索力实验方案-20141204B-团队

陈少峰-李大军团队TeamLedbyChenShaofeng&LiDajun哈尔滨市南岗区西大直街92号邮编:150001No.92,WestDa-ZhiStreet,Harbin,Heilongjiang索力桥梁张拉吊杆和体外索索力振动法测试实验方案1研究背景和意义 22实验目的 33实验内容 43.1抗弯刚度识别。 43.2吊杆索力测试实验。 43.3体外索索力测试实验。 43.4建立ANSYS有限元模型。 43.5应用统计学知识分析。 44实验步骤 44.1熟悉实验条件。 54.2利用ANSYS建立有限元模型。 74.3抗弯刚度识别。 124.4吊杆索力测试实验。 134.5体外索索力测试实验。 134.6建立ANSYS模型分析。 134.7统计学分析。 145预计周期和成果 14附录相关代码 14Test.inp 141研究背景和意义对吊杆和体外索进行索力测试是识别桥梁状态的重要手段。振动法由于其测量仪器日趋小型化、携带方便、易于安装、可重复使用等优点，在索力测试中得到广泛应用。但是振动法的测试结果并未得到普遍信任。主要原因包括以下几个方面；1.模型误差振动法索力测试的模型大多是基于梁模型或者张紧弦模型。而实际的结构与理想的梁模型或者弦模型存在着较大差异。2.频率识别由于信号处理技术在土木领域并不是很专业，所以获得的频率处理效果并不是很好。3.信号采集目前普遍采用单个加速度传感器，且传感器的位置没有专门的规定。虽然采用多通道的质量优于单通道，但即便是采用多通道，也缺乏一个有依据的应用流程。上述种种原因都导致，振动法索力测试的结果并未得到普遍信任。我课题组的研究生王建飞于2012年的硕士论文中，对近几十年来国内外学者的工作进行了归纳总结。在此基础上对振动法测量吊杆索力做了深入研究。建立了张紧弦、两端固结梁、一端铰支一端固结梁和两端固结梁四种数学模型，并根据提出的基本假设，对四种数学模型下的索力计算公式进行推导，得到索力计算的实用公式。并提出了以无量纲参数作为划分吊杆选择类弦模型和类梁模型的界定依据。使用ANSYS有限元模型建立了四种数学模型的有限元模型，通过模态分析提取其自振频率进行分析，以有限元分析结果与推导公式的精度进行了验证。在此基础上，王建飞给出了振动法索力测试的实际工作流程。并结合工程对其理论进行了验证。王建飞的工作使我们看到，振动法测索力不受重视的原因是上述三个问题未得到有针对性的解决。在由频率测索力方面，国内外学者拟合了十几种公式，使振动法索力测试有很多计算选择但是这些公式没有考虑频率和结构参数随机性对结果的影响。为了在众多索力计算公式中选择最优公式，我课题组研究生陈明于2014年的硕士论文中，考虑频率和结构参数随机性对索力结果的影响，设计了一套能概率性确定索力结果和计算索力测试失效概率，对索力测试中的未知参数进行正向识别的神经网络逭蒙特卡洛算法。而后对振动法索力测试进行了概率性分析和正向参数识别。并研究了多参数的随机性对长中短索的索力结果的影响。有转向块的体外索是另一类在工程中普遍采用的张拉索形式，其索力测试也普遍采用振动法。但是体外索边界条件不同于斜拉索和吊杆拱桥。也就决定了体外索的索力测试不能直接运用斜拉索和吊杆拱的计算公式。计划由我组肖会闯的课题完成这方面的研究。但是目前要解决的问题是实验。拟通过实验实测数据对吊杆和体外索的索力测试进行研究。在振动法测索力的时候，如果只测得索体振动的某一阶频率，就必须知道索体的抗弯刚度才能将索力算出。因此，索体的抗弯刚度是个很重要的参数。事实上，在索长生产后的交货单上并没有提供索体的抗弯刚度的性能指标，而且在各种关于索参数规格表中也没有具体给出这方面的数据。这给实际应用带来诸多不便。另外由于索体是由多股高强钢丝制成，而通常的有限元计算软件只能定义实心封闭截面的参数，所以实用中还需要将索体折算成实心截面。因此需要对索体的抗弯刚度进行识别。姚文斌认为，钢绞线的抗弯刚度随着张力的变化而变化。当T增加时，索中丝或者丝层之间紧密程度增加，使索的抗弯刚度有增大的趋势，但同时，索的横截面积略减小，使得所得抗弯截面模量减小，而且其变化率大于抗弯刚度增加的变化率，所以EI随着T增大而减小。陈彦江认为索的抗弯刚度介于单根钢丝抗弯刚度之和和同等直径钢柱抗弯刚度之间，RomanGeier认为抗弯刚度为截面最大抗弯刚度的2/3，周云识别出来的抗弯刚度接近，谢晓峰识别的抗弯刚度为0.58，并且索越短，抗弯刚度越接近。李宗杰等在2009年通过足尺实验实测索体的抗弯刚度，提出利用实测抗弯刚度和等截面的原则简化为实心截面钢棒的方法，并以15.2mm公称直径的钢绞线为例说明了该方法的可行性与实用性。在现场取一段公称直径为15.2mm的钢绞线，将其两端置于标高相同的两点，测量两端点的水平距离为9.7m，用细线在两端点之间拉紧一根水平线。将索体中心线与细绳对齐后，用笔在钢绞线上做好标记。然后放松钢绞线，测其在自重均布荷载作用下产生向下的挠度，用卷尺量取索体下垂的距离，即可根据测得的挠度值以及其自重反推出索体的抗弯刚度。2实验目的计划通过此次实验实现以下三个主要目的。1、实现索体的抗弯刚度测定和实用简化。2、王建飞在其毕业论文中推导了不同边界条件下利用各阶频率计算索力的公式，通过实验实测数据检验吊杆以及斜拉索振动法索力测试公式的精确性和可靠性。3、利用体外索模型实验数据，研究体外索经典的两折点体外索振动规律，拟合出振动法测索力的实用计算公式。3实验内容3.1抗弯刚度识别。备选方法一：参考李宗杰实验的思路和方法，实现索的抗弯刚度的识别和简化。备选方法二：在两端铰支条件下，通过索力和频率关系式，反推出其抗弯刚度。3.2吊杆索力测试实验。根据预应力索的实用规范选择的预应力钢绞线一根。通过按照不同的索力张拉来实现从短杆到长杆的模拟，并根据王建飞论文中的实用计算公式进行计算其理论频率。并通过模拟实验进行验证。3.3体外索索力测试实验。制作一个三段式支架，拉一根体外索。张拉到指定索力，测试其各索段对应的频率。重点考察体外索是否属于短索范围（按王建飞论文计的实用公式算一下）。（体外索的各参数待补充）3.4建立ANSYS有限元模型。分别对吊杆和体外索进行有限元模拟，得到其在指定索力下的自振频率。并利用王建飞论文中的实用公式计算出其索力值。比较其计算值和实际值之间的误差，分析其公式的精度。3.5应用统计学知识分析。得出实测数据的分布规律，并分析实用公式的置信度和置信区间。由于实际条件尚不完全明确，实验内容和步骤可根据实际情况略做调整。4实验步骤前期准备部分4.1熟悉实验条件。通过和OVM公司人员沟通，了解实验场地能够提供的实验条件。比如试验拉力机的吨位、型号；加载的顺序和分级方法；能够提供的测试索的分类、型号以及截面、参数（直径、模量、是否有保护套）、长度、端头形式等。得知索的型号和参数如表1所示，其中每1000m理论重量参考《预应力混凝土用钢绞线GB/T5224-2003》，根据索的公称截面积折算得到。表SEQ表\*ARABIC1索结构参数汇总钢索型号长度（m）弹性模量（Pa）公称截面积（mm2）每1000m理论重量（kg）索的极限索力(kN)S2102.0E11280.02202.487520.8S2J102.0E11338.92665.796630.3S3102.0E11420.03303.731781.2S3J102.0E11478.93767.04890.7S4102.0E11560.04404.9751041.6S4J102.0E11618.94868.2841151.1S5102.0E11700.05506.2181302.0S5J102.0E11758.95969.5271411.5S6102.0E11840.06607.4621562.4S6J102.0E11898.97070.7711671.9S7102.0E11980.07708.7061822.8S7J102.0E111038.98172.0151932.3S8102.0E111120.08809.9492083.2S8J102.0E111178.99273.2582192.7S9102.0E111260.09911.1932343.6S9J102.0E111318.910374.52453.1张拉使用的千斤顶为YCW250B，额定载荷2450kN。可实现各种型号索的张拉。使用自动控制的油泵进行张拉，正式产品不分级，直接加载至拉索标准极限索力的0.8倍。卸载至0.5倍设计索力后，再加载至设计索力后，测量长度。也可根据需要设定分级张拉，例如，弹模试验时分为7级张拉，从0.1倍标准极限索力至0.4倍准极限索力，每级以0.05倍准极限索力递增。索的安装图示如图1图SEQ图\*ARABIC1试验组件安装示意1、千斤顶2、传感器3、试验工装4、长度测量装置

5、试验台6、试验钢索7、试验工装从图2可以看出，拉索与反力架的连接固定都是通过铰链形式来链接的。拉索的长度测量的起始位置均是从铰链链接的中心位置计算的，测试终点为另一端的铰链链接中心位置。图SEQ图\*ARABIC2结构边界条件示意4.2利用ANSYS建立有限元模型。利用beam3单元模拟吊杆。参考李宗杰实验结论，抗弯刚度暂时采用和钢绞线同等截面积的钢柱的抗弯刚度（可根据现场实验识别抗弯刚度之后作一些调整）。各索型号的参数参考表1参数。通过模态分析提取其自振频率进行分析。根据图2的边界条件，索的形式应为两端铰接。先采用S2索进行试算。由表1可知，整根钢绞线极限索力为。分9级张拉，从至，每级以递增。通过ANSYS建模计算，得到结构各索力下的前五阶振型及其对应的频率。其中，结构的前五阶阵型如图3所示。12345图SEQ图\*ARABIC3前五阶振型示意结构各索力作用下的前五阶频率如表2所示。表SEQ表\*ARABIC2S2索前五阶频率汇总52.087.697715.4523.3131.33139.56378.129.42418.89228.44938.13848.002104.1610.8821.79832.79343.90255.164130.212.16324.35936.62548.99361.498156.2413.32226.67640.09253.60367.237182.2814.38928.80743.28357.84672.524208.3215.38230.79146.25461.79877.451234.3616.31432.65449.04565.51382.083260.417.19634.41751.68669.02886.467王建飞论文P29指出，对于两端铰支边界条件的吊杆，由于其索力与频率的对应关系为精确的解析表达式，即不需要进行长短吊杆的划分。参考论文P23中两端铰支边界条件下的索力计算公式利用各阶频率计算索力值。得到各阶频率对应索力的计算值，汇总如表3所示。表SEQ表\*ARABIC3各阶频率计算索力52.0852.0798310952.0813135952.0798570952.0803619252.0796530378.1278.119562478.115847378.1171201278.1179145278.1204862104.16104.1640804104.1591857104.1588612104.1556365104.1582837130.2130.2099596130.194361130.198109130.1961053130.1982737156.24156.2320043156.2383502156.2342304156.2387279156.2337902182.28182.2809387182.2792951182.2773789182.276425182.2730507208.32208.3254383208.322037208.3170819208.3116432208.3126783234.36234.3506167234.3550006234.3533668234.3538696234.3535275260.4260.3891404260.3985664260.3946501260.3934117260.3930273分析用各阶频率计算索力的精度。利用误差=(计算值-理论值)/理论值，即，得到各阶频率计算所得索力的误差，如表4所示。通过数据可以看出，在两端铰接条件下，利用振动法测量索力的公式精度很高。在准确测出索的自振频率的基础上，可以很准确的测出索的索力。表SEQ表\*ARABIC4各阶频率计算索力误差52.08-3.24334E-062.52226E-05-2.74402E-066.94928E-06-6.66222E-0678.12-5.60158E-06-5.3158E-05-3.68649E-05-2.66959E-056.22377E-06104.163.91746E-05-7.81814E-06-1.09328E-05-4.18919E-05-1.64774E-05130.27.64945E-05-4.33107E-05-1.45242E-05-2.99129E-05-1.32589E-05156.24-5.11758E-05-1.05597E-05-3.69278E-05-8.14196E-06-3.9745E-05182.285.15002E-06-3.86726E-06-1.43797E-05-1.96128E-05-3.81242E-05208.322.61053E-059.77827E-06-1.4008E-05-4.01151E-05-3.51462E-05234.36-4.0038E-05-2.13323E-05-2.83035E-05-2.6158E-05-2.76179E-05260.4-4.17035E-05-5.50521E-06-2.0545E-05-2.53007E-05-2.67767E-05为了得到短杆，不妨将索长缩短到1m，计算出索的前5阶频率如表5表SEQ表\*ARABIC5S2索前五阶频率汇总52.0885.49214.44407.63671.641008.378.12101.31240.41438.99705.861044.1104.16114.97263.83468.26738.481078.8130.2127.18285.34495.8769.731112.3156.24138.31305.34521.88799.761144.9182.28148.61324.11546.73828.71176.5208.32158.24341.85570.49856.661207.3234.36167.31358.71593.3883.741237.4260.4175.92374.81615.27910.011260.9进而用前5阶频率得到索力如表6表SEQ表\*ARABIC6各阶频率计算索力52.0852.0728152452.0201214451.818000951.3449430150.3959273678.1278.1077621478.0368989177.8073506377.300178676.28868874104.16104.1357386104.0467304103.8017948103.2423759102.2479511130.2130.1836846130.0639312129.7913493129.1940393128.1146104156.24156.2162325156.0832316155.7719783155.1458251154.0457127182.28182.2520604182.1051233181.7661787181.0953245179.8962991208.32208.2851528208.1255919207.750775207.0420891205.7697208234.36234.2986254234.1401385233.7362549232.9929098231.7010874260.4260.3338745260.1507875259.7278362258.9392047252.3903869从表3、表4、表6可以看出，对于两端铰支梁，无论索长如何，利用频率法测索力的公式精度已经很高。无需拟合出新的公式。这点在王建飞论文P23页已经进行阐述。而其抗弯刚度对索力的影响是一个常数项，会随着吊杆长度的增加而逐渐减小。当吊杆长度足够大时，可以忽略抗弯刚度的影响。抗弯刚度的影响到底有多大呢？同样取10m长的S2索，若不考虑抗弯刚度的影响，则计算得到的索力如表7所示。表SEQ表\*ARABIC7各阶频率计算索力52.0852.2029815252.5739153153.1882109654.050768855.1584137878.1278.2427128378.6084490279.2254739980.088321481.19924695104.16104.2872309104.6517874105.2672151106.1260434107.2370445130.2130.33311130.6869627131.3064628132.1665122133.2770344156.24156.3551547156.7309519157.3425843158.2091348159.312551182.28182.4040892182.7718968183.3857327184.2468319185.3518115208.32208.4485887208.8146387209.4254357210.2820501211.3914391234.36234.4737671234.8476023235.4617207236.3242765237.4322882260.4260.5122908260.8911682261.503004262.3638186263.4717881误差大小如表8所示表SEQ表\*ARABIC8各阶频率计算索力误差52.080.0023613960.0094837810.0212790120.0378411830.05910932878.120.0015708250.0062525480.0141509730.0251961260.039416884104.160.0012214940.0047214610.0106299450.0188752250.029541517130.20.001022350.0037401130.0084981780.015103780.023633137156.240.0007370370.0031422930.0070569910.0126032690.019665585182.280.0006807610.0026985780.0060661220.0107901680.016852159208.320.0006172650.0023744180.0053064310.0094184430.014743851234.360.0004854370.002080570.0047009760.0083814490.013109269260.40.0004312240.0018862060.0042358060.0075415460.011796421从表8可以看出，当索长为10m时，在不考虑抗弯刚度的情况下，误差仍然很小。完全可以满足工程需要。当索长为1m时，S2索在不考虑抗弯刚度影响的情况下，索力计算结果如表9所示。表SEQ表\*ARABIC9各阶频率计算索力52.0864.38785824101.2802934162.6533878248.3856309358.272002278.1290.42280513127.2970709188.6427376274.3408665384.1647635104.16116.4507816153.3069024214.6371817300.2830638410.1240259130.2142.4987276179.3241032240.6267362326.2347272435.9906852156.24168.5312755205.3434036266.6073653352.186513461.9217875182.28194.5671034231.3652952292.6015657378.1360124487.7723739208.32220.6001958257.3857639318.5861619404.082777513.6457956234.36246.6136684283.4003104344.5716418430.0335977539.5771622260.4272.6489175309.4109595370.5632231455.9798925560.2664617误差大小如表10所示表SEQ表\*ARABIC10各阶频率计算索力误差52.080.2363260030.9447060952.1231449283.7693093495.87926271478.120.1574859850.6295067961.4147815872.5117878453.917623701104.160.1179990550.4718404611.0606488261.8829019182.937442645130.20.0944602730.3772972590.8481316151.5056430662.348622774156.240.0786691980.3142818970.7063963471.2541379481.956488655182.280.0674078530.269285140.6052313241.0744788921.67595114208.320.0589487120.235530740.5293114530.9397214721.465657621234.360.0522856650.209252050.4702664360.8349274521.302343242260.40.0470388540.188214130.4230538520.7510748561.151560913通过表6、表9、表10可以看出，在索长很短时，若考虑抗弯刚度，则利用振动法测索力仍能够保持很高的精度。若不考虑抗弯刚度，误差会非常大，且采用频率阶数越高，误差越大。索力越小，误差越大。用ANSYS建立体外索模型，进行模态分析，得出各阶频率。现场试验部分4.3抗弯刚度识别。识别抗弯刚度有两种备选方案。方案1参考李宗杰等在2009年通过足尺实验实测索体的抗弯刚度的方法。通过实测索体挠度来算出索体的抗弯刚度。然后利用实测抗弯刚度和等截面的原则简化为实心截面钢棒。现场取一段试验索段，将两端点置于标高相同的两点，测量其两端的水平距离，用细绳在两端点间拉紧一根水平线。将索体中心线和细绳对齐后，用笔在钢绞线上画好标记。然后放松钢绞线，使其在自重均布荷载作用下产生向下的挠度。用卷尺量取索体下垂的距离。即可根据测得的挠度值及其自重反推出索体的抗弯刚度。公式为式中，为跨中挠度，为单位长度索体的自重。图SEQ图\*ARABIC4足尺试验图示为保证测量数据的可靠性，可以进行多次测量试验，每次试验完毕后将钢绞线旋转一定角度以防止由于钢绞线本身弯曲造成的测量误差。最后取平均值进行计算。方案2由ANSYS有限元模拟可知，在两端铰接边界条件下，振动法测索力的公式精度很高。可以考虑由公式反算出抗弯刚度，用于其他边界条件下的计算。具体做法是，取实验索段，在铰接条件下，准确测量其索长，线密度等参数。加载至指定索力，测量其各阶自振频率，然后反算其抗弯刚度。通过多组数据取平均值来消除误差。拉索的长度测量的起始位置均是从铰链链接的中心位置计算的，如附件所示测试起点，测试终点为另一端的铰链链接中心位置。4.4吊杆索力测试实验。由步骤2中ANSYS有限元模拟计算可以知道，两端铰接条件下无论索长多少，都可以采用统一公式进行计算，精度很高。所以无需重新拟合新的公式，这点在王建飞论文P23页已经进行阐述。而其抗弯刚度对索力的影响是一个常数项，会随着吊杆长度的增加而逐渐减小。当吊杆长度足够大时，可以忽略抗弯刚度的影响。若需要研究抗弯刚度的影响大小，可以改变索长进行试验。若不着眼于研究抗弯刚度的影响，则无需改变索长。具体做法，取S2索