點(diǎn)分布如圖2：

圖2 SBK03號(hào)拉索振動(dòng)記錄點(diǎn)布置(單位：m)Fig. 2 Layout of vibration recording points on SBK03 cable

3 有限元計(jì)算與分析

通過(guò)對(duì)各記錄點(diǎn)的加速度、速度、位移12個(gè)時(shí)程曲線進(jìn)行對(duì)比分析，研究各個(gè)參數(shù)對(duì)帶HDPE外殼鋼絞線斜拉索索力測(cè)試的影響。結(jié)果表明：加速度時(shí)程曲線的分析效果最為清晰，位移時(shí)程曲線的識(shí)別效果最差。由此，加速度信號(hào)和速度信號(hào)的時(shí)程曲線分析為文中的重點(diǎn)。

通過(guò)MATLAB程序，對(duì)記錄點(diǎn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理與頻譜分析，采用矩形窗函數(shù)。數(shù)據(jù)重疊分析為0.9倍。

3.1 HDPE外殼上記錄點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

選取P2′、P4′記錄點(diǎn)(非約束圈位置)，與P3′記錄點(diǎn)(約束圈位置)為分析對(duì)象，P2′、P4′記錄點(diǎn)分別為第1段、第2段HDPE保護(hù)殼的中點(diǎn)，3個(gè)信號(hào)記錄點(diǎn)的速度、加速度時(shí)程曲線分析效果如表2，P2′、P3′記錄點(diǎn)典型分析效果如圖3～圖4。

表2 HDPE殼上不同位置記錄點(diǎn)分析效果

由圖3～圖4的加速度信號(hào)分析效果表明，位于約束圈對(duì)應(yīng)位置的P3′記錄點(diǎn)，受其他頻率干擾較小，而位于非約束圈的P2′記錄點(diǎn)受其他干擾影響較大，特別是P2′記錄點(diǎn)的15～30 Hz頻率帶，雜波干擾影響明顯。

3.2 拉索與HDPE殼對(duì)應(yīng)記錄點(diǎn)分析

選取位于約束圈位置的P3′記錄點(diǎn)(HDPE殼)與P3記錄點(diǎn)(鋼絞線)，同時(shí)選取距拉索端部較近的P1′記錄點(diǎn)(HDPE殼)與P1記錄點(diǎn)(鋼絞線)為對(duì)象，以分析鋼絞線約束圈對(duì)振動(dòng)信號(hào)的傳遞效果，4個(gè)記錄點(diǎn)的加速度信號(hào)分析效果如圖5～圖8：

由圖5～圖8可知，位于約束圈位置的P3′記錄點(diǎn)(HDPE殼)與P3記錄點(diǎn)(鋼絞線)的加速度分析效果基本相同，文中未列出的速度頻譜分析圖亦是如此。P3′記錄點(diǎn)(HDPE殼)的加速度分析效結(jié)果的一階幅值有所增大，這說(shuō)明約束圈具有良好的傳遞振動(dòng)信號(hào)的能力。

P1′記錄點(diǎn)(HDPE殼)與P1記錄點(diǎn)(鋼絞線)均未在約束圈位置，從頻譜圖可見(jiàn)，兩個(gè)記錄點(diǎn)的分析結(jié)果相關(guān)性較小，在HDPE殼上P1′記錄點(diǎn)的分析效果優(yōu)于靠近拉索端部的拉索上P1記錄點(diǎn)，而P1′記錄點(diǎn)(HDPE殼)與其最近的約束圈對(duì)應(yīng)的P3′記錄點(diǎn)(HDPE殼)的速度頻譜圖基本一樣，加速度頻譜的12 Hz以前的頻譜圖基本一樣，12 Hz以后的HPDE殼上記錄點(diǎn)的信號(hào)出現(xiàn)干擾。

綜上，有限元軟件分析說(shuō)明：①在現(xiàn)場(chǎng)鋼絞線索力測(cè)試時(shí)沒(méi)有必要把HDPE殼撬開(kāi)，拉索約束圈具有良好的傳遞拉索振動(dòng)信號(hào)的能力；②在條件允許時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)索力測(cè)試測(cè)點(diǎn)最好布置在約束圈位置；③HDPE殼上的非約束圈對(duì)應(yīng)位置的振動(dòng)信號(hào)是由約束圈位置間接的傳遞過(guò)來(lái)，在這些測(cè)點(diǎn)可以得到拉索有效頻譜分析結(jié)果，但是在其中會(huì)出現(xiàn)相關(guān)的干擾，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)需考慮這部分干擾的影響。

根據(jù)記錄點(diǎn)的加速度信號(hào)與速度信號(hào)的分析結(jié)果，得出SBK03拉索的前11階振動(dòng)頻率如表3：

表3 頻譜識(shí)別結(jié)果

由上表頻譜分析結(jié)果，拉索的基頻為1.125 Hz，當(dāng)階次增大時(shí)，階次間的頻差也隨之增大。

4 拉索現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頻率索力

本次試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)拉索的索力測(cè)試采用振動(dòng)頻率法，采集系統(tǒng)由加速度拾振器、連接線、數(shù)字調(diào)理分析儀、以及安裝分析軟件的筆記本電腦。測(cè)試時(shí)將拾振器固定在HDPE殼表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場(chǎng)分析判斷。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)索力測(cè)試Fig. 9 Cable force measurement on site

在現(xiàn)場(chǎng)橋梁檢測(cè)時(shí)，對(duì)大橋的36根拉索的索力均進(jìn)行了測(cè)試，筆者以大橋南邊跨SBK03號(hào)鋼絞線斜拉索為例，采樣樣本長(zhǎng)度為7 000個(gè)點(diǎn)，采樣頻率為51.2 Hz，采集振動(dòng)加速度信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10：

通過(guò)SBK03號(hào)拉索的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行分析，識(shí)別出前6階振動(dòng)頻率，其振動(dòng)基頻為1.100 Hz，頻差均值為1.100 Hz。

5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

由表4可見(jiàn)，筆者通過(guò)有限元軟件模擬帶HDPE保護(hù)殼鋼絞線斜拉索索力測(cè)試方法是合理的。在拉索端部施加白噪聲模擬外界激振，采集分析各記錄點(diǎn)信號(hào)振動(dòng)頻率，并利用公式計(jì)算索力值，頻差法計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)索力差值0.59%，基頻法計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)索力差值-0.65%。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采集的數(shù)據(jù)分析，頻差法與基頻法計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)索力差值分別為-5.0%、-5.0%。此誤差主要因?yàn)楣P者未考慮拉索實(shí)際存在的彎曲剛度、垂度、復(fù)雜邊界條件等因素的影響。

6 結(jié) 論

通過(guò)有限元軟件模擬分析，安裝HDPE保護(hù)殼的鋼絞線斜拉索的測(cè)試過(guò)程與方法，以及東水門(mén)大橋的索力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1)針對(duì)實(shí)際工程中安裝HDPE外殼的鋼絞線斜拉索，為保護(hù)拉索的耐久性，振動(dòng)法測(cè)試索力時(shí)，直接將傳感器固定在HDPE殼上可進(jìn)行索力的準(zhǔn)確測(cè)量。

2)為減小HDPE殼相關(guān)雜波信號(hào)的干擾，測(cè)試索力時(shí)，傳感器的最優(yōu)安裝位置在鋼絞線約束圈位置的HDPE外殼上。

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(責(zé)任編輯：朱漢容)

CableForceMeasurementofSteelStrandofStayCablewithHDPEShell

LIU Dayang, HE Xiaoqin

(China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute Co., Ltd., Chongqing 400067, P.R.China)

The reliability and accuracy of cable tension test of steel strand cable with HDPE shell in practical engineering were studied through the simulation analysis of finite element software and the verification of field test data. The analysis of time-history signal of different acquisition and recording points on steel strand and HDPE shell shows that: in cable force measurement test of steel strand of stay cable with HDPE shell, the cable force can be effectively identified by directly installing sensor on HDPE shell which is corresponding to bound-circle of steel strand. The above conclusion is verified by East-Watergate Bridge.

bridge engineering; steel strand of stay cable; HDPE shell; cable force measurement; reliability

U443.38

：A

：1674- 0696(2017)09- 012- 05

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.09.03

2016-02-15；

：2016-05-14

重慶市應(yīng)用開(kāi)發(fā)(重大)項(xiàng)目(cstc2013yykfC30001)

劉大洋(1986—)，男，四川廣元人，工程師，主要從事橋梁檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)方面的研究。E-mail：liudayang@cmhk.com。