2009 NO.30
S c i en c e a n d T ech nol o gy I nno vat i on Her a l d
工 程 技 术科技创新导报
1 工程背景
本文以郧县汉江公路大桥加固改造工程的施工监控项目为工程背景。大桥位于湖北省十堰市郧县城关小西峡口上,是G209道跨越汉江的重要桥梁工程,湖北省“八五”交通建设重点项目、交通部交通科技进步“通达计划”新技术开发项目。是我国90年代初同期首先设计、建成的主跨400.0m以上的特大型斜拉桥工程之一,系同期修建的亚洲第一、世界第二跨度的地锚式预应力混凝土斜拉桥。该工程最显著的特点是地锚式、不对称结构体系,大跨度预应力混凝土结构,为我国乃至世界斜拉桥建设从200～300m跨度级向400～500m跨度级跨越做出了重要贡献[1]。
大桥自1994年2月建成通车至今。由于当时施工技术水平的限制和当前超重车辆的增多,加之桥梁管养之因素,致使大桥存在一些安全隐患。鉴于大桥结构目前的技术状态,需对地锚桥台裂缝、斜拉索索力、混凝土结构表面裂缝、跨中无轴力接头、伸缩装置、桥面铺装层、安全护栏、构件表面防腐等进行全面加固、维护及监测。
2 索力测试方法概述
斜拉索是斜拉桥的重要受力构件,它将桥跨的大部分重量和荷载传递到索塔上。斜拉索的索力将直接影响到桥梁上部结构的受力和变形,因此准确的索力测试是斜拉桥加固改造工程施工监控中不可缺少的内容,同时也是斜拉桥改造工程竣工验收及运营监测的主要测试项目。由于斜拉桥的斜拉索数量通常很多,因此发展准确快速的索力测量技术具有重要的实际意义。目前,常见的索力测量方法有6种[2]:①电阻应变片测定法;②索拉力垂度关系测定法;③张拉千斤顶油压表法;④压力传感器测定法;⑤最近国内外己开发出波动法、激光振动、激光雷达系统等方法;⑥振动频率测定法。在以上几种方法中,方法①与②理论上虽然可行,但实际操作起来很困难,
一般不予采用;方法③与④测定张拉过程
中单根索力变化较方便,但不能测定成桥
后索力;方法⑤离工程普及还需要时间;方
法⑥由于其具有操作简便、测量精度高并
且受外界因素影响小的特点,而成为当前
斜拉桥索力测量与监控的首选方法。根据
频率测量时使拉索产生振动所采用激励方
法的不同,振动法又可以分为人工激励的
强迫振动法和环境激励的随机振动法(简
称为脉动法)。显然后者相对更为简便,同
时精度也可保证,因此更为常用。故郧县汉
江公路大桥的索力测试采用脉动振动频率
法。
3 索力计算公式推导
脉动振动频率法的基本原理是将拉索
视为两端张紧的在一个平面内振动的弦如
图1所示。
假
定
:①索两端铰接,②索为匀质
材料,③振动非常微小。则可得出索在张紧
状态下的自由振动方程[3]:
图1拉索的振动示意图
2
2
2
2
4
4
=
?
?
+
?
?
?
?
?
t
u
x
u
T
x
u
EIρ(1)
式中:T为拉索张力;u为某时刻点的
振幅;EI为拉索的抗弯刚度;)
(x
ρ
ρ=为
索的线密度。
解方程代入边界条件可得:
2
2
2
2(
4
L
n
EI
n
f
L
T n
π
ρ?
=(2)
式中:L和n f分别为斜拉索的计算长
度和被测试斜拉索的第n阶固有频率。
事实上,斜拉索内力的测试精度受诸
多因素的限制,最重要的是斜拉索抗弯刚
度和斜拉索有效长度的确定。
为了消除抗弯刚度的影响,联合任意
两阶固有频率所对应的索力计算公式,简
化得:
2
2
2
2
2
2
4
2
4
4
)
(
L
m
n
n
m
f
m
f
n
T n
mρ
?
?
=(3)
式中:
m
f和
n
f分别为被测试斜拉索的
第m阶和第n阶固有频率。
只要知道索的线密度、有效计算长度
和被测斜拉索的任意不同两阶固有频率,
就可以通过(3)式计算出被测斜拉索索力。
(3)式消除了抗弯刚度对索力的影响。
4 斜拉索索力测试过程
斜拉索索力测试过程如下[4]:首先在斜
拉索上合适的部位安装高灵敏度加速度传
感器(如图2所示),由临时紧固在斜拉索上
的高灵敏度传感器拾取缆索在环境振动激
励下的脉动信号,经过滤波、放大、A/D转
换后变为数字信号存储起来,然后通过频
谱分析确定拉索部分自振频率,最后将得
到的某一阶或几阶自振频率以及拉索的相
关几何、物理参数输入专门的索力计算公
式得出索力值。其流程图如图3所示(见图
2、3)。
5 斜拉索索力分析及校核
为了验证推出的索力计算公式,这里
利用大型通用结构分析软件——ANSYS
对斜拉桥的斜拉索进行模拟分析。
建模采用多段梁单元法,该法采用多
个梁单元节点来定义拉索中间点运动,从
而模拟索的非线性行为,计算假定:①索在
弹性阶段工作;②索服从大位移小应变假
浅析斜拉桥加固改造工程的索力测试方法
吴中鑫1刘彦峰2
(1.武汉二航路桥特种工程有限责任公司湖北武汉430063; 2.中铁大桥局集团武汉桥科学研究院湖北武汉430034)
摘要:本文以郧县汉江公路大桥加固改造工程的施工监控项目为工程背景,首先推导出脉动振动频率的索力计算公式,该公式消除了弯曲刚度对索力的影响;其次介绍了斜拉索索力测试过程;最后利用ANSYS对工程中的斜拉索进行模态分析,验证了推导公式的正确性。
关键词:斜拉桥索力测试模态分析
中图分类号:U448.27文献标识码:A文章编号:1674-098X(2009)10(c)-0074-02
Discussion of Cable Power Test Methods of Reinforcement and Reconstruction of the
Cable-stayed Bridge
Wu Zhongxin liu yanfeng
Abstract:In this paper, construction monitoring Projects of reinforcement and reconstruction of the Yunxian Han River Bridge for the engineering background. First of all Derived the cable force calculation formula through the vibration-frequency method, The formula to eliminate the impact of the bending stiffness of cable force; Secondly, Introduce the cable power of testing process; Finally, modal analysis of cable-stayed is carried out for using ANSYS, to verify the correctness of the derived formula.
Key words:the Cable-stayed Bridge, Cable force measurement, Modal Analysis.
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定;③假定索是理想柔性,只能受拉而不能受压和抗弯。
运用ANSYS10.0建立计算模型,拉索用BEAM4单元模拟,划分10个单元。给斜拉索施加初始应变来模拟初始拉力;拉索自重以荷载方式加载在节点上;拉索两端节点采用铰接约束[5]。
现以编号SLM19和YLS10的斜拉索为例,斜拉索计算长度取施工图纸中提供的锚点间工作长,斜拉索的线密度取每根斜拉索总质量与有效计算长度之比。
利用ANSYS 算出的基频为0.722564HZ 和1.547HZ,第一阶模态图分别如图4和5所示。按式(4～3)计算出的实测索力分别为2403.4kN 和2224.4kN 。实测频率与ANSYS 计算频率对照表如表1所示(见图5、6，表1)。
图3 索力识别流程图
由表1可知实测频率与计算频率基本吻合,验证了本文介绍的斜拉索索力测试方法的工程可行性和斜拉索索力计算方法的正确性。
6 结语
本文所推导出的脉动振动频率的索力计算公式消除了弯曲刚度对索力的影响,计算值和ANSYS 分析结果吻合良好,说明了本文所推导出的脉动振动频率的索力计算公式的正确性和精确性,可用于索力测试中的索力计算。
参考文献
[1]李文琪.郧阳汉江公路大桥主梁及斜拉
索施工[J].桥梁建设.1994,1:5-11.
[2]孙勇.城市独塔斜拉桥的施工监控研究
与计算分析[D].北京交通大学.2007,12.
[3]方志,张志勇.斜拉桥的索力测试[J].中
国公路学报,1997,3:11-12.
[4]朱金国,陈宜民.频率法索力测量[J].安
徽建筑.2003,2:84-85.
[5]龚曙光,谢桂兰.ANSYS 操作命令与参
数化编程[M].北京:机械工业出版社.
表1 实测频率与ANSYS 计算频率对照表
图2 索力测试示意图
图4 SLM19第一阶模态图
图5 YLS10第一阶模态图