斜拉橋索力測(cè)試方法
2018-04-02
索力測(cè)試無論是在斜拉橋的建設(shè)過程中還是在其日常維護(hù)檢測(cè)中都具有舉足輕重的地位。索力是否處在合理的范圍內(nèi)將直接影響結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)和線形的平順程度，所以對(duì)拉索的索力進(jìn)行定時(shí)的測(cè)試是斜拉橋、下承式拱橋和懸索橋等帶索橋梁日常維護(hù)的重要內(nèi)容。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，進(jìn)行索力測(cè)試時(shí)，不同的測(cè)試方法和不同的工程也存在較大的差異，這是由于不同的索力測(cè)試方法所需的計(jì)算參數(shù)不能準(zhǔn)確測(cè)定，不同工程也因其具有自身特點(diǎn)和各異的環(huán)境因素所致。索力測(cè)試前必須選定合適的測(cè)試方法，考慮到影響測(cè)試精度的各種因素，例如影響振動(dòng)法測(cè)試精度的因素有：儀器、計(jì)算模式、邊界條件、索長(zhǎng)、外界環(huán)境、斜度以及垂度等。當(dāng)這些因素在索力測(cè)試時(shí)如果處理不當(dāng)則會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成不小的誤差。所以，對(duì)不同的索力測(cè)試方法及其影響因素進(jìn)行分析顯得格外重要。
2.索力測(cè)試方法
2.1千斤頂壓力表測(cè)定法
現(xiàn)階段斜拉橋的施工現(xiàn)場(chǎng)，斜拉索均使用千斤頂張拉，其原理為：千斤頂張拉油缸中的液壓和斜拉索的拉力有直接的關(guān)系，所以我們可以根據(jù)精密壓力表或液壓傳感器測(cè)定油缸的液壓，然后就可根據(jù)液壓反推出索力。但此法現(xiàn)階段還存在以下缺陷：
?。?）當(dāng)拉索安裝完成后，若還想用此法來測(cè)試索力將會(huì)變的十分困難和不便，工程量也很大。
?。?）千斤頂在張拉過程中對(duì)拉索的錨桿螺紋會(huì)產(chǎn)生很大的損害。
?。?）此法所得到的索力值只能代表張拉端的局部索力，不能代表整跟拉索的索力大小。
?。?）在測(cè)試之前需要事先標(biāo)定，如果標(biāo)定粗糙，誤差將會(huì)很難控制。
2.2 壓力傳感器測(cè)定法
該方法一般與振動(dòng)法聯(lián)合使用，可作為對(duì)振動(dòng)法測(cè)定索力結(jié)果的一種校核，已安裝的傳感器還可以在成橋后的運(yùn)營(yíng)階段連續(xù)測(cè)定索力值，還適用于成橋后運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的索力長(zhǎng)期監(jiān)控。壓力傳感器測(cè)定法的原理是永久安裝壓力傳感器在斜拉索的錨固端或張拉端，傳感器的感應(yīng)錨頭的壓力與斜拉索的索力成一定的比例關(guān)系，所以可通過傳感器感應(yīng)錨頭的壓力來反算斜拉索的索力，此法測(cè)量結(jié)果精度高，而且索力在索中的位置明確。
但壓力傳感器測(cè)定法現(xiàn)在還存在以下缺陷未能解決：（1）壓力傳感器的造價(jià)高，其自身質(zhì)量也很大，所以會(huì)給施工造成一些不便。（2）測(cè)量的索力值具有一定的局限性，它只能代表索頭的張力，不能代表整索的實(shí)際索力值。特別是如果在張拉過程中發(fā)生拉索在某位置被卡住的情況時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)端頭索力很大，而拉索中部索力卻較小的情況，此時(shí)若用此方法會(huì)得出錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果，并且這種情況在斜拉索的張拉過程中并不少見。特別是成橋后拉索如果安裝上阻尼減振裝置后，這種方法所測(cè)索力值的誤差將會(huì)更大。況且現(xiàn)階段壓力傳感器的耐久性還未在實(shí)際工程中得到有效驗(yàn)證。所以，這種方法雖然測(cè)定的精度較高，但由于其還存在以上缺陷，因而此法往往要和振動(dòng)法聯(lián)合使用，作為對(duì)振動(dòng)法測(cè)試結(jié)果的校對(duì)，有時(shí)也只能在特定場(chǎng)合和特定的某根拉索下使用。
2.3電阻應(yīng)變片測(cè)定法
該方法屬于早期測(cè)定索力的方法，其原理是直接在拉索上粘貼應(yīng)變片，通過測(cè)量應(yīng)變后，然后根據(jù)應(yīng)變和應(yīng)力之間的關(guān)系來直接求出索力。由于此方法存在以下缺陷：1）應(yīng)變片不易防護(hù)，貼片存活率低；2）因拉索張拉后伸長(zhǎng)量較大，零點(diǎn)的選定需要十分慎重，否則容易超過量程范圍。因以上缺陷現(xiàn)階段此方法已經(jīng)較少使用。
2.4磁通量測(cè)定法
磁通量法測(cè)索力的原理為：當(dāng)給磁通量傳感器通入電流時(shí)，在激磁線圈中會(huì)引起磁化力。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，就會(huì)在構(gòu)件縱向產(chǎn)生磁場(chǎng)，進(jìn)而在測(cè)量線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當(dāng)磁心的磁通量滲透變化時(shí)，輸出電壓也就會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，所以，可通過輸出的電壓值，就可以測(cè)得磁心的外加力，鐵磁材料的磁通量滲透系數(shù)與應(yīng)力、溫度、外加磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，其表達(dá)式可表示為：
?。?.1）
式中： A0為EM傳感器線圈的有效橫截面面積； Af為拉索的橫截面面積； ，Vout，V為采集線圈中有鋼絲和無鋼絲時(shí)的感應(yīng)電壓；H為根據(jù)工作需要外加的磁場(chǎng)；R為拉索的應(yīng)力；T為溫度[30]。
將磁通量滲透系數(shù)按泰勒級(jí)數(shù)展開后，如果當(dāng)應(yīng)力為某一定值時(shí)可得到式（1.2）：
?。?.2）
m1，m2可從室溫下的標(biāo)定曲線中得到，L（0，0）和A1均可從擬合曲線中得到，在現(xiàn)實(shí)工程應(yīng)用中，只需通過測(cè)量參數(shù)L，就可以推算出拉索的實(shí)際拉力[30]。
2.5振動(dòng)頻率測(cè)定法
斜拉索在各種環(huán)境因素的作用下通常會(huì)激發(fā)起微小的振動(dòng)，如果通過使用高靈敏度的拾振傳感器及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和分析軟件，由結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析出若干階自振頻率，最后由索力與其自振頻率、邊界條件、剛度等的關(guān)系式通過頻率來反算索力。該方法具有測(cè)定簡(jiǎn)單、方便、快捷、測(cè)試設(shè)備可重復(fù)使用等突出優(yōu)點(diǎn)，成為了現(xiàn)階段工程界最受歡迎的索力測(cè)量方法之一。其頻率的測(cè)定方法有接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N[30]。
?。?）接觸式測(cè)量
接觸式測(cè)量主要是給拉索的相應(yīng)位置安裝加速度傳感器，通過環(huán)境或人工激振使斜拉索開始振動(dòng)，再利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集儀器，識(shí)別拉索的振動(dòng)數(shù)據(jù)，使用相關(guān)的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、分析、處理，最后得到斜拉索的振動(dòng)頻率，然后再根據(jù)頻率與索力的關(guān)系式反算索力，采用此種方法得到的基頻具有較高的精度，但是由于其在測(cè)量基頻時(shí)需要進(jìn)行復(fù)雜的布線，而且往往會(huì)因現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試條件的限制，傳感器常常不能安裝在其合適的位置，所以這也會(huì)給測(cè)量結(jié)果造成一定的誤差[30]。
?。?）非接觸式測(cè)量
非接觸式測(cè)量拉索的振動(dòng)頻率，是利用激光技術(shù)的遠(yuǎn)程檢測(cè)方法，通過激光發(fā)射和接收裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斜拉索的隨機(jī)振動(dòng)，并通過相應(yīng)的程序分析出斜拉索的振動(dòng)頻率，從而根據(jù)索力與振動(dòng)頻率的關(guān)系式再反算出索力，此方法屬于無損檢測(cè)，不需布置傳感器，又由于不需在拉索上進(jìn)行繁瑣的布線，所以它也是一種無線檢測(cè)方法，比接觸式測(cè)量方法方便，它也屬于一種遠(yuǎn)程檢測(cè)方法，所以特別是對(duì)于測(cè)試一些傳感器難以安裝的長(zhǎng)索的振動(dòng)頻率時(shí)，應(yīng)用此方法將變得極為方便，最后必須指出非接觸式測(cè)量只能實(shí)現(xiàn)即時(shí)測(cè)量，不能對(duì)斜拉索進(jìn)行長(zhǎng)期的頻率監(jiān)測(cè)，所以它也有自己的局限性[30]。
