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        環(huán)境溫度及橋面加速度與拱橋吊桿索力相關(guān)性研究

        2020-05-11 02:09:12洪家佳
        建材與裝飾 2020年12期
        關(guān)鍵詞:時(shí)程索力吊桿

        洪家佳

        (中鐵十二局集團(tuán)第七工程有限公司 湖南長沙 410000)

        1 工程背景

        該橋?yàn)橄鲁惺戒摴芑炷凉皹?,拱肋采用混凝土拱肋和鋼管桁架拱肋組合形式,拱腳部分采用混凝土形式,其余部分拱肋采用鋼管混凝土桁架形式??鐝浇M合為35m+100m+35m,拱肋矢高20m,矢跨比為1/5,拱軸線采用二次拋物線線型。

        該拱橋中南岸32′、40′、48′和北岸32號吊桿突然斷裂導(dǎo)致相應(yīng)橋面整體垮塌,并于2002年7月維修加固后通車。針對該橋局部吊桿斷裂導(dǎo)致橋梁整體安全事故,有必要對吊桿索力的相關(guān)變量進(jìn)行研究。為得到橋梁結(jié)構(gòu)的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù),分別在邊跨短吊桿和跨中長吊桿安置振弦式索力儀,傳感器編號分別為:CF001N、CF002N和CF003N,在L/4和L/2分別安置加速速度傳感器RSM1和RSM2,在橋面外安裝溫度傳感器TE1。

        2 環(huán)境溫度與索力相關(guān)性分析

        2.1 弦振動(dòng)理論

        基于加速度傳感器的索力測量的理論基礎(chǔ)是弦振動(dòng)理論。張緊的斜拉索,并考慮其抗彎剛度,拉索微元的動(dòng)力平衡方程為[1]:

        式中:y-橫向坐標(biāo)(垂直于索長度方向);x-縱向坐標(biāo)(沿索長度方向);w-單位索長的重量;g-重力加速度;T-索的張力;t-時(shí)間,EI-索的抗彎剛度。如果索的兩端是鉸支的則方程(1)的解為:

        式中:L-為索的長度;n-為索的振動(dòng)階次;fn-索的第n階振動(dòng)頻率;E1-拉索抗彎剛度。

        弦振動(dòng)理論假設(shè)兩端鉸結(jié),而實(shí)際情況是兩端近似于固結(jié),近似計(jì)算結(jié)果也有一定的誤差,但誤差值不會(huì)太大。這里采用簡化算法批量處理拉索的振動(dòng)數(shù)據(jù)。系桿拱橋中,拱橋吊桿為重要傳力構(gòu)件也是非常容易損壞的構(gòu)件,在拱橋的兩根短吊桿及兩根跨中長吊桿上安裝了加速度傳感器,監(jiān)測其索力情況。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)摌虻鯒U張拉控制力為760kN。所以吊桿在工作拱橋工作時(shí)索力在760kN左右,但是由于活載、收縮徐變及環(huán)境因素等原因,索力會(huì)在張拉力的基礎(chǔ)上產(chǎn)生一定的偏移或者波動(dòng)。

        2.2 索力監(jiān)測

        采用弦振動(dòng)理論的簡化算法分析索力,首先根據(jù)拉索振動(dòng)的功率譜密度曲線上的峰值識(shí)別出拉索的各階頻率。對三根吊桿的加速的傳感器CF001N(長吊桿)、CF002N(長吊桿)、CF003N(短吊桿)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,其中采樣頻率50Hz,每次數(shù)據(jù)樣本長度為1h,傅里葉變換點(diǎn)數(shù)為10000。

        長吊桿的功率譜有較多的峰值且這些峰值的出現(xiàn)具有一定的周期性,各階頻率之間的間隔幾乎相同,具有非常好的倍數(shù)關(guān)系,化算法計(jì)算索力時(shí)f2/n2的值較為固定。而短吊桿的功率譜峰值較少,但是峰值的頻率也具有倍數(shù)關(guān)系。

        據(jù)各部位索力的單次測量結(jié)果得到以下結(jié)論:選取數(shù)據(jù)無缺失的3、4月,對拱橋跨中長吊桿加速度傳感器CF001N、CF002N及短吊桿加速度傳感器CF003N所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理。長吊桿與短吊桿雖然初始張拉力相同,但是成橋后的索力會(huì)重分布,這種重分布會(huì)改變各吊桿的索力值大小,使長吊桿的索力低于短吊桿,短吊桿的索力值在使用階段明顯>設(shè)計(jì)值,這種增大可以達(dá)到上百kN,安裝傳感器的短吊桿并不是拱橋中最短的吊桿,所以在最短的吊桿處索力增加值可能更大??梢娫谑褂秒A段短吊桿比長吊桿更容易發(fā)生破壞。

        傳感器每小時(shí)采集的信號進(jìn)行頻譜分析,通過篩選功率譜上的峰值換算出吊桿索力,可以得到吊桿索力的3、4月的時(shí)程曲線。同時(shí)為了評價(jià)溫度對吊桿索力的影響,對比吊桿的索力與環(huán)境溫度時(shí)程曲線。

        對比可看出吊桿索力始終圍繞著恒載索力波動(dòng),并沒有明顯的線性或非線性的變化趨勢。其中吊桿CF001N索力主要分布在740kN附近,吊桿CF002N索力主要分布在720kN附近,短吊桿CF003N索力在880kN附近。索力時(shí)程曲線中存在一些較大的波動(dòng)值,幅值可達(dá)上百千牛。

        2.3 相關(guān)性討論

        對吊桿索力與環(huán)境溫度的變化做相關(guān)性分析,兩個(gè)變量的相關(guān)系數(shù)定義為:

        式中:r-相關(guān)系數(shù);n-溫差樣本數(shù);其中 cov(T,Te)為變量 T 和 Te之間的協(xié)方差系數(shù),相關(guān)系數(shù)介于-1~1之間,當(dāng)系數(shù)的絕對值接近1時(shí),說明兩個(gè)變量之間有較強(qiáng)的相關(guān)性。

        根據(jù)相關(guān)性分析,溫度與吊桿索力相關(guān)系數(shù)絕對值較低,兩者沒有較強(qiáng)的相關(guān)性。為進(jìn)一步解釋溫度變化對拱橋吊桿索力的影響,采用ANSYS有限元模型模擬溫度場變化情況下吊桿應(yīng)力的改變。用溫度控制開關(guān),控制環(huán)境整體溫度均勻地改變,并計(jì)算不同溫度下吊桿應(yīng)力。由長、短吊桿不同溫度對應(yīng)應(yīng)力擬合曲線可知,在控制恒、活載不變的情況下單獨(dú)改變環(huán)境溫度吊桿的索力會(huì)發(fā)生一定的重分布,其中跨中長吊桿CF001N的應(yīng)力會(huì)略有增加,短吊桿的CF003N的應(yīng)力會(huì)略有減小。但需注意在溫度改變20℃的情況下長吊桿索力變化僅為0.25%,短吊桿的變化僅為-0.05%,在活載存在的情況下極容易被淹沒,因而在索力監(jiān)測時(shí)程曲線中吊桿索力與溫度沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。

        3 橋面加速度與索力相關(guān)性分析

        橋面加速度與索力監(jiān)測數(shù)據(jù)按照上節(jié)溫度與索力之間相關(guān)性分析思路。對橋面加速度傳感器RMS值與吊桿索力做相關(guān)性分析。結(jié)果顯示RMS值與吊桿索力相關(guān)系數(shù)絕對值較小,但在RMS值變幅較明顯的典型時(shí)程中,RMS與索力表現(xiàn)出明顯的趨勢性。原因是輕型車輛通過拱橋時(shí)由于荷載質(zhì)量較小及其他吊桿的分擔(dān),索力變化較小,但是這種荷載能激勵(lì)橋梁產(chǎn)生振動(dòng),進(jìn)而引起橋面加速度傳感器RMS值的明顯變化,所以使兩者相關(guān)系數(shù)較低,而重車荷載則能同時(shí)引起索力及RMS值的改變,在部分典型時(shí)程中兩者表現(xiàn)出具有相同的趨勢。

        4 結(jié)束語

        綜上所述,得出以下結(jié)論:

        (1)在單次索力測量結(jié)果中,實(shí)測索力與施工圖中的吊桿張拉力較為接近,而在相同的張拉力下,在使用階段短吊桿的索力要明顯高于長吊桿,這與系桿拱橋容易出現(xiàn)短吊桿破壞現(xiàn)象的實(shí)時(shí)相符。

        (2)在3、4月的索力監(jiān)測中各吊桿索力始終圍繞著恒載索力波動(dòng),并沒有表現(xiàn)出明顯的變化趨勢。在索力與環(huán)境溫度相關(guān)性分析中認(rèn)為兩者不具備明顯的相關(guān)性,同時(shí)有限元模型模擬也證明在溫度場均勻改變條件下吊桿索力會(huì)發(fā)生改變,但變化幅值較小難以被捕捉。

        (3)對橋面加速度傳感器RMS值與吊桿索力作相關(guān)性分析結(jié)果顯示RMS值與吊桿索力相關(guān)系數(shù)絕對值較小,但在RMS值變幅較明顯的典型時(shí)程中,RMS與索力則會(huì)表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。

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