平行钢绞线斜拉索索力测试方法评价

桥梁建设 年第 卷第 期 总第 期 文章编号 平行钢绞线斜拉索索力测试方法评价 张卓杰 王荣辉 甄晓霞 刘新欢 韩晓成 华南理工大学土木与交通学院 广东 广州 广东省高速公路有限公司 广东 广州 中铁大桥 南京 桥隧诊治有限公司 江苏 南京 摘 要 为评价钢弦计法 磁通量法 频谱法 压力环法及千斤顶法 种方法对平行钢绞线斜 拉索索力测试的适用性及测试精度 对铜陵公铁两用长江大桥 连续 钢桁梁斜拉桥 施工过程中斜拉索的振动信号进行采集研究 对各工况的实测索力数据进行统计分 析 并对比了不同工况和不同测试方法的测量结果 结果表明 外套管的振动能够代表钢绞线索体 的振动 为频谱法测试钢绞线斜拉索索力提供了基础 频谱法 千斤顶法和压力环法的测试结果的 相互偏差在 以内 基本能够满足工程控制的需要 钢弦计法和磁通量法的测试结果可用以复核 其他方法的测试结果 关键词 公路铁路两用桥 斜拉桥 平行钢绞线斜拉索 索力测试 振动频率法 应力传感器 中图分类号 文献标志码 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金项目 中央高校基本科研基金项目 作者简介 张卓杰 博士生 研究方向 大跨度桥梁结构理论 平行钢绞线斜拉索索力测试方法评价 张卓杰 王荣辉 甄晓霞 刘新欢 韩晓成 引 言 平行钢绞线斜拉索和平行钢丝斜拉索是目前斜 拉桥中最常用的索结构 其中 平行钢绞线斜拉索内 的各根钢绞线之间不填充介质 其内的钢绞线索股 始终处于独立的无粘结状态 平行钢绞线斜拉索 常采用 逐根张拉 逐根锚固 的方法挂设 施工时 其索力控制需要使张拉完成时整根斜拉索的索力达 到目标索力的要求 同时使各根钢绞线的索力满足 均匀性的要求 目前常用的索力测试方法有 种 钢弦式压力传感器法 钢弦计法 磁通量传感器 法 磁通量法 振动频率法 频谱法 电阻应变式传 感器法 压力环法 千斤顶油压表法 千斤顶法 这些测试方法的原理和特点各不相同 可分为直接 法和间接法两大类 直接法传力路径明确 测试精度 较高 但仪器昂贵且容易损坏 移动性较差 综合成 本高 间接法通过测量斜拉索结构受力后的响应来 推算索力 克服了直接法测量索力时存在的问题 特 别是频谱法在钢丝斜拉索的索力测量中得到了广泛 的应用 由于钢绞线斜拉索的钢绞线索股之间独立无粘 结 钢绞线斜拉索的这种特殊结构会对桥梁中常用 的索力测试方法的适用性和测量精度产生一定的影 响 很多学者针对此问题做过研究 孙增寿等 通 过建立斜拉索 套管以及斜拉索 套管接触 耦合有限元模型 对钢绞线斜拉索自振频率进行分 析 等 使用加速度传感器对钢绞线斜拉索 的振动信号进行采集和分析 并考察了传感器的安 放位置 斜拉索垂度 斜拉索倾斜度 测试环境等因 素对 振 动 频 率 的 影 响 等 以 华 明 大 桥 为工程背景 对磁通量法 频谱法和千 斤顶法的测试结果进行对比分析 并对这 种方法 进行评价 由于钢弦计法 磁通量法 频谱法 压力环法 千 斤顶法 种测试方法的测量原理不同 仪器的精度 也不同 且测量误差不可避免 因此有必要对各测试 方法的实测索力精度进行评估 一般的研究只对部 分测试方法在个别工况的测试结果进行分析 为了 对这 种常见的索力测试方法的实际测试精度及其 可靠性进行全面评价 本文以铜陵公铁两用长江大 桥为工程背景 对钢绞线斜拉索进行振动一致性试 验 采用 种索力测试方法监测该桥斜拉索索力 并 对各方法的测试数据进行了统计对比分析 工程背景 铜陵公铁两用长江大桥主桥为 连续钢桁梁斜拉桥 图 上层为 车 道公路 下层为 线铁路 主桥采用三榀主桁 三索 面布置 主桁节点采用焊接整体节点 节点外拼接 斜 拉 索 锚 固 于 主 桁 上 弦 节 点 斜 拉 索 采 用 平行钢绞线拉索体系 单根斜拉索的钢绞 线束为 根 垫板间无应力索长为 该桥 号 号墩桥塔各设 对三索面斜 拉索 全桥共 根斜拉索 采用 等值张 拉法挂设 该桥索力测试共采用 种测试方法 其中 单根 钢绞线拉力采用单根张拉千斤顶抽拔法 钢弦计法 磁通量法测试 在保证索力均匀性的基础上 分别将 磁通量传感器和钢弦计的测试结果求均值后乘以此 根斜拉索内钢绞线的数目反推得到整索索力 整索 索力采用频谱法 压力环法 千斤顶法监测 磁通量 传感器布置于边 中桁部分索面上 每根斜拉索上布 设 个传感器 全桥共 个 压力环安装在部分斜 图 铜陵公铁两用长江大桥主桥结构示意 桥梁建设 拉索上 全桥共 个 每根斜拉索张拉前安装 个 钢弦计 在整索索力调整后拆下 以供下一层斜拉索 使用 钢绞线斜拉索振动一致性试验 平行钢绞线斜拉索的各组成部分之间独立无粘 结 采用频谱法测试钢绞线斜拉索索力时 拾振器一 般绑扎在护套管上 护套管的振动能否代表索体的 振动是确定频谱法适用性首要解决的问题 为研究 护套管与索体之间的振动关系 可对斜拉索同一位 置处及不同位置处的护套管和索体之间的振动关系 进行研究 为此进行如下 组试验 每组试验均 选择 个拾振器同时测试 其中 试验 中的 个拾 振器绑扎于梁端外露的钢绞线索体上 另外 个拾 振器绑扎于相邻位置处的套管上 试验 中的 个 拾振器绑扎于梁端护套管或索体上 另外 个绑扎 于塔端外露的钢绞线索体上 每组试验均对短索 中索 长索进行测试 且同步采集每根斜拉索的面 内 面外振动信号 因斜拉索从初张完成至安装减振 器之前 防水罩不下放 斜拉索两端都有一段钢绞线 索体外露 测试时无需对斜拉索做其他特殊处理 限于篇幅 本文仅给出北岸上游侧 号索的 阶梁端 塔端面内振动频率 结果如表 所示 表 北岸上游侧 号索的梁端 塔端面内振动频率 试验组位置 振动频率 第 阶第 阶第 阶第 阶第 阶 塔端 梁端套管 塔端 梁端索体 由表 可知 同一测试组的 个拾振器测得的 各阶频率差别小于 改变拾振器的方向角使之 与不同的钢绞线接触时 测得的频率非常接近 故可 以认为索体内各根钢绞线的振动是一致的 当每根 斜拉索调整完索力均匀性后 在斜拉索的两端预埋 管口安装紧箍装置 使钢绞线索体排列成规则的六 边形 加强了钢绞线索股之间的接触 测量数据表 明安装紧箍装置前 后斜拉索的振动频率无明显变 化 因此 护套管的振动可以代表钢绞线索体的振 动 这是由于护套管自身不承受拉力且非常柔 套管 的自重由钢绞线索股承担 进而使索股发生层间接 触 此外护套管的直径比外周索股的锚固直径小 会 对钢绞线索体产生套箍的效应 外套管实际上是在 钢绞线索体作用下做受迫振动 整索索力测试结果评价 同一工况各方法测试结果评价 对同一工况下各索力测试方法的测试结果进行 分析 以对比各方法测量结果的彼此偏离程度 该 桥斜拉索整体张拉采用 型千斤 顶 施工过程中对千斤顶定期进行标定 由于千斤顶 法测试原理直观 为便于分析 本文中均假定千斤顶 法的测试结果为真值 索力差 代表其他各方法的 测试结果相对千斤顶法测试结果的偏差百分比 在整索索力监测过程中 除部分斜拉索外 采用 频谱法 钢弦计法和千斤顶法进行同步测量 选取北 岸下游侧斜拉索的实测索力数据进行统计分析 其 相对千斤顶法的索力偏差结果如图 所示 图中斜 拉索编号的 上 中 下 分别表示上游侧 中游侧 下 游侧斜拉索 下同 图 北岸下游侧斜拉索各方法相对 千斤顶法实测索力偏差 由图 可知 钢弦计法 频谱法和千斤顶法的测 量结果相互偏差大部分在 以内 对南 北岸斜 拉索的实测数据进行统计分析 对于北岸侧 采用钢 弦计法和频谱法测量的有效样本分别为 个和 个 其中偏差小于 的样本分别为 个和 个 占样本总数的 和 且偏差小于 的样本分别占样本总数的 和 对于南岸 侧 采用钢弦计法和频谱法测量的有效样本均有 个 其中偏差小于 的样本分别为 个和 个 占样本总数的 和 且偏差小于 的样本分别占样本总数的 和 因此 频谱 法 钢弦计法和千斤顶法 种方法的测试结果可以 平行钢绞线斜拉索索力测试方法评价 张卓杰 王荣辉 甄晓霞 刘新欢 韩晓成 相互校核 频谱法与千斤顶法的测试结果偏差在 内 样本数据达样本总数的 且数据更平 稳 而由钢弦计法反推整索索力的测试数据受均匀 性的影响 离散度大一些 由于压力环 磁通量传感器只安装在部分斜拉 索上 可供对比的数据不多 其统计意义较前面 种 方法稍差 频谱法 钢弦计法 压力环法 磁通量法 与千斤顶法实测索力偏差如图 所示 图 各测试方法与千斤顶法实测索力偏差 由图 可知 压力环法 磁通量法的测试结果与 其他测试方法的测试结果偏差趋势是相近的 具有 相互校核的作用 由于磁通量法反推整索索力的测 试数据受均匀性的影响 离散度比压力环法 频谱法 大 采用压力环法测试的有效样本共 个 其中 个样本偏差在 以内 个样本偏差在 以 内 采用磁通量法测试的有效样本共 个 其中 个样本偏差在 以内 个样本偏差在 以内 综合以上分析结果 对各种方法的测试结果与 千斤顶法的测试结果间的偏差进行汇总 偏差最大 值按照使偏差的保证率占样本总数的 给出 结 果如表 所示 表 各测试方法与千斤顶法的偏差 测试方法差值 备注 压力环 偏差 以内的占样本总量的 钢弦计 偏差 以内的占样本总量的 频谱法 偏差 以内的占样本总量的 磁通量 个别传感器需要现场二次标定 不同工况各方法测试结果评价 不同工况之间 对同一种方法测试结果的变化 情况进行分析 可以考察同一种测试方法在不同工 况之间的数据稳定性 在铜陵公铁两用长江大桥斜 拉索整索索力调整过程中 每根斜拉索至少对应 个测量工况 整索索力调整前和整索索力调整完成 调整过程中索力变化量的理论值可以通过有限元模 型计算得到 在整索索力调整过程中 南岸上游侧 各斜拉索索力变化量的理论值和实测值如图 所示 图 南岸上游侧斜拉索索力变化量的理论值与实测值 由图 可知 频谱法 钢弦计法和千斤顶法测得 的索力变化量与理论值符合较好 与理论差值一般 在 以内 差值大于 的发生在 号斜拉索处 且 种方法测得的偏差量相 近 这说明在不同工况下 仪器的工作状态是稳定 的 无明显突变现象 数据可以互相校核 同时 对 压力环法和磁通量法的偏差数据进行分析可知 这 种方法在调索过程中也没有出现明显的突变现象 在各测试方法中 只有频谱法的可重复性最好 因此 本文采用频谱法进行任意指定工况的索力测 试 在 号斜拉索调整完成 工况 号斜拉索调整完成 工况 及 号斜拉索调 整完成 工况 种工况下 采用频谱法测量北岸 侧 号斜拉索的实测值 其实测值与理论值偏 差变化量的结果如图 所示 由图 可知 对于 号斜拉索 索力实测值 与理论值的偏差在不同工况间基本保持稳定 随着 施工工况间隔的增大 部分斜拉索的索力实测值与 理论值的误差略有增大的趋势 如工况 的偏差变 化量与工况 的偏差变化量相比 曲线呈现下移 的趋势 对于 号斜拉索 在不同工况 之间 测量值与理论值的误差有较大的波动 但与压 力环法的测试数据对比后 排除了测量错误 产生 理论值与实测值偏差较大的原因可能有 个方面 由于施工过程中桥面的荷载变化非常频繁 有限 桥梁建设 图 不同工况下频谱法实测索力偏差变化量 元计算时很难将其统计精确 随着施工跨度的增 加 结构非线性效应愈加明显 考虑到计算成本 监 控计算只考虑了斜拉索的垂度效应 结 论 护套管的振动能够代表钢绞线索体的振 动 可以采用频谱法测量平行钢绞线斜拉索索力 对于铜陵公铁两用长江大桥 频谱法的平均测试精 度达到 且随着斜拉索长度的增加 倾角减小 频谱法的测试精度进一步提高 达到 对于短 索 为确保频谱法测量的准确性 建议在前期测试时 进行斜拉索振动一致性和索力识别试验 由于钢弦计法和磁通量法受索力均匀性影 响 用于整索索力测试时 其数据稳定性较千斤顶 法 压力环法和频谱法稍差 各方法测得索力变化 量的吻合度好于整索索力实测值的吻合度 个别索 会出现不同方法的测量值相互差别较大的情况 需 参考线形 理论索力 既有测量数据等综合确定整索 索力 各方法测试的整索索力差基本在 以内 满足工程精度的要求 文中测试结果可以为同类型 斜拉索索力测试提供参考 参考文献 唐小萍 平行钢绞线拉索与平行钢丝拉索的特性 经 济性比较分析 桥梁建设 王 鹏 王根会 斜拉索单根张拉施工控制技术研究 第 届全国结构工程学术会议论文集 北京 工程力学编辑部 苑仁安 秦顺全 无应力状态法在钢绞线斜拉索施工 中的应用 桥梁建设 孙长军 斜拉索施工及索力控制技术研究 硕士学位 论文 成都 西南交通大学 孙增寿 赵云鹏 秦 磊 基于频率法的平行钢绞线索 索力测试研究 铁道科学与工程学报 万田保 张 强 铜陵公铁两用长江大桥主桥设计关 键技术 桥梁建设 平行钢绞线斜拉索索力测试方法评价 张卓杰 王荣辉 甄晓霞 刘新欢 韩晓成 张 强 铜陵公铁两用长江大桥主桥设计 桥梁 建设 李 伟 张 强 铜陵公铁两用长江大桥斜拉索锚固 参数设计研究 世界桥梁 中铁大桥勘测设计院集团有限公司 铜陵长江大桥 斜拉索索力监测专项方案 武汉 张卓杰 男 博士生 年毕业于石家庄铁道大学土 木工程专业 工学学士 研究方向 大跨度桥梁结构理论 王荣辉 男 教授 年毕业于成都电讯工程学院 机械电子专业 工学学士 年 毕业于兰州交通大学结构力学专 业 工学硕士 年毕