斜拉橋索力測試方法
2018-04-02
索力測試無論是在斜拉橋的建設(shè)過程中還是在其日常維護檢測中都具有舉足輕重的地位。索力是否處在合理的范圍內(nèi)將直接影響結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)和線形的平順程度，所以對拉索的索力進行定時的測試是斜拉橋、下承式拱橋和懸索橋等帶索橋梁日常維護的重要內(nèi)容。經(jīng)實踐驗證，進行索力測試時，不同的測試方法和不同的工程也存在較大的差異，這是由于不同的索力測試方法所需的計算參數(shù)不能準(zhǔn)確測定，不同工程也因其具有自身特點和各異的環(huán)境因素所致。索力測試前必須選定合適的測試方法，考慮到影響測試精度的各種因素，例如影響振動法測試精度的因素有：儀器、計算模式、邊界條件、索長、外界環(huán)境、斜度以及垂度等。當(dāng)這些因素在索力測試時如果處理不當(dāng)則會對測試結(jié)果造成不小的誤差。所以，對不同的索力測試方法及其影響因素進行分析顯得格外重要。
2.索力測試方法
2.1千斤頂壓力表測定法
現(xiàn)階段斜拉橋的施工現(xiàn)場，斜拉索均使用千斤頂張拉，其原理為：千斤頂張拉油缸中的液壓和斜拉索的拉力有直接的關(guān)系，所以我們可以根據(jù)精密壓力表或液壓傳感器測定油缸的液壓，然后就可根據(jù)液壓反推出索力。但此法現(xiàn)階段還存在以下缺陷：
?。?）當(dāng)拉索安裝完成后，若還想用此法來測試索力將會變的十分困難和不便，工程量也很大。
?。?）千斤頂在張拉過程中對拉索的錨桿螺紋會產(chǎn)生很大的損害。
（3）此法所得到的索力值只能代表張拉端的局部索力，不能代表整跟拉索的索力大小。
?。?）在測試之前需要事先標(biāo)定，如果標(biāo)定粗糙，誤差將會很難控制。
2.2 壓力傳感器測定法
該方法一般與振動法聯(lián)合使用，可作為對振動法測定索力結(jié)果的一種校核，已安裝的傳感器還可以在成橋后的運營階段連續(xù)測定索力值，還適用于成橋后運營狀態(tài)下的索力長期監(jiān)控。壓力傳感器測定法的原理是永久安裝壓力傳感器在斜拉索的錨固端或張拉端，傳感器的感應(yīng)錨頭的壓力與斜拉索的索力成一定的比例關(guān)系，所以可通過傳感器感應(yīng)錨頭的壓力來反算斜拉索的索力，此法測量結(jié)果精度高，而且索力在索中的位置明確。
但壓力傳感器測定法現(xiàn)在還存在以下缺陷未能解決：（1）壓力傳感器的造價高，其自身質(zhì)量也很大，所以會給施工造成一些不便。（2）測量的索力值具有一定的局限性，它只能代表索頭的張力，不能代表整索的實際索力值。特別是如果在張拉過程中發(fā)生拉索在某位置被卡住的情況時，測量結(jié)果會出現(xiàn)端頭索力很大，而拉索中部索力卻較小的情況，此時若用此方法會得出錯誤的測量結(jié)果，并且這種情況在斜拉索的張拉過程中并不少見。特別是成橋后拉索如果安裝上阻尼減振裝置后，這種方法所測索力值的誤差將會更大。況且現(xiàn)階段壓力傳感器的耐久性還未在實際工程中得到有效驗證。所以，這種方法雖然測定的精度較高，但由于其還存在以上缺陷，因而此法往往要和振動法聯(lián)合使用，作為對振動法測試結(jié)果的校對，有時也只能在特定場合和特定的某根拉索下使用。
2.3電阻應(yīng)變片測定法
該方法屬于早期測定索力的方法，其原理是直接在拉索上粘貼應(yīng)變片，通過測量應(yīng)變后，然后根據(jù)應(yīng)變和應(yīng)力之間的關(guān)系來直接求出索力。由于此方法存在以下缺陷：1）應(yīng)變片不易防護，貼片存活率低；2）因拉索張拉后伸長量較大，零點的選定需要十分慎重，否則容易超過量程范圍。因以上缺陷現(xiàn)階段此方法已經(jīng)較少使用。
2.4磁通量測定法
磁通量法測索力的原理為：當(dāng)給磁通量傳感器通入電流時，在激磁線圈中會引起磁化力。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，就會在構(gòu)件縱向產(chǎn)生磁場，進而在測量線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當(dāng)磁心的磁通量滲透變化時，輸出電壓也就會相應(yīng)發(fā)生變化，所以，可通過輸出的電壓值，就可以測得磁心的外加力，鐵磁材料的磁通量滲透系數(shù)與應(yīng)力、溫度、外加磁場強度有關(guān)，其表達式可表示為：
?。?.1）
式中： A0為EM傳感器線圈的有效橫截面面積； Af為拉索的橫截面面積； ，Vout，V為采集線圈中有鋼絲和無鋼絲時的感應(yīng)電壓；H為根據(jù)工作需要外加的磁場；R為拉索的應(yīng)力；T為溫度[30]。
將磁通量滲透系數(shù)按泰勒級數(shù)展開后，如果當(dāng)應(yīng)力為某一定值時可得到式（1.2）：
?。?.2）
m1，m2可從室溫下的標(biāo)定曲線中得到，L（0，0）和A1均可從擬合曲線中得到，在現(xiàn)實工程應(yīng)用中，只需通過測量參數(shù)L，就可以推算出拉索的實際拉力[30]。
2.5振動頻率測定法
斜拉索在各種環(huán)境因素的作用下通常會激發(fā)起微小的振動，如果通過使用高靈敏度的拾振傳感器及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和分析軟件，由結(jié)構(gòu)的振動分析出若干階自振頻率，最后由索力與其自振頻率、邊界條件、剛度等的關(guān)系式通過頻率來反算索力。該方法具有測定簡單、方便、快捷、測試設(shè)備可重復(fù)使用等突出優(yōu)點，成為了現(xiàn)階段工程界最受歡迎的索力測量方法之一。其頻率的測定方法有接觸式測量和非接觸式測量兩種[30]。
?。?）接觸式測量
接觸式測量主要是給拉索的相應(yīng)位置安裝加速度傳感器，通過環(huán)境或人工激振使斜拉索開始振動，再利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集儀器，識別拉索的振動數(shù)據(jù)，使用相關(guān)的軟件對數(shù)據(jù)進行接收、分析、處理，最后得到斜拉索的振動頻率，然后再根據(jù)頻率與索力的關(guān)系式反算索力，采用此種方法得到的基頻具有較高的精度，但是由于其在測量基頻時需要進行復(fù)雜的布線，而且往往會因現(xiàn)場實際測試條件的限制，傳感器常常不能安裝在其合適的位置，所以這也會給測量結(jié)果造成一定的誤差[30]。
（2）非接觸式測量
非接觸式測量拉索的振動頻率，是利用激光技術(shù)的遠程檢測方法，通過激光發(fā)射和接收裝置實時監(jiān)測斜拉索的隨機振動，并通過相應(yīng)的程序分析出斜拉索的振動頻率，從而根據(jù)索力與振動頻率的關(guān)系式再反算出索力，此方法屬于無損檢測，不需布置傳感器，又由于不需在拉索上進行繁瑣的布線，所以它也是一種無線檢測方法，比接觸式測量方法方便，它也屬于一種遠程檢測方法，所以特別是對于測試一些傳感器難以安裝的長索的振動頻率時，應(yīng)用此方法將變得極為方便，最后必須指出非接觸式測量只能實現(xiàn)即時測量，不能對斜拉索進行長期的頻率監(jiān)測，所以它也有自己的局限性[30]。
