案例應(yīng)用丨斜拉橋索力測試原理與工程應(yīng)用

2022-07-27 09:52 作者:江蘇東華測試 0人讀過 | 我要投稿

? ? ? 拉索作為一種高效地承受拉力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，廣泛地應(yīng)用于橋梁、高聳大跨工程結(jié)構(gòu)中，包括斜拉橋、懸索橋、拱橋、塔桅結(jié)構(gòu)、張拉屋頂?shù)取?/p>

概述?

索與其它剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件不同，具有以下特點：

? ? ① 索沒有抗壓強度，只承受拉力；

? ? ② 索抗拉強度的大小除與其本身的截面特性有關(guān)之外，還與其自重及外部作用有關(guān)；

? ? ③ 伴隨著較小的應(yīng)變和應(yīng)力，索會產(chǎn)生很大的位移，體現(xiàn)出較強的非線性特性；

? ? ④ 索會產(chǎn)生松弛和應(yīng)力損失。

? ? ? 索張拉結(jié)構(gòu)施工過程中，必須準(zhǔn)確測量拉索張力以保證工程安全和施工順利進(jìn)行。如在斜拉橋和用扣索加勁的拱橋施工中，必須調(diào)整索力以達(dá)到索力和線型的優(yōu)化。另一方面，在工程結(jié)構(gòu)使用過程中，拉索往往由于腐蝕和振動等原因受到損害，導(dǎo)致拉索的索力松弛。作為張拉結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，拉索的損害將會給結(jié)構(gòu)帶來災(zāi)難性的后果。受到損壞的拉索，索力將發(fā)生變化，而變化的索力會影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布和結(jié)構(gòu)線型，因此索力可以作為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估的重要指標(biāo)，在整個工程施工和使用期限內(nèi)，都必須準(zhǔn)確地了解索力狀況。

基本原理

? ? ? 振動法測索力是目前測量斜拉橋索力應(yīng)用最廣泛的一種方法。其原理是以環(huán)境振動或者強迫激勵拉索，傳感器記錄下拉索振動的時程數(shù)據(jù)，并有此識別出索的振動頻率。而索的拉力與其固有頻率之間存在著特定的關(guān)系。于是，索力就可由測得的頻率經(jīng)換算而間接得到。? ??

索在張緊狀態(tài)下，其自由振動方程為（1）：

? ? ? 式中，x為沿索方向坐標(biāo)，u(x，t)為索上各點在時刻t的橫向位移；EI為索的抗彎剛度；T為索拉力；ρ為索的線密度。

假定索的邊界條件為兩端鉸接，則方程（1）的解為式（2）：

? ? ? 式中，n為索自振頻率的階數(shù)，n=1、2、3??；f_n為索的第n階自振頻率；l為纜索的計算索長。
忽略索彎曲剛度的影響，式（2）變?yōu)椋?）：

? ? ? 公式（3）到推導(dǎo)過程是建立在將拉索理想化為“張緊的弦”，但是由于忽略了拉索實際存在的垂度和抗彎剛度的影響, 有時會帶來不可接受的誤差, 需要對弦公式進(jìn)行修正。考慮垂度和抗彎剛度后, 索的振動方程呈現(xiàn)非線性, 因此有必要尋求簡單實用的由頻率換算索力的工程公式。

? ? ? 對于斜拉橋拉索而言可以忽略抗彎剛度的影響，但必須考慮垂度的影響，因此采用索振動的一階位型, 用能量法推導(dǎo)出考慮索垂度影響時拉索基頻與索力的關(guān)系, 進(jìn)而用曲線擬合方法建立了索力計算實用公式。

最終，考慮垂度影響的斜拉橋索力計算公式如下：

其中無量綱參數(shù)λ^2反映拉索的垂度和彈性模量對自振頻率的影響。

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