提高吊杆力识别精度的实用方法

王树栋;丁明波

【摘 要】以马家垄特大连续梁拱组合桥为工程背景,将频率法与千斤顶法相结合,提出了一种提高吊杆力识别精度的实用方法:标定试验法.在使用千斤顶初次张拉吊杆时,每根吊杆都采取分级张拉方式,使用索力动测仪测试千斤顶在不同级持荷状态下吊杆的基频,然后使这些基频与对应的吊杆力进行拟合,得到针对不同吊杆的两者之间的关系式,并运用到工程后续的二次张拉及吊杆力调整工作中.通过实际工程得出该方法的识别误差基本控制在5%之内,满足实际工程的需要,可广泛用于新建桥梁吊杆初张拉后吊杆力的测试工作中. 【期刊名称】《兰州工业学院学报》 【年(卷),期】2017(024)006 【总页数】4页(P32-35)

【关键词】梁拱组合桥;吊杆力;频率法;标定试验 【作 者】王树栋;丁明波

【作者单位】兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室,甘肃 兰州 730070;兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室,甘肃 兰州 730070 【正文语种】中 文 【中图分类】U443.38

吊杆是拱桥的关键构件之一，可谓是整座桥的“生命线”，吊杆力的大小不仅影响结构的线性，还直接影响整个结构的受力状态，故准确测定吊杆力，保证吊杆力在

合理的范围是非常有必要的.

对吊杆力的测定，频率法为目前应用最广泛的方法，其原理是基于吊杆线性振动理论，通过检测吊杆的固有频率来求解吊杆力.该方法具有应用方便、操作简单、可重复利用的优点，但此方法的计算精度却受到许多因素的影响：如吊杆的抗弯刚度、边界约束情况、减震系统等.本文提出了一种综合考虑上述各因素的吊杆力简单识别方法，并通过实际工程验证了本方法的正确性.

1) 假定吊杆两端铰接，不计入吊杆的抗弯刚度，则关系式为[1] T=.

2) 基于公式(1)计入抗弯刚度得到关系式 T=-.

上面两式中,T为吊杆张拉力；m为吊杆线密度；L为吊杆计算长度；fn为吊杆第n阶自振频率；EI为吊杆的抗弯刚度.

3) 考虑两端固接的边界条件时，可以得出特征频率方程[2] 2αβl2[1-coc(αl)cosh(βl)]+ [(βl)2-(αl)2]sin(αl)sinh(βl)=0.

此方程是超越方程，不能直接求出方程解，目前对该公式求解的方法实质上都是采用一个合理的表达式对其进行分区间拟合，从而得到索力与频率的近似表达式，李国强等人将公式进行了简化并通过最小二乘法拟合得到索力估算的公式[3] T=-.

4) 何伟[4]等人提出了复杂边界条件下的吊杆张力测定方法，该方法考虑了吊杆两端有弹性支撑，并考虑拱肋、系梁里设置的减振垫减振效应以及拱肋、系梁附加质量影响，然后推导出了吊杆自振频率与吊杆张力的隐式表达式，该方法从理论上可准确计算出吊杆张力大小.

吊杆力能否被准确识别由两个方面决定：

1) 吊杆振动频率的准确识别.

2) 吊杆的索力与频率之间关系式的准确性.

随振动测试技术的发展，通过计算机处理分析振动信号得到相应的振动频率已相对容易.然而，目前吊杆振动与吊杆力关系求解通常采用梁理论或弦理论，因吊杆的抗弯刚度、边界条件、温度等的影响极其复杂，这些因素的影响系数很难确定，故反映实际情况索力与频率之间的关系式很难准确的得出.

刘文峰[5]等人通过研究发现，无论是理论分析还是实测数据都表明刚度对索力的影响是比较明显的，特别是短索,当索长8.21 m时,索力误差达5.60%.毛亚娜[6]通过对实际工程进行研究，证明系杆拱桥中短吊杆的弯曲刚度的影响随着吊杆长度的减小而增大,考虑其影响对提高测试精度是有益的.对于抗弯刚度的取值问题，文献[5]用同等直径的钢柱作为吊杆的抗弯刚度，文献[7]则用单根钢丝的抗弯刚度之和作为整个吊杆的抗弯抗度，而实际上，由于吊杆内部结构形式、外包层的包裹、钢丝间的粘结程度、索力的大小、振动形式等不确定因素的影响，吊杆的抗弯刚度介于上述两个取值之间，具体的值将难以被准确的识别[8].

目前研究一般将吊杆两端的边界简化为两端铰接或两端固结进而求得吊杆力与吊杆自振频率之间的关系，而实际的吊杆约束是有一定弹性刚度的弹性约束[9].何伟等人提出了复杂边界条件下的吊杆张力测定方法，但由于公式中所涉及的参数过多，且很多参数如拱肋与系梁的等效质量、等效刚度，减振垫对吊杆轴向等效刚度，吊杆边界条件等均无法被准确识别，故不能准确测定吊杆张力.

考虑减震器对吊杆的影响，文献[10]建议，采取选用L-Ld作为计算长度来计算拉索索力.文献[11]结合有限元法、频率法、牛顿插值法，绘制出三维刚度识别曲面，建立了考虑减震器作用的吊杆索力识别实用方法.而在实际工程中，由于施工工艺的影响，使得减震器对吊杆产生极其复杂的影响，即使同类型减震器对不同吊杆实测频率的影响也存在很大区别，所以想要得到减震系统对吊杆频率的准确影响参数

是相当困难的.

综上可知，受吊杆的抗弯刚度、边界约束情况及减震系统等复杂因素的影响[12]，如果想得到反映实际情况的吊杆力计算公式可谓是难上加难.考虑以上因素，本文提出了一种提高吊杆力识别精度的实用方法，在使用千斤顶初次张拉吊杆时，每根吊杆都采用分级张拉，张拉值分别为初张目标索力的20%、40%、60%、80%、100%，使用索力动测仪测试千斤顶在分级持荷状态下对应的吊杆基频，然后使这些基频与对应的吊杆力进行拟合，得到针对不同吊杆的两者之间的关系式，这些关系式即可运用到工程后续的二次张拉及吊杆力调整工作中.

以马家垄特大连续梁拱组合桥为研究对象，主梁采用单箱双室变高度箱形截面，拱肋采用钢管混凝土结构，吊杆采用PES(FD)7-61型低应力防腐拉索.全桥共设15组双吊杆，吊杆的顺桥向间距为9 m，吊杆编号及布置形式见图1.

针对每一根吊杆，采用本文所述的方法，测出20%、40%、60%、80%目标初张拉力下吊杆的基频，与千斤顶所测分级吊杆力进行拟合，得到两者关系公式，然后测出100%张拉力下的基频分别代入得到的公式中，得到吊杆力计算值，将此计算值与千斤顶力进行校核比对.限于篇幅，本文仅列出了左幅D01A、D03A、D05A、D07A号吊杆的分级测试数据，如表1所示.

将上表中D01A、D03A、D05A、D07A吊杆的分级吊杆力以及对应基频进行拟合，结果如图2所示.

千斤顶张拉使吊杆力达到初张目标值时，将此时的基频带到上面得到的拟合公式中，得到计算索力值，然后将计算值与千斤顶张拉值对比，限于篇幅，图3只列出了奇数组左幅A吊杆的计算值与千斤顶张拉值对比结果.

由图3可以看出，针对不同吊杆采用分级张拉，通过测试吊杆基频，使用拟合公式计算出来的吊杆力与实际千斤顶显示张拉力非常接近，误差基本控制在5%之内，验证了本文提出方法的正确性与实用性.由于本文需要验证此方法的正确与否，吊

杆达到目标初张拉状态下所测的基频与力未参与拟合，在以后的工程中，运用同样的思路，将初张拉中每个张力级别下的数据都考虑在拟合范围内，将会进一步提高拟合公式得精度.

本文提出了一种提高吊杆力识别精度的实用方法：标定试验法，并以马家垄特大连续梁拱组合桥吊杆力识别为例，对本文提出的方法进行验证，结果表明：该方法能有效地识别吊杆力，识别误差控制在5%以内，满足实际工程的需要.这种方法可广泛用于新建桥梁吊杆初张拉后吊杆力的识别工作中.

【相关文献】

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