案例应用丨斜拉桥索力测试原理与工程应用

发布时间:2020-04-24


拉索作为一种高效地承受拉力的结构构件,广泛地应用于桥梁、高耸大跨工程结构中,包括斜拉桥、悬索桥、拱桥、塔桅结构、张拉屋顶等。 

一、概述

索与其它刚性结构构件不同,具有以下特点:

    ① 索没有抗压强度,只承受拉力;

    ② 索抗拉强度的大小除与其本身的截面特性有关之外,还与其自重及外部作用有关;

    ③ 伴随着较小的应变和应力,索会产生很大的位移,体现出较强的非线性特性;

    ④ 索会产生松弛和应力损失。

索张拉结构施工过程中,必须准确测量拉索张力以保证工程安全和施工顺利进行。如在斜拉桥和用扣索加劲的拱桥施工中,必须调整索力以达到索力和线型的优化。另一方面,在工程结构使用过程中,拉索往往由于腐蚀和振动等原因受到损害,导致拉索的索力松弛。作为张拉结构的重要构件,拉索的损害将会给结构带来灾难性的后果。受到损坏的拉索,索力将发生变化,而变化的索力会影响结构内力分布和结构线型,因此索力可以作为结构健康状态评估的重要指标,在整个工程施工和使用期限内,都必须准确地了解索力状况。

二、基本原理

振动法测索力是目前测量斜拉桥索力应用最广泛的一种方法。其原理是以环境振动或者强迫激励拉索,传感器记录下拉索振动的时程数据,并有此识别出索的振动频率。而索的拉力与其固有频率之间存在着特定的关系。于是,索力就可由测得的频率经换算而间接得到。    

索在张紧状态下,其自由振动方程为(1):

式中,x为沿索方向坐标,u(x,t)为索上各点在时刻t的横向位移;EI为索的抗弯刚度;T为索拉力;ρ为索的线密度。

假定索的边界条件为两端铰接,则方程(1)的解为式(2):

式中,n为索自振频率的阶数,n=1、2、3⋯⋯;f_n为索的第n阶自振频率;l为缆索的计算索长。

忽略索弯曲刚度的影响,式(2)变为(3):

公式(3)到推导过程是建立在将拉索理想化为“张紧的弦”,但是由于忽略了拉索实际存在的垂度和抗弯刚度的影响, 有时会带来不可接受的误差, 需要对弦公式进行修正。考虑垂度和抗弯刚度后, 索的振动方程呈现非线性, 因此有必要寻求简单实用的由频率换算索力的工程公式。

对于斜拉桥拉索而言可以忽略抗弯刚度的影响,但必须考虑垂度的影响,因此采用索振动的一阶位型, 用能量法推导出考虑索垂度影响时拉索基频与索力的关系, 进而用曲线拟合方法建立了索力计算实用公式。

最终,考虑垂度影响的斜拉桥索力计算公式如下:

其中无量纲参数λ^2反映拉索的垂度和弹性模量对自振频率的影响。

三、东华索力测试分析系统

东华测试拥有完整的索力分析系统。

■ 典型产品:DH5906W无线索力测试系统

◆ 内置高灵敏加速度传感器

◆ 量程范围1g

◆ 最高采样速率1kHz

◆ 频率分辨率可达0.01Hz

◆ WiFi无线数据通讯

◆ 采集模块通讯距离200米

◆ 每台计算机可同时控制16个模块

◆ 低功耗设计,内置可充电锂电池组,连续工作时间8小时以上。

图1  DH5906W无线索力测试系统实物照片

■ 软件平台:DHDAS动态信号测试分析软件索力分析模块

◆ 具备最高32768点的频谱分析点数,从而获得频率分辨率更高的频谱图,确保精确地识别拉索基频频率值;

◆ 针对不同类型拉索桥(如,拱桥、斜拉索桥、悬索桥主索、悬索桥吊索)调用相应的索力计算算法,每种算法都会自适应地对拉索垂度、抗弯刚度影响因素进行工程修正。

图2  索力分析模块设置界面

◆ 拉索现场振动数据采集完毕,软件会自动生成振动加速度频谱图,在频谱图中单光标选取拉索基频,软件会自动计算索力结果,并显示于谱图界面中,如图3所示。

图3  索力分析模块结果显示界面

四、工程应用

由表中数据可知,采用东华索力测试分析系统实测索力与采用直接法获得的检测索力比较接近,误差在工程允许范围之内。

表1  某跨江斜拉索桥进行的1#~5#索力测试数据

图4  索力测试现场照片


最新新闻


Copyright © 2022  江苏东华测试技术股份有限公司  All Rights Reserved.   苏ICP备18042773号-1    网站建设:中企动力  常州   SEO   基于故障诊断和健康管理的智能设备维保管理平台

联系我们   |   法律声明

查询您想了解信息

结构性能力学研究 | 自定义测控分析系统 | 结构安全在线监测 | 设备的故障预测与健康管理(PHM)