中承式钢管混凝土拱桥吊杆索力检测.doc

中承式钢管混凝土拱桥吊杆索力检测瞿阳，袁宝，王丰（安徽省高速公路试验检测科研中心,安徽 合肥 230601）摘要：重点讨论了当今应用最为广泛的索力检测法振动频率法的原理、应用。并应用这一方法对成桥后的钢管混凝土拱桥进行吊杆索力检测。振动频率法操作方便，对结构无破坏，测试精度较高，具有较高的实用价值。关键词：钢管混凝土拱桥、索力、振动频率法、检测1 引言目前桥梁结构中的拉索体系越来越多,如现在广泛应用的斜拉桥中的斜拉索,悬索桥中的主缆以及竖索,拱桥中采用的吊杆以及建筑结构中的拉索等。按照设计规范的要求和方法,他们的拉力和容许应力都应该控制在允许范围之内,整个桥梁结构的安全和线形的美观也和其索力状态息息相关。目前索力检测常用的方法有：千斤顶法、压力环法及振动频率法。振动频率法操作方便，对结构无破坏，测试精度较高，具有较高的实用价值，是目前最普遍的索力检测方法。2 工程背景本桥上部结构采用L=63m、f/L=1/3的钢管砼拱桥，单根拱肋高2m，由两根800mm的钢管组成哑铃型断面，内灌注C40砼，主钢管壁厚为=12mm，腹板壁厚为=10mm。全桥设置两道K撑以保证拱肋的横向稳定。全桥单侧共设置13根吊杆，吊杆间距4m。吊杆索体由7mm镀锌平行钢丝组成，标准强度1670MPa。桥台采用U型桥台。3 吊杆索力计算3.1有限元素法概述结构有限元素法是利用计算机的一种数值分析方法。几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可以用它求得满意的结果。有限元法按所取基本未知量的不同分为位移法、力法、混合法和杂交法。位移法以结点的位移为基本未知量。力法是以结点力为基本未知量。混合法取单元一部分结点位移和一部分结点力作为基本未知量。杂交法则是在单元内部和沿单元边界各自含有独立的位移函数与应力函数。位移法由于容易实现电算求解而应用广泛。按位移法对线弹性问题作有限元分析主要有三步:结构的离散化和位移模式的确定、单元特性分析、结构的整体分析。3.2有限元模型采用桥梁博士建立拱桥的有限元计算模型。主拱肋采用空间梁单元，吊杆采用只受拉桁架单元。拱肋采用空间梁单元进行模拟。空间梁单元有两个结点，其中每个结点有六个自由度，分别为：UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ，即结点在X,Y,Z方向上的平移和绕X,Y,Z的转动。空间梁单元的几何常量有：横截面积（AREA）,两个抗弯惯性矩（IZZ和IYY）,两个厚度（TKZ和TKY）和扭转惯性矩（IXX）。空间梁单元的单元坐标系以结点指向结点为单元坐标X轴正方向，单元坐标Y轴平行于总体坐标系XOY平面，单元坐标Z轴由单元坐标系X轴与Y轴按右手螺旋坐标系确定。空间梁单元的材料参数有：弹性模量（EX）,容重（DENS）和泊松比（PRXY）。只受拉桁架单元以没有旋转方向的刚度，其两端节点没有旋转方向的自由度。采用空间梁单元和桁架单元建立的有限元模型如下图所示：图1钢管混凝土拱桥有限元模型3.3吊杆索力计算结果考虑桥梁结构自重及吊杆张拉力，经有限元计算，边吊索索力为：1208.6kN，其余吊索索力为：884.3kN。4 索力检测本桥每侧拱肋设置13根吊杆，吊杆间距4m。吊杆采用PE热挤镀锌高强钢丝拉索85S7mm，配套相应锚具，吊杆钢丝标准强度1670MPa。该为中承式系杆拱桥，吊杆为该类型结构桥梁的重要承重构件，对其力学性能进行检测，是确保桥梁安全运营必不可少的工作之一。对全桥吊杆进行索力测试，检测其张拉力是否符合设计要求，并观测索力是否具有对称性和均匀性。频率法目前是索力测量的普遍应用的方法，当索的边界条件为两端固定，索的质量均匀分布时，索力的计算公式为：其中：T索的拉力(N)；M单位长度的索重(kg/m)；L缆索的长度；第n阶自振频率。全桥吊杆索力测试结果见表1。表1 全桥吊杆索力测试结果（频率法）吊杆编号长度（m）计算长度（m）单位长度重量（Kg/m)K值基频（HZ）实测 索力（KN）设计 索力（KN）偏差 (%)N016.306 5.106 25.68 2677.93 20.65 1142 1208.6-5.5 N029.900 8.700 25.68 7774.57 10.81 908 884.32.7 N0312.833 11.633 25.68 13900.20 8.10 913 884.33.2 N0415.108 13.908 25.68 19868.59 6.86 936 884.35.8 N0516.730 15.530 25.68 24773.12 6.12 926 884.34.8 N0617.701 16.501 25.68 27967.80 5.70 907 884.32.6 N0718.034 16.834 25.68 29108.00 5.52 887 884.30.3 N0817.701 16.501 25.68 27967.80 5.86 959 884.38.5 N0916.730 15.530 25.68 24773.12 6.11 926 884.34.7 N1015.108 13.908 25.68 19868.59 6.62 870 884.3-1.6 N1112.833 11.633 25.68 13900.20 7.59 801 884.3-9.4 N129.900 8.700 25.68 7774.57 10.87 918 884.33.8 N136.306 5.106 25.68 2677.93 20.12 1084 1208.6-10.3 5 结束语从表1中可以看出，全桥吊杆索力实测值与设计值的差值均不超过20%，说明全桥吊杆受力较均匀。同时，计算值与实测值较接近，说明振动检测法结果准确可信。检测时应注意保证信号完整，信号测记长度应足够，并需照顾到各测记通道的动态范围。索力检测中应注意放大器增益的选择，应使大信号不饱和，小信号有足够精度。加速度传感器的方向应与重力方向垂直，为提高精度可取前几阶频率的平均值。参考文献1 杨炳成， 陈偕民， 郝宪武 编.结构有限元素法M. 西北工业大学出版社，1996年2 胡钢，王丰.动测法测定单梁承载力研究C.中国水运，2009年02期，page213-2143 扈振涛，王荣辉.荷麻溪特大桥索力测试方法研究C.北