邱明喜　李亞閣

（武漢港灣工程質(zhì)量檢測有限公司　湖北　武漢　430400　海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　湖北　武漢　430400）

振動頻率法測試索力在工程中的應(yīng)用

邱明喜李亞閣

（武漢港灣工程質(zhì)量檢測有限公司湖北武漢430400海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室湖北武漢430400）

本文通過振動頻率法對梧州市云龍大橋斜拉索索力測試，該方法使用的傳感器可以重復(fù)利用、小巧便攜、容易安裝，測試精度高，能夠準(zhǔn)確測試出斜拉索索力，對該橋的拉索受力狀況作出合理的評估。本文研究成果可為斜拉橋索力研究提供參考依據(jù)和借鑒。

振動頻率法；索力；應(yīng)用

1　工程概況

梧州市云龍大橋位于梧州市市區(qū)東側(cè)，跨越西江，是連接廣西境內(nèi)321國道，207國道和南（寧）梧（州）二級公路及溝通兩廣的重要公路橋梁。該橋斜拉橋部分為預(yù)應(yīng)力混凝土單塔雙索面斜拉橋，采用梁、塔、墩固結(jié)體系，斜拉橋在索塔處0#塊的南北兩側(cè)，各分為24塊，斜拉索共42對，分設(shè)在3#塊至23#塊上，索距5m，斜拉橋采用懸臂膠拼的方法施工。該橋竣工日期為1998年9月。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

（1）設(shè)計(jì)荷載等級：汽車-20級、掛車-100，人群荷載3.5kN/m2；

（2）橋面寬度：主橋橋面寬13m（行車道）+2×1.5m（人行道）；正線和聯(lián)線路面寬9m，匝道路面寬6m；

（3）通航標(biāo)準(zhǔn)：Ⅲ級航道標(biāo)準(zhǔn)，最高通航水位為10年一遇（24.186m），設(shè)計(jì)洪水頻率為1/300，通航凈高為10m，凈寬60m。

2　測試原理

基本原理是將拉索視為兩端張緊的在一個平面內(nèi)振動的弦如圖1所示。假定：①索兩端鉸接；②索為勻質(zhì)材料；③振動非常微小。則可得出索在張緊狀態(tài)下的自由振動方程：

式中：T——拉索張力；

u——某時刻點(diǎn)的振幅；

圖1　拉索的振動示意圖

EI——拉索的抗彎剛度；

ρ=ρ（x）——索的線密度。

解方程代入邊界條件可得：

式中：L——索的計(jì)算長度；

n——索的第n階自振頻率的階數(shù)；

fn——索的第k階自振頻率。

由于EI/L2相對很小，（2）式即可簡化為：

式中：L和fn——斜拉索的計(jì)算長度和被測試斜拉索的第n階固有頻率；

n——拉索自振頻率的階數(shù)。

反映在頻譜圖上，各階頻率是等間距的，其間距值大小即等于基頻f1。在實(shí)際測量過程中，可以充分利用這個特性，來判斷是否為纜索自振的頻譜，凡與纜索振動的頻譜特征一致的頻譜圖，才確認(rèn)為纜索振動的頻譜圖。

《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）[1]第5.10.2條中關(guān)于索力偏差率Kt可按下式計(jì)算：

式中：T——實(shí)測索力值；

Td——設(shè)計(jì)索力值。

3　現(xiàn)場測試流程

現(xiàn)場索力測量采用振動頻率量測法[2]。振動頻率量測法是現(xiàn)在最常用索力測量方法，這種方法是利用索的拉力與索的振動頻率之間存在對應(yīng)關(guān)系的特點(diǎn)，在已知索的長度、兩端約束情況、質(zhì)量分布等參數(shù)時，通過測量索的振動頻率，進(jìn)而計(jì)算出索的拉力[3]，它具有操作簡便，精度較高等特點(diǎn)。采用索力頻譜儀進(jìn)行索力測試。

圖2　振動頻率法測試索力流程圖

圖3　現(xiàn)場測試索力

4　測試結(jié)果分析

云龍大橋各拉索拉力計(jì)算長度及質(zhì)量密度等參數(shù)取值見表1，試驗(yàn)前斜拉索的第1階固有頻率及索力測試結(jié)果見表2，圖4～5是該橋拉索典型加速度頻譜圖。

表1　拉索長度及質(zhì)量密度等參數(shù)取值表

圖4　NU10頻域圖

圖5　ND10頻域圖

云龍大橋主橋斜拉索換索施工圖設(shè)計(jì)給出的各類型的極限索力見表3。

表2　索力測試結(jié)果表

表3　各類型拉索的極限索力與最大索力

在橋梁全封閉的情況下對大橋84根索全部進(jìn)行了索力測試，本文抽取其中32根索，檢測結(jié)果如表2。

從表2檢測結(jié)果可以看出，北側(cè)上下游索力比值范圍在0.92～1.17之間，部分對應(yīng)的斜拉索索力存在偏載，最大偏差索為NU3/ND3：1.17，索力差值為220.40kN。南側(cè)上下游索力比值范圍在0.86～1.07之間，部分對應(yīng)的斜拉索索力存在偏載，最大偏差索SU9/SD9：0.86，索力差值為245.84kN。上述32根索與設(shè)計(jì)值比較偏差率范圍在-14.4～26.3%之間，部分索偏差率超過規(guī)范規(guī)定±10%，應(yīng)對該索進(jìn)行索力調(diào)整。

由表3可知最小安全系數(shù)為2.55，滿足規(guī)范要求。

5　結(jié)束語

本文采用振動頻率法對云龍大橋斜拉索索力進(jìn)行測試，將相對應(yīng)索索力相互對比及實(shí)測值與理論值進(jìn)行對比，為該橋斜拉索受力狀況進(jìn)行科學(xué)分析以及斜拉索的健康狀況提供理論依據(jù)，值得在斜拉橋工程中實(shí)例廣泛應(yīng)用。

[1]《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21-2011）[S].中華人民共和國交通運(yùn)輸部發(fā)布，2011.

[2]吳康雄，劉克明，楊金喜.基于頻率法的索力測量系統(tǒng)[J].中國公路學(xué)報，2006，19（2）：62～66.

[3]方志，張智勇.斜拉橋的索力測試[J].中國公路學(xué)報，1997，10（1）：18～ 21.

U448.27

A

1673-0038（2015）25-0294-02

2015-6-4

邱明喜（1983-），男，中級工程師，碩士，主要從橋梁及水運(yùn)工程檢測工作。