振动频率法测试索力在工程中的应用

邱明喜　李亚阁

（武汉港湾工程质量检测有限公司　湖北　武汉　430400　海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室　湖北　武汉　430400）

振动频率法测试索力在工程中的应用

邱明喜李亚阁

（武汉港湾工程质量检测有限公司湖北武汉430400海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室湖北武汉430400）

本文通过振动频率法对梧州市云龙大桥斜拉索索力测试，该方法使用的传感器可以重复利用、小巧便携、容易安装，测试精度高，能够准确测试出斜拉索索力，对该桥的拉索受力状况作出合理的评估。本文研究成果可为斜拉桥索力研究提供参考依据和借鉴。

振动频率法；索力；应用

1　工程概况

梧州市云龙大桥位于梧州市市区东侧，跨越西江，是连接广西境内321国道，207国道和南（宁）梧（州）二级公路及沟通两广的重要公路桥梁。该桥斜拉桥部分为预应力混凝土单塔双索面斜拉桥，采用梁、塔、墩固结体系，斜拉桥在索塔处0#块的南北两侧，各分为24块，斜拉索共42对，分设在3#块至23#块上，索距5m，斜拉桥采用悬臂胶拼的方法施工。该桥竣工日期为1998年9月。

主要技术标准：

（1）设计荷载等级：汽车-20级、挂车-100，人群荷载3.5kN/m2；

（2）桥面宽度：主桥桥面宽13m（行车道）+2×1.5m（人行道）；正线和联线路面宽9m，匝道路面宽6m；

（3）通航标准：Ⅲ级航道标准，最高通航水位为10年一遇（24.186m），设计洪水频率为1/300，通航净高为10m，净宽60m。

2　测试原理

基本原理是将拉索视为两端张紧的在一个平面内振动的弦如图1所示。假定：①索两端铰接；②索为匀质材料；③振动非常微小。则可得出索在张紧状态下的自由振动方程：

式中：T——拉索张力；

u——某时刻点的振幅；

图1　拉索的振动示意图

EI——拉索的抗弯刚度；

ρ=ρ（x）——索的线密度。

解方程代入边界条件可得：

式中：L——索的计算长度；

n——索的第n阶自振频率的阶数；

fn——索的第k阶自振频率。

由于EI/L2相对很小，（2）式即可简化为：

式中：L和fn——斜拉索的计算长度和被测试斜拉索的第n阶固有频率；

n——拉索自振频率的阶数。

反映在频谱图上，各阶频率是等间距的，其间距值大小即等于基频f1。在实际测量过程中，可以充分利用这个特性，来判断是否为缆索自振的频谱，凡与缆索振动的频谱特征一致的频谱图，才确认为缆索振动的频谱图。

《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）[1]第5.10.2条中关于索力偏差率Kt可按下式计算：

式中：T——实测索力值；

Td——设计索力值。

3　现场测试流程

现场索力测量采用振动频率量测法[2]。振动频率量测法是现在最常用索力测量方法，这种方法是利用索的拉力与索的振动频率之间存在对应关系的特点，在已知索的长度、两端约束情况、质量分布等参数时，通过测量索的振动频率，进而计算出索的拉力[3]，它具有操作简便，精度较高等特点。采用索力频谱仪进行索力测试。

图2　振动频率法测试索力流程图

图3　现场测试索力

4　测试结果分析

云龙大桥各拉索拉力计算长度及质量密度等参数取值见表1，试验前斜拉索的第1阶固有频率及索力测试结果见表2，图4～5是该桥拉索典型加速度频谱图。

表1　拉索长度及质量密度等参数取值表

图4　NU10频域图

图5　ND10频域图

云龙大桥主桥斜拉索换索施工图设计给出的各类型的极限索力见表3。

表2　索力测试结果表

表3　各类型拉索的极限索力与最大索力

在桥梁全封闭的情况下对大桥84根索全部进行了索力测试，本文抽取其中32根索，检测结果如表2。

从表2检测结果可以看出，北侧上下游索力比值范围在0.92～1.17之间，部分对应的斜拉索索力存在偏载，最大偏差索为NU3/ND3：1.17，索力差值为220.40kN。南侧上下游索力比值范围在0.86～1.07之间，部分对应的斜拉索索力存在偏载，最大偏差索SU9/SD9：0.86，索力差值为245.84kN。上述32根索与设计值比较偏差率范围在-14.4～26.3%之间，部分索偏差率超过规范规定±10%，应对该索进行索力调整。

由表3可知最小安全系数为2.55，满足规范要求。

5　结束语

本文采用振动频率法对云龙大桥斜拉索索力进行测试，将相对应索索力相互对比及实测值与理论值进行对比，为该桥斜拉索受力状况进行科学分析以及斜拉索的健康状况提供理论依据，值得在斜拉桥工程中实例广泛应用。

[1]《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）[S].中华人民共和国交通运输部发布，2011.

[2]吴康雄，刘克明，杨金喜.基于频率法的索力测量系统[J].中国公路学报，2006，19（2）：62～66.

[3]方志，张智勇.斜拉桥的索力测试[J].中国公路学报，1997，10（1）：18～ 21.

U448.27

A

1673-0038（2015）25-0294-02

2015-6-4

邱明喜（1983-），男，中级工程师，硕士，主要从桥梁及水运工程检测工作。