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        拱橋短吊桿索力精確測量研究

        2019-09-10 07:22:44倪應(yīng)謙陳齊風(fēng)
        西部交通科技 2019年9期

        倪應(yīng)謙 陳齊風(fēng)

        摘要:文章以某鋼管拱橋?yàn)轫?xiàng)目依托,針對鋼管拱橋短吊桿索力測試不精確的情況,引入采用迦遼金方法的索體附帶質(zhì)量塊的頻率法索力精確計(jì)算公式,并將該精確計(jì)算方法與吊桿索力設(shè)計(jì)方法對比,驗(yàn)證了該計(jì)算方法的有效性。

        關(guān)鍵詞:短吊桿;頻率法;附加質(zhì)量;迦遼金方法

        中圖分類號:U443.38 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A DOI:10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.028文章編號:1673-4874(2019)09-0096-04

        0 引言

        近年來,吊桿拱橋以其跨越能力強(qiáng),結(jié)構(gòu)自重輕,形式美觀,造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)在我國大量建造。由于吊桿纜索的防護(hù)技術(shù)較弱,許多吊桿的護(hù)套在使用10余年即發(fā)生老化,從而影響鋼管拱橋的正常使用乃至結(jié)構(gòu)的安全,從而不得不重新更換吊桿。在吊桿更換過程中,需要密切注意吊桿的索力變化情況.對于長吊桿,頻率法索力測試精度可滿足工程要求。然而,位于橋梁拱腳附近的吊桿,通常長度很短(長度為吊桿直徑200倍以內(nèi)),此時(shí)吊桿的錨固條件、護(hù)筒、減震器、吊桿剛度等因素會對吊桿頻率產(chǎn)生較大影響,而這種影響的大小往往很難確定.此時(shí)采用常規(guī)的頻率法測試得到的吊桿索力誤差很大,存在誤判的可能性較大,甚至?xí)贸鲥e誤的結(jié)果。如何對短吊桿索力進(jìn)行精確測試,一直是未解決的工程難題。因此,在對吊桿拱橋這類橋型進(jìn)行檢測或施工監(jiān)測中,急需一種能夠精確測定短吊桿索力的方法。目前,在工程上常用的索力的測試方法主要包括磁通量法、壓力表法、壓力傳感器法和頻率法.其中,頻率法是使用最廣泛的方法,因?yàn)槠洳僮骱唵?,測試精度高。

        本文主要結(jié)合某吊桿拱橋的吊桿達(dá)到使用壽命后更換新吊桿張拉過程中實(shí)測結(jié)果和千斤頂張拉力的誤差等數(shù)據(jù),在有限元建模分析和比較后,將吊桿等效為具有等效計(jì)算長度的簡支張拉索,在吊桿中間附加質(zhì)量塊,引入建立了吊桿中部附加質(zhì)量塊前后拉索的振動平衡方程,優(yōu)化形成利用附加質(zhì)量前后吊桿測試振動頻率識別吊桿等效計(jì)算長度LO的算法,進(jìn)行質(zhì)量塊對索力的敏感性分析。對比分析質(zhì)量塊對頻率法測索力的影響,驗(yàn)證引入索體附帶質(zhì)量塊的頻率法索力精確計(jì)算公式的有效性。

        1頻率法測試?yán)碚?/p>

        1.1頻率法測試原理

        頻率法是利用力和頻率之間的關(guān)系,同時(shí)針對特殊的約束條件(鉸接或固接),求解出相應(yīng)的方程式。

        當(dāng)拱橋吊桿兩端被視為固接時(shí),可視為張緊弦模型。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)知識,弦在平面內(nèi)做橫向振動,如圖、所示。此時(shí),振動方程可以列出,并可通過數(shù)學(xué)方法獲得方程的解:

        其中l(wèi)是吊桿計(jì)算長度;f是索(弦)振動基頻。由于振動會產(chǎn)生n階頻率f=nf,若基頻測試效果不理想,則使用差值法可以間接求取。

        當(dāng)拱橋吊桿兩端被視為鉸接時(shí),忽略自重影響的情況下,則振動方程為:

        1.2 附帶質(zhì)量塊的頻率法短吊桿索力精確計(jì)算公式

        引入采用迦遼金方法推導(dǎo)的短吊桿索力精確計(jì)算方法,推導(dǎo)過程如下:

        將吊桿的邊界條件簡化為在簡支吊桿的相應(yīng)橫向位置處附加上了一個(gè)阻尼和彈簧支承。此時(shí),可將橫向位置處附加阻尼和彈簧支承視為對吊桿支承的加強(qiáng),相當(dāng)于減小了吊桿的計(jì)算長度。因此,在振動分析時(shí),可將吊桿簡化為具有等效計(jì)算長度L的簡支張拉索,如圖2所示.考慮拉索彎曲剛度EI的影響,由力的平衡方程及彎矩平衡方程可得出拉索的振動平衡方程:

        式中,吊桿剛度EI、吊桿材料密度ρ和吊桿截面積A是已知的,吊桿振動頻率W可由振動儀器測試得出。因此,只需要確定吊桿的有效計(jì)算長度L,便可由實(shí)測振動頻率w分析得出吊桿索力為T。為了確定吊桿的有效計(jì)算長度L,在距吊桿底端L處附加一個(gè)質(zhì)量為M的質(zhì)量塊,見下頁圖3。

        1.3 現(xiàn)場測試

        通過收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)及對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后,可得到實(shí)測頻率,通過頻率和索力的對應(yīng)關(guān)系,并通過式(10)的換算,即可求出吊桿索力值。測量工作步驟見圖4。

        2 工程案例

        某吊桿拱橋?yàn)閺V昆高速(石埠北立交至壇洛段)G80線上的一座大跨徑橋梁,見圖5。該橋結(jié)構(gòu)形式為中承式鋼管混凝土桁架拱橋,全橋長349m,跨徑組合為4×20m+190m+3x20m,主橋結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土桁架拱,采用單孔凈跨徑190m的中承式鋼管混凝土桁架拱橋,凈跨比為1/4.5,主拱軸線為無鉸懸鏈線,拱軸系數(shù)m=1.167。拱肋為等截面鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu).拱肋斷面采用φ820×12mm和φ820×14mm鋼管組成拱肋上、下弦桿,截面高4.3m、寬2.0m。主橋兩側(cè)27組吊桿共54根,吊桿間距為5.1m。南寧岸引橋?yàn)?×20m的先張法預(yù)應(yīng)力混凝工連續(xù)空心板;壇洛岸引橋?yàn)?×2m的先張法預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)空心板。目前該橋已投入運(yùn)營超過13年,出現(xiàn)了吊桿護(hù)套破損、錨頭積水、空心板開裂等病害。2016年5月,決定對該橋進(jìn)行全封閉交通維修施工,主要進(jìn)行該橋吊桿的更換,舊吊桿為85φ7mm的平行鋼絲索,新吊桿為25φ15.2mm、27φ15.2mm的成品鋼絞線索。

        其中本橋的短吊桿有3條,分別為1#/27#、2#/26#、3#/25#吊桿,其計(jì)算長度分別為:0.95m、3.07m、5.78m,此處的計(jì)算長度為下拱肋底部到橋面的距離。此處以3#吊桿索力測試為工程案例,并建立索體有限元分析模型,對比理論計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果。3#/25#新吊桿的線密度為38.07kQ/m,其計(jì)算索長僅為5.78m,測試頻率為14.22Hz,采用的質(zhì)量塊重量為22.5kg,吊桿參數(shù)如表1所示;吊桿附加質(zhì)量塊如圖6所示。

        3計(jì)算結(jié)果分析

        通過對25#吊桿測試頻率采用經(jīng)典方法與本文提出的精確計(jì)算方法及與吊桿索力設(shè)計(jì)值對比,得到結(jié)果如表2所示。

        4 結(jié)語

        本文以實(shí)體工程中某吊桿拱橋?yàn)轫?xiàng)目依托,對短吊桿索力測試不精確的情況進(jìn)行針對性的分析.通過對比計(jì)算方法計(jì)算測試索力后得到以下結(jié)論:

        (1)通過對兩種計(jì)算方法的對比,可知本文提出的方法更接近于設(shè)計(jì)索力,誤差為7%;

        (2)當(dāng)質(zhì)量塊處于吊桿中間時(shí),對頻率影響效應(yīng)最大;

        (3)對于越長的吊桿,附加質(zhì)量的位置和大小影響越明顯。

        (4)在錨固端附近吊桿質(zhì)量密度的改變對索力敏感性較小。

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