斜拉桥索力测试方法及原理综述

斜拉桥索力测试方法及原理综述王玉田（青岛理工大学土木工程学院青岛266033）摘要斜拉索的索力大小直接决定着斜拉桥的工作状态，采用准确的方法进行合理的索力测试是保证斜拉桥顺利施工和安全运营的必要手段。本文针对目前斜拉桥索力测试中常用的方法及其原理进行了阐述和比较，并指出了各种方法的特点和适用场合。关键词斜拉桥索力测试综述SummaryofMethodsandTheoriestoCableForceMeasurementofCable—StayedBridgesWangYu-tian(SchoolofCivilEngineering,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao,266033)AbstractCableforcedecidestheworkingstateofthecable-stayedbridgedirectly.Measuringthecableforceofthecable-stayedbridgethroughsomeexactmethodistheguaranteetoconstructionandoperation.Thispapersummarisesthemethodsandtheirtheoriesusuallyuesedincableforceofcable-stayedbridgemeasuring.Furthermore,Featuresandtheirapplyingplacesarepointedout.Keywordscable—stayedbridgescableforcemeasurementsummary斜拉索是斜拉桥的一个重要组成部分，斜拉索的工作状态是斜拉桥是否处于正常状态的主要决定因素，所以，能否对斜拉索索力进行精确的测量，在很大程度上决定着斜拉桥施工的成败和正常的运营。斜拉桥索力测试的方法很多，经过近年来的实践，许多方法已经被淘汰（如“扭力扳手测试法”，误差较大），目前常用的有以下几种：1.压力表测定法目前，斜拉索均使用液压千斤顶张拉。该方法的原理就是根据千斤顶张拉油缸中的液压推算千斤顶的张拉力，并认为千斤顶的张拉力就等于拉索索力。所以，只要通过精密压力表或液压传感器测定油缸的液压，就可求得索力。通常使用0.3~0.5级的精密压力表，并应事先对液压系统进行标定，测得索力的精度可达到1%~2%。压力表测定法简单易行，比较直观、可靠，是施工中控制索力最适用的方法。但该法所用仪器较笨重，移动不便，且经常有油不回零的情况，影响测试精度。并且不适合于已张拉好的斜拉索，如运营中的索力测试。2.压力传感器测定法张拉时，在张拉连杆上粘贴应变片或利用穿心式压力传感器，也可在锚头和锚座之间安装测力传感器，进而通过二次仪表的读数得到千斤顶的张拉力。选择恰当的传感器除可以满足施工控制监测要求外，还可用于桥梁使用过程中的索力测量。这种方法精度可达0.5%~1.0%。压力传感器测定法精度相对较高。但使用时传感器必须与千斤顶配合使用，所以该方法也只限于施工阶段的索力测试。另外，压力传感器售价相当昂贵，只能在特定场合下使用。3.磁通量法用磁通量法测定斜拉桥的索力，国外应用较多，多座实际桥梁结构的安全检测表明效果很好，但我国斜拉桥上采用此法的实例还很少，技术也不够成熟。磁通量法是利用放置在索中的小型电磁传感器，测定磁通量变化，根据索力、温度与磁通量变化的关系，推算索力。该法所用的关键仪器是电磁传感器（E—M传感器），这种传感器由两层线圈组成，除磁化拉索外，它不会影响拉索的力学及物理特性。对任一种铁磁材料，在实验室进行几组应力、温度下的试验，建立磁通量变化与结构应力、温度的关系后，即可用来测定由该种材料制造的拉索索力。铁磁材料磁通量密度B与有效磁场H的关系为：HB（4）其中：H——有效磁场，）（内部外加MHHH，内部H为磁化程度M的函数；B——磁通量密度；——磁通量渗透系数，是应力、温度T、有效磁场H的函数。材料中的应力变化时，磁滞曲线也发生变化。测定磁通量渗透系数就可推算出拉索的应力。4.频率法频率法是依据索力与索的振动频率之间存在对应关系的特点，在已知索长度、两端约束情况、分布质量等参数时，将高灵敏度的拾振器绑在斜拉索上，拾取拉索在环境振动激励下的振动信号，经过滤波、信号放大、A/D转换和频谱分析即可测出斜拉索的自振频率，进而由索力与拉索自振频率之间的关系获得索力。这是一种间接方法。现有仪器及分析手段，测定频率精度可达到0.005Hz。对于张紧的斜拉索，当其垂度的影响忽略不计时，在其无阻尼时的自由振动微分方程为：0222244xymxyFxyEI（1）其中：x为沿索向的坐标；y（x，t）为斜拉索在t时刻垂直于索向的挠度；EI为索的抗弯刚度；t为时间，F为索内拉力，假定沿索均匀分布，并不随时间而变化；m为索单位长度的质量。假定索的两端为铰支，则该微分方程的解为：222224lEInnfmlFn（2）其中：n为索自振频率的阶数（即拉索长度内的半波个数）；nf为索的第n阶自振频率（s-1）；l为拉索的自由或挠曲长度。由式（2）可得：422244mlEInmlFnfn（3）这样，在频域里，斜拉索的频谱就是一个个间距逐渐加大的谱线。而根据索长而细的结构特征（长度一般都是其直径的500倍以上），索的抗弯刚度与索长的平方相比很小。那么，在阶次n不太大的情况下，根号内的第二项比第一项要小得多，对频率的影响很小，所以谱线接近等间距。大多数情况下，可以忽略不计，则（3）式简化为：124nfmlFnfn（4）其中，1f为斜拉索自由振动的第一自振频率，频谱图从而完全成为等间距的谱线。由谱线图可以准确地判断出哪些谱线是索的自振频率nf及其自振频率的阶数n，再进一步求得索力。用频率法进行索力测试，具有快速、方便、实用、可重复测试的特点，精确度较高（测试精度可以达到万分之一）。但频率法所确定的索力精度在很大程度上取决于索本身参数的可靠性（诸如索的弯曲刚度、索的计算长度、索的线密度等），各参数的偏差会影响到索力计算的精度。另外，拉索的斜度、垂度及边界条件等因素也有相应的影响。文献[1]中提出了综合考虑拉索斜度、垂度、弯曲刚度影响的拉索索力测试方法，该方法提高了索力测试的精度，使得频率法在实际工程中能得到更为有效的应用。5.综评压力表测定法和压力传感器测定法一般仅适用于正在张拉的斜拉索的索力测定，很难用于对已张拉斜拉索的索力进行测试。磁通量法是测定斜拉桥索力的非破坏性方法，可以用于已张拉斜拉索的索力测试，但我国当前无论在技术上，还是经验上都很不完善。因此，当需要对已施工完毕的斜拉索进行索力复测时，频率法几乎是唯一的选择。参考文献1.罗宁安，王伟锋，韩大建.广州体育馆拉索索力测试方法及其应用，华南理工大学学报（自然科学版），2002，30（2）：21—24.2.王伟锋，韩大建.斜拉桥的索力测试及其参数识别[J].华南理工大学学报，2001，29（1）：18—21.3.方志，张志勇.斜拉桥的索力测试[J].中国公路学报，1997，10（1）：18—21.4.郭良友等.武汉长江二桥的索力、温度和应力测量.铁道部大桥局桥梁研究院论文集，1999.11.