桥梁索结构拉索索力测定方法研究

摘要：索结构是桥梁的重要组成部分，故对拉索的索力进行测定有十分重大的意义。文章对拉索索力测定方法进行了探析，研究利用索结构在变化环境下的随机振动特征来测定斜索频率的振动法，从而为拉索的养护、安全服役提供一定的参考。

关键词：拉索索力；振动测定；桥梁索结构

中图分类号：U443 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）12-0021-03

1 概述

随着桥梁技术的不断发展和人们对于桥梁审美要求的不断进步，促进了拉索结构桥梁的快速发展。拉索作为高效地承受拉力的结构构件，被运用于各种桥梁工程中，如斜拉桥、悬索桥等。这些桥梁结构具有整体刚度及抗风性能好、造型优美、建设相对容易等优点。但在水汽、海水及盐雾等环境下，索体系桥梁中的索结构容易腐蚀生锈，从而导致事故的发生。2001年宜宾南门大桥的承重钢缆生锈，导致吊杆突然断裂，桥面两端发生坍塌，造成了巨大损失和恶劣的影响。事故调查发现大桥的钢缆吊杆中的4对出现断裂，而这4对均为短索（吊杆）。可见监测拉索的状态，准确测定桥梁索结构拉索索力具有重要的实际意义。

索结构拉索索力的测定主要是指斜拉桥和悬索桥中斜拉索或吊索中索力大小的测定。索力的大小将会影响到桥梁成桥状态后受力和变形的状态。在施工阶段索力的控制也是此类桥梁施工控制中的一个重要问题。索力常用的测量方法分为直接法（压力表测定法、电测定法等）和间接法（振动频率法等）两类。

2 压力表测定法

为了使斜索拉紧，在施工中采用油压千斤顶来得到斜索的张拉力。因此可以通过千斤顶中油缸油压和索拉力的关系，来求得索力。使用之前要对千斤顶和配套的油压表进行准确的标定，建立较为准确的斜索索力与油压表读数间的相关曲线。但实际工程中，由于油压表使用精度不高，千斤顶的内摩擦阻力不易精确计算，使得采用油压千斤顶法测得的索力与真实结果有出入。另外压力表测定法只能在桥梁建设过程中运用，桥梁建成后，就无法使

用了。

3 电测法

电测法主要的测量原理就是采用电阻应变片，将粘有电阻应变片的张拉连杆或筒式压力传感器接在千斤顶上，把索力的变化转成电信号，由电阻应变仪显示出来。

电测法能够精确测得索力，却不适宜大量使用，因为它测量用的导线很长，同时压力传感器价格昂贵，大吨位造价更高。同时随着应变片使用时间的增大，其对变形的反应会变得越来越迟钝，检测误差也随之不断增大。

4 振动频率法

振动频率法是通过实测拉索桥的固有频率，利用索的张力和固有频率的关系计算索力。

振动法可采用激振器激振或人工激振，亦可采用环境随机振动法。测试时用索夹或绑带将传感器固定在拉索上，进行激振和信号采集，现场分析，可以很方便地测求索力。其原理是不计算抗弯刚度拉索的振动微分方程为：

（1）

式中：

y——纵坐标（垂直于索的长度方向）

x——横坐标（索的长度方向）

W——单位索长的质量

g——重力加速度

T——索的张力

t——时间

假设索结构两端固定，由式（1）可以求出拉索的自振频率为：

（2）

（3）

式中：

fn——索的第n阶自振频率

l——索的计算长度

n——振动阶数

用振动测定索力的优点是经济方便，精度能够满足工程应用的需求。不需要消耗一次性仪表，所有的仪器都可以重复使用。

考虑抗弯刚度后索的自由振动微分方程为：

（4）

式中：

EI——拉索的抗弯刚度

其余符号意义同前

假定拉索的边界条件为两端铰接，可由上式解得拉索拉力为：

（5）

另外计入索自重时可解得拉索下端的拉力：

（6）

式中：

T——拉索下端的拉力

α——拉索弦线和水平方向的夹角

经过对斜拉索实例参数分析，以上两个公式计算结果非常接近，所以计算索力时可以不计拉索自重和斜度的影响，求得的索力为拉索下端的拉力。

经过以上分析可知，对细长拉索不计抗弯刚度时求得的索力比计入抗弯刚度时偏大，但一般不会超过3%，对于长度小于40m的斜拉索和系杆拱的吊杆有可能超过5%，此时应计入抗弯刚度的影响。

通过理论分析，发现当拉索的初应力较小时，计算索力时要考虑垂度的影响。斜拉索在桥梁建设过程中要经过多次的张拉。第一次张拉索的初应力较小，垂度较大，垂度对实测低阶频率影响较大，为了减小垂度对实测索力的影响，建议采用4阶以上频率计算索力。

对斜拉索两端处理为铰接或固定时，对索力的影响小于5%。如果将索长增加，抗弯刚度减小，则这两种边界条件分析的结果会更接近。对于跨径内安装减振器的斜拉索，如索长度大于150m减振器对索力的影响不会超过5%；对于一般情况，应在安装减振器前后进行识别，确定安装减振器前后拉索的支承刚度。

由上面的分析可知，在求拉索索力时要用其自振频率。因此如果能准确测量索频就可以准确地测得索力。信号处理技术在计算机技术的发展下取得了长足的发展和应用，目前利用信号处理技术已不难解决测试频率的问题。

在实际施工过程中，可以将以上方法综合使用，从而收到较好的效果。

参考文献

[1] 卡埃塔诺.斜拉桥的拉索振动与控制[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2] 吴海军，陈思甜，龚尚龙，等.斜拉桥索力测试方法研究[J].重庆交通学院学报，2001，（4）.

[3] 姜建山，唐德东，周建庭.桥梁索力测量方法与发展趋势[J].重庆交通大学学报，2008，（6）.

作者简介：吴润泽（1993—），男，安徽五河人，西南交通大学土木工程学院学生，研究方向：桥梁。

（责任编辑：吴 涛）