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行激振，通過測量拉索的振動響應，采用軟件分析頻譜獲得拉索自振頻率，再根據索力與自振頻率的關系計算索力，但在測量基頻時布線較復雜，受條件限制，傳感器的安裝位置不當會造成一定的測量誤差。非接觸式測量是利用激光技術遠程檢測的方法，通過激光發射和接收裝置實時監測斜拉索的隨機振動，采用計算程序分析出斜拉索的振動頻率，再根據索力與振動頻率的關系反算索力，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，不能進行長期的頻率監測，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境、儀器設備、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，對結構無損壞，測試精度較高，設備可以重復使用，既可在系桿拱橋施工階段也可在成橋階段使用，其是現階段使用最為普遍的方法，但其在一端鉸支另一端固結邊界條件下的吊桿索力測試以及由高階自振頻率推導索力方面仍存在缺陷性。

當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，吊桿索力的計算應結合吊桿長徑比和內部張力合理選擇計算模型[1]。在環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，兩側延伸的市政路長1648m，跨徑組合為（13×30m）預應力現澆箱梁+（45.5m+46m+46m+45.5m）預應力T梁+（11m+85m+114m+160m+114m+85m+11m）連續鋼管混凝土系桿拱橋+（45.5m+7×46m+45.5m）預應力T梁+（12×30m）預應力現澆箱梁，共43跨，設雙向六車道，目前該橋是國內跨度最大的無風撐背靠式五連拱鋼管橋。

該橋梁主要指標如下：汽車荷載為城-A級；地震荷載按基本地震烈度8度設防；設計洪水頻率為主橋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，為保證測量結果的可比性，只將基頻與2015年、2019年的檢測值進行對比，索力測試數據和基頻對比情況見表1。通過對比2015年檢測數據，左、右兩側分別有2根和1根吊桿基頻減少超過5%；左側有1根吊桿基頻增加5%以上。通過對比2019年檢測數據，左、右兩側均有1根吊桿基頻減少超過5%；左、右兩側分別有1根和2根吊桿基頻增加5%以上。

表1 Z1～Z2墩C1拱吊桿2020年索力測試數據和歷年基頻測試對比表

4 案例總結

結合橋梁的外觀、系桿索力、水下基礎等方面的檢測結果，依據《城市橋梁養護技術標準》（CJJ 99—2017）進行評定，該橋技術狀況評定為C級，橋梁處于合格狀態，應進行針對性小修或中修工程。C1跨各吊桿索力檢測結論：對比往年檢測數據，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套筒進行修復或更換，對下錨頭松動的螺母重新擰緊或更換，對保護罩進行除銹處理，對吊桿鋼絲進行無損檢測以了解吊桿內部鋼絲情況；（2）橋梁后期加強日常巡查及養護維修工作，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，使索力測試結果更為準確；（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，未考慮吊桿長細比，但該橋吊桿長細比較小，故索力計算結果誤差較小；（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用校核測試結果，建議條件允許情況下進行校核。

5 結束語

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，現階段仍具有一定局限性。未來隨著科技的不斷發展，融合人工智能、大數據、云計算等信息技術的索力測試方法將為橋梁健康監測提供更為可靠和準確的數據。