浅谈振动频率法在桥梁拉索索力检测方面的研究

孙树宝　李景祥

摘要：桥梁中的拉索是至关重要的传力构件，对其索力进行的测试，关系到成桥验收和桥梁的安全运营。而振动频率法在拉索索力测量方面具有很大的优势，本文介绍了振动频率法测定拉索索力的原理及测量数据的处理方法，对振动频率的最新成果进行了总结归纳。

Abstract： The cable-stayed bridge is a vital force transmission member， and testing its cable force is related to the safe operation of the bridge into acceptance and bridges. The vibration frequency method has great advantages in terms of cable force measurement， this paper describes the processing method of the oscillation frequency cable force determination and measurement data， and the latest results of vibrational frequencies are summarized.

关键词：振动频率法；拉索；索力；数据处理

Key words： vibration frequency method；cable；cable tension；data processing

中图分类号：TU317 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）30-0085-02

0 引言

拉索在大跨斜拉桥、悬索桥等结构之中应用广泛，而拉索索力在这些结构中有扮演着一个极为重要的的角色，尤其对大跨斜拉桥拉索显得最为重要，建桥中，必须对索力进行监控；成桥后，还需要对拉索进行重复检测，以确定拉索是否处于安全状态，而桥梁拉索的工作状态又是衡量桥梁是否正常运营的重要标志之一。因此，准确测定拉索索力具有较为现实的意义。目前工程中常用拉索索力的测量方法主要为振动频率法。振动频率法不仅适用于索力在施工阶段的测量，而且对成桥后的索力测量也是一种较为理想的选择。

1 振动频率法检测拉索索力介绍

由于拉索的振动频率与索力之间存在一定关系，而这一关系可由拉索的动力平衡微分方程与拉索两端的支承条件反映出来，如果己知拉索的计算长度、拉索的每延米质量，通过测量拉索的振动频率，便可计算出拉索的索力。振动频率法测定拉索振动频率的方法可分为随机振动法和共振法。

1.1 随机振动法

使用随机振动法对拉索频率进行测量时，不需要进行人工激振，仅利用环境随机激振源激振，在环境激励下，拉索的振动是一种随机振动，利用频谱分析仪对拉索的随机信号进行频谱分析，可以确定拉索的振动频率。

1.2 共振法

使用共振法确定拉索振动频率时，需要进行人工激振，即使拉索作单一的基频振动，这样有利用频谱分析仪检测出拉索的基频信号，便于后期分析处理。

一般在工程实践之中，共振法等多应用于实际测量拉索频率。

2 振动频率法基本理论分析

索力测定的理论基础是弦振动理论。主要承受轴向拉力的拉索，如果考虑拉索的抗弯刚度，则应用动力学普遍原理可建立均匀线密度拉索的振动微分方程为：

3 振动频率法测量索力数据结果的处理

为进一步减小利用振动频率法求解索力的误差，确定振动频率法的数据结果的处理方式就显得尤为重要，下面针对振动频率法的数据处理进行介绍。

3.1 频率法

在建立拉索的基本振动平衡方程过程中，忽略拉索的抗弯刚度和垂度以及在索两端边界条件的影响，这些因素的略去均会对频率法测定索力造成误差。而拉索的垂度仅对基频影响较大，对4阶以上的高阶频率影响很小；而斜拉索的斜度、抗弯刚度以及边界条件对索力测试的影响一般不会超过5%。据此，振动频率法测试拉索索力时有一定的精度保证。因此，只要测得拉索的自振频率，即可得出拉索的张力。

3.2 直接频差法

利用频谱分析仪得到的频谱图中相邻两谐振峰之间的频率差求得拉索基频也是常用的方法。虽然这种方法从理论上可行，而实测时却会带来较大误差。因拉索作为弦振动的简化模型已是近似计算，此外还有诸多因素会对测量结果造成干扰，这些都影响了频谱图中各相邻频谱图的频率差的准确性。因此，采用直接频差法确定拉索基频的精度误差较大。

3.3 新基频法

在进行拉索自振频率的测量时，实测过程中受多种条件的限制，对于较长的桥索传感器的安装位置也会受到限制。而此时传感器测量的信号中基频成分就相对较少，高阶频谱信号成分相对较多，这样就会出现频谱图中基频不突出而高次谐振峰突出的现象。由于很难找到基频，所以通常用高阶频谱来推算桥索振动基频。

首先在频谱图中选择波形振动幅度较大的波峰，先假设它是索的第n阶频率，则按照弦振动理论，其它各阶频率应该是由假设n阶频率计算出来的基频的整数倍。如果其他阶次频率与假设的第n次频率得出的基频的比值非常接近于整数，则说明信号中干扰较少，可以采用。如果不符合则将假设的第n阶频率加一阶或减一阶再次进行计算，直到确定基频为止。若应用以上方法还不能确定基频则说明信号中干扰因素较大，则需重新进行测量。

因此采用以上方法，不仅从原理上符合弦的振动基础理论，而且精度也有很大提高，于此同时数据处理选择的频谱是振动幅值最大的，外界环境等干扰因素的影响也较弱一些。

4 结束语

①在识别拉索基频后，可以采用索力计算公式：确定拉索的张力。

②在应用振动频率法测量索力数据结果处理时应优先选用新基频法确定拉索的固有频率。

③用振动频率法测定拉索索力不但精度有保证，而且简单易行，具有极大的经济和社会效益，应用前景十分广阔。

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