振動頻率法測試吊桿索力實例分析

廣州市中磐橋隧檢測有限公司，廣東 廣州 511436

1 振動頻率法概述

振動頻率法分為接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量主要利用固定于拉索的加速度傳感器進(jìn)行激振，通過測量拉索的振動響應(yīng)，采用軟件分析頻譜獲得拉索自振頻率，再根據(jù)索力與自振頻率的關(guān)系計算索力，但在測量基頻時布線較復(fù)雜，受條件限制，傳感器的安裝位置不當(dāng)會造成一定的測量誤差。非接觸式測量是利用激光技術(shù)遠(yuǎn)程檢測的方法，通過激光發(fā)射和接收裝置實時監(jiān)測斜拉索的隨機(jī)振動，采用計算程序分析出斜拉索的振動頻率，再根據(jù)索力與振動頻率的關(guān)系反算索力，此方法不需要布置傳感器，也不需要在拉索上布線，屬于無損無線的檢測方法，但必須即時測量，不能進(jìn)行長期的頻率監(jiān)測，因此具有一定局限性。

該方法測試精度的影響因素包括外界環(huán)境、儀器設(shè)備、計算方法、邊界條件、索長、吊桿有效長度、吊桿剛度等。該方法操作簡便，對結(jié)構(gòu)無損壞，測試精度較高，設(shè)備可以重復(fù)使用，既可在系桿拱橋施工階段也可在成橋階段使用，其是現(xiàn)階段使用最為普遍的方法，但其在一端鉸支另一端固結(jié)邊界條件下的吊桿索力測試以及由高階自振頻率推導(dǎo)索力方面仍存在缺陷性。

當(dāng)系桿拱橋吊桿張力振動法測試時，需要考慮抗彎剛度對索力測試精度的影響，吊桿索力的計算應(yīng)結(jié)合吊桿長徑比和內(nèi)部張力合理選擇計算模型[1]。在環(huán)境振動不易激起吊桿較強振動情況下，利用小型力錘敲擊，對索進(jìn)行激勵，由此獲得吊桿正確頻率[2]。針對鋼管拱橋短吊桿索力測試不精確的情況，引入了帶有迦遼金方法的索體附帶質(zhì)量塊的頻率法索力精確計算公式，并將該精確計算方法與吊桿索力設(shè)計方法對比，驗證了該計算方法的有效性[3]。

2 橋梁概況

該橋總長3574m，其中橋梁長1930.6m，兩側(cè)延伸的市政路長1648m，跨徑組合為（13×30m）預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆箱梁+（45.5m+46m+46m+45.5m）預(yù)應(yīng)力T梁+（11m+85m+114m+160m+114m+85m+11m）連續(xù)鋼管混凝土系桿拱橋+（45.5m+7×46m+45.5m）預(yù)應(yīng)力T梁+（12×30m）預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆箱梁，共43跨，設(shè)雙向六車道，目前該橋是國內(nèi)跨度最大的無風(fēng)撐背靠式五連拱鋼管橋。

該橋梁主要指標(biāo)如下：汽車荷載為城-A級；地震荷載按基本地震烈度8度設(shè)防；設(shè)計洪水頻率為主橋1/300；航道等級為國家V級航；道線路等級為城市主干道；設(shè)計行車速度為60km/h；最大縱坡為不超過3.5%；橋面橫坡為雙面坡2%。

3 索力測試

因吊桿計算索長取值和索力計算方法存在差異，為保證測量結(jié)果的可比性，只將基頻與2015年、2019年的檢測值進(jìn)行對比，索力測試數(shù)據(jù)和基頻對比情況見表1。通過對比2015年檢測數(shù)據(jù)，左、右兩側(cè)分別有2根和1根吊桿基頻減少超過5%；左側(cè)有1根吊桿基頻增加5%以上。通過對比2019年檢測數(shù)據(jù)，左、右兩側(cè)均有1根吊桿基頻減少超過5%；左、右兩側(cè)分別有1根和2根吊桿基頻增加5%以上。

表1 Z1～Z2墩C1拱吊桿2020年索力測試數(shù)據(jù)和歷年基頻測試對比表

4 案例總結(jié)

結(jié)合橋梁的外觀、系桿索力、水下基礎(chǔ)等方面的檢測結(jié)果，依據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 99—2017）進(jìn)行評定，該橋技術(shù)狀況評定為C級，橋梁處于合格狀態(tài)，應(yīng)進(jìn)行針對性小修或中修工程。C1跨各吊桿索力檢測結(jié)論：對比往年檢測數(shù)據(jù)，左右吊桿均存在基頻變化超過±5%的情況，基頻變化較大的吊桿主要集中在拱肋兩端短索位置，短索為測量誤差較大的吊桿。主要建議：（1）對吊桿PE套筒進(jìn)行修復(fù)或更換，對下錨頭松動的螺母重新擰緊或更換，對保護(hù)罩進(jìn)行除銹處理，對吊桿鋼絲進(jìn)行無損檢測以了解吊桿內(nèi)部鋼絲情況；（2）橋梁后期加強日常巡查及養(yǎng)護(hù)維修工作，保證橋梁運營的長期性與安全性。

案例特殊條件分析：（1）索力測試未考慮吊桿抗彎剛度，建議采用分級張拉標(biāo)定吊桿索力的方式減小索力測定過程中的偶然誤差，使索力測試結(jié)果更為準(zhǔn)確；（2）索力在未解除減震器約束條件下測量，索長取吊桿兩錨固端間的長度，未考慮吊桿長細(xì)比，但該橋吊桿長細(xì)比較小，故索力計算結(jié)果誤差較小；（3）測試時開放交通，可能會受到車輛荷載的影響，現(xiàn)場已采取禁止重載車輛、限制小車通行的措施，最大限度地降低了影響；（4）受條件限制，該案例未與壓力傳感器測定法聯(lián)用校核測試結(jié)果，建議條件允許情況下進(jìn)行校核。

5 結(jié)束語

橋梁通常在運營20～30年后，面臨耐久性降低和安全性不足等問題，開展橋梁健康監(jiān)測是保證橋梁安全服役的重要舉措之一。振動頻率法測試索力，由于影響測量精度的因素較多，現(xiàn)階段仍具有一定局限性。未來隨著科技的不斷發(fā)展，融合人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等信息技術(shù)的索力測試方法將為橋梁健康監(jiān)測提供更為可靠和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。