橋梁鋼纜索力測試簡化方法的誤差分析與控制

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)橋梁以其輕質(zhì)、良好的受力性能得到人們越來越多的重視，尤其斜拉橋和懸索橋以其良好的跨越能力成為大跨徑橋梁的首選方案，不管施工運(yùn)營，掌握其主要構(gòu)件拉索的受力狀態(tài)十分重要，本文針對目前在拉索結(jié)構(gòu)上廣泛使用的振動測試索力方法，從誤差定律、結(jié)構(gòu)阻尼、邊界條件、拉索剛度等方面探討了其對拉索索力估計的影響，并通過分析提出了評估各因素對結(jié)果的影響大小的方法及改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；索力；誤差；振動法

中圖分類號：TU399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）11-0001-01

拉索已經(jīng)廣泛運(yùn)用與各種結(jié)構(gòu)中，在斜拉橋中是承擔(dān)荷載的主要構(gòu)件之一，在其他結(jié)構(gòu)中如張弦梁、張弦桁架等結(jié)構(gòu)中，主要承擔(dān)拉力。拉索的受力對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和結(jié)構(gòu)受力安全有著重大的影響。因此，分析研究拉索計算索力的誤差來源對指導(dǎo)工作實(shí)踐有很大意義。

目前常用拉索索力的測試方法有：千斤頂法、壓力傳感器法、磁通量法和振動法。千斤頂法和壓力傳感器法適用于施工階段；磁通量法是一項(xiàng)非接觸無損新技術(shù)，但目前技術(shù)還不很成熟，在國內(nèi)應(yīng)用較少；對于已建成的橋梁，振動法以其快速、無損、方便、可重復(fù)而得到廣泛運(yùn)用。

索力的控制對拉索結(jié)構(gòu)的施工和使用階段有著至關(guān)重要的作用，振動法雖然存在不少優(yōu)點(diǎn)，但其在實(shí)際運(yùn)用中受到諸多條件影響，有時會導(dǎo)致測試結(jié)果不可忽視的誤差。作為實(shí)踐分析人員，如果要控制好估算結(jié)果的準(zhǔn)確度，就必須要充分認(rèn)識了解到這些誤差的存在。

1 誤差定律

假設(shè)相對誤差都為1%，則其結(jié)果誤差為5%。但是如果僅是要評估兩階段的索力變化，則其索力估計中得誤差只有頻率測量，精度很高。但前提是兩階段的估算取的其他參數(shù)一致，如果為不同單位估算，前后溝通不夠；或由于各種原因估算資料缺失，只有結(jié)果；或者基于認(rèn)識的不同對模型的不同理解，取的參數(shù)不一致，則會降低其對比結(jié)果的意義。

要減小從誤差原理上考慮的誤差，在頻率的測量上，我們要提高采樣頻率，提高頻率分辨率，在考慮預(yù)估基頻的前提下，根據(jù)我們可接受的測量誤差設(shè)定數(shù)據(jù)采樣頻率；熟悉設(shè)計施工文件，根據(jù)相關(guān)資料正確確定計算索長；根據(jù)斜拉索材料正確計算單位長度質(zhì)量。

2 結(jié)構(gòu)阻尼

在振動弦理論里，我們是基于無阻尼的自由振動模型，但是在實(shí)際的斜拉索中，拉索本身存在阻尼，而且為了減輕風(fēng)致振動或其他激勵引起的振動，不少斜拉索上都安裝了阻尼器，有的還安裝有減震設(shè)施，由動力學(xué)振動理論可知阻尼會引起結(jié)構(gòu)固有頻率變化，設(shè)無阻尼自由振動圓頻率為wn，則有阻尼結(jié)構(gòu)固有頻率wd：

可見結(jié)構(gòu)阻尼的存在會減小結(jié)構(gòu)固有頻率，增大結(jié)構(gòu)周期，而且在振動法測試索力中，多是采用經(jīng)驗(yàn)公式，其理論是基于無阻尼自由振動，其適用條件不再成立，因此會影響索力估計結(jié)果。一般來說，對于細(xì)長索來講阻尼對斜拉索結(jié)構(gòu)固有頻率的影響很小，但對額外裝有阻尼器或減震設(shè)施的拉索來說，還是應(yīng)當(dāng)考慮到阻尼的影響，并估算阻尼大小及其對結(jié)構(gòu)基頻的影響程度，合理確定取舍。

3 邊界約束

在振動法測索力的理論基礎(chǔ)上，關(guān)于拉索微元的動力平衡方程是忽略了拉索自重的影響，假定拉索兩端鉸接，而在實(shí)際情況中有的兩端固結(jié)，更多的是介于兩者之間的狀態(tài)。另外，在斜拉索中一般兩端都有一段鋼套筒，里面有斜拉索定位鞍座，有的還裝有減震器，這些都會導(dǎo)致邊界條件與原先理論的假設(shè)不符合，在實(shí)際操作中需要我們重新確定模型參數(shù)，采用合理的模型邊界條件來模擬拉索的實(shí)際情況。其中一個就是定位鞍座和減震設(shè)施對拉索計算長度取值的影響，在索力不變的情況下，斜拉索的計算長度對拉索的基頻有較大影響，從而影響索力估算精度，而我們常用的經(jīng)驗(yàn)公式里沒有注意到它的影響，其估算結(jié)果精度偏低。

4 拉索剛度

鋼絲截面面積、彈性模量、截面慣性矩決定拉索的剛度，對于截面面積和彈性模量取值比較準(zhǔn)確，對于拉索慣性矩就難度大一些，拉索是由多跟鋼絲組成，相互間還存在著負(fù)摩阻力，其慣性矩既不是每根鋼絲慣性矩的簡單相加，也不等于相同直徑的鋼絲慣性矩，而是介于兩者之間。除此之外，對于細(xì)長索而言，拉索剛度對計算結(jié)果的影響較小，因此索力計算可以采用簡化公式，而對于短索而言，剛度值相對就比較大，因此采用簡化公式計算的誤差比較大，而且其誤差隨著頻率階數(shù)的提高顯著增大，當(dāng)索力較低時，會進(jìn)一步增大其誤差。因此，在用振動法測試索力的實(shí)踐中，我們有必要根據(jù)具體情況，考慮拉索剛度對索力計算結(jié)果的影響程度是否在我們可接受的范圍，從而確定是采用簡化公式還是帶拉索剛度參數(shù)的計算公式。

除此之外，振動法測斜拉索索力的影響因素還有很多。比如說被測拉索的斜度、垂度，拾振器的安放位置，測試結(jié)果信號的處理等。因此，我們要充分認(rèn)識到，基于經(jīng)驗(yàn)的振動法和簡化公式的索力估算結(jié)果具有一定的誤差，在實(shí)踐中要綜合根據(jù)索的實(shí)際狀態(tài)，判定估算結(jié)果的可靠度，在必要的情況下，建立考慮多影響因素的改進(jìn)索力估算模型。

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