Development and Innovation | 发展与创新 |
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2020年第18期
姜 维1，邓年春2，樊 平3
（1.广西科技大学土木建筑工程学院，广西 柳州 545006；2.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；
3.交通运输部公路科学研究院桥隧研究中心，北京 100088）摘 要：拉索作为缆索桥梁的主要受力构件之一，其受力与健康状况直接影响着桥梁的结构与安全。索力能够反映拉索实际工作状态，因此索力成为拉索桥梁结构健康监测及评估的重要指标之一。振动频率法测索力由于其成本低、操作便利、设备便携等特点，目前已然成为实际工程中普遍采用的索力测试方法。但因其诸多因素的影响，导致在索力测试过程中的精度有时并不能满足实际工程需求，尤其是在短索的索力测试中。文章主要介绍振动频率法测拉索索力原理及研究现状，指出边界条件以及抗弯刚度在短索索力测试中的影响，以供相关研究人员参考与借鉴。关键词：拉索；索力测量；边界条件；抗弯刚度中图分类号：U448.27 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2020）18-0235-02
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作者简介：姜维，男，硕士，研究方向：桥梁工程。
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缆索支承体系桥梁具有结构形式美观、跨越能力超强等优点，在跨越大江大河、高山峡谷及海湾海峡工程中成为极具竞争性的选择方案。根据相关资料，截至目前，我国大跨缆索桥梁数量超过世界该类桥梁总数的50%。拉吊索是缆索支承桥梁的主要承重构件，拉吊索的维护对于大跨桥梁的安全运营具有重要影响。在实际工程中，拉吊索往往处于恶劣工作环境，极易发生腐蚀。特别是短索，由于受到环境、疲劳、剪切等复杂环境及荷载作用，影响其使用寿命，严重时甚至发生突然断裂，如重庆彩虹大桥即因短吊索腐蚀断裂桥面系垮塌。索力是反映拉索工作状态的重要指标，在既有桥梁的养护过程
中，拉吊索索力准确测量对于评估该类桥梁技术状态具有非常重要的意义。
1 拉索索力检测常用方法
目前，拉索检测方法主要有千斤顶拉拔测试法、测力传感器检测法、振动频率法、磁通量检测法四种。其中测力传感器检测法根据传感元件不同又可分为几种，包括电阻应变测力传感器、振弦式测力传感器、光纤光栅测力传感器等，但测力环法与磁通量法具有共同的优点，可直接测出索力，但两者需预先在拉索上安装传感器，不可重复使用。振动频率法的优点操作方便，传感器可重复使用，检测成本低，对于新建及在役桥梁均适用。振动频率法原理是以拉索在张力作用下的动力响应分析为基础，利用测量的阶固有频率和索力之间的特定关系，快速有效的计算出索力。根据拉索在竖向平面内的振动微分方程推导索力计算公式。
首先，根据两端固定的张紧弦振动理论不考虑拉索
的垂度以及拉索的弯曲和轴向变形：
（1）
然后，考虑拉索抵抗横向位移的刚度，忽略其轴线
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虚拟地震台网振动：
（2）
式中：H 为索力，N ；n 为振型阶数；f n 为第阶频率，Hz ；m 为单位长度质量，kg ；l 为计算长度，m ；EI 为抗弯刚度，N·m 2。
2 频率法测索力影响因素
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在现有振动测试技术条件下，拉索频率的测试能达到很高的精度。但由于其影响频率因素复杂，如边界条件、拉索抗弯刚度、拉索计算长度、拉索垂度、拉索阻尼减振装置等，使索力的计算确定仍然还有很多问题需要解决。针对这些情况，很多学者进行了深入的研究，获得了大量成果，在忽略某些次要因素的情况下提出了一些索力简化计算方法，因其简单实用，故已在实际工程中得到了应用，为索力的计算评估奠定了基础。
但是，有些影响短索索力的因素不可忽略或简化，其中主要就是边界条件与抗弯刚度，如文献指出，长细比小于100或直径大于440mm 的短粗索，忽略抗弯刚度将会产生很大的误差，远远不能满足工程需求。鉴于此，拉索边界条件的准确确定及抗弯刚度的取值成为拉索测试中的关键问题，引起了许多学者的关注。2.1 边界条件影响
边界条件是影响索力的主要因素之一，索力计算时必须考虑边界条件。在实际工程中，为方便计算，
机房集中监控可将拉索两端看作铰接，从而采用张紧弦理论公式计算拉索索力，这种方法对于较长拉索不会产生较大误差，但对于短索，采用张紧弦理论公式求解产生的误差已不可忽略，如何考虑锚固对拉索的嵌固作用，针对这一问题各国学者做了大量的研究。
1996年，日本学者Shinke T 等[1]利用3个无量纲参数简化了拉索在两端固结情况下的索力表达式，并通过试验验证其工程实用性。2002年，Desai 等[2]对不同的边界条件下拉索的索力进行了测试分析，认为拉索两端可以简化为固结。在国外专家学者研究的基础上，国内，等[3]、王卫锋等[4]研究发现，拉索实际边界条件介于两端固结和两端铰接之间，不过在实际工程中可将其视为两端铰接，并通过拉索计算长度的合理性修正索力误差。朱卫国[5]等发现拉索两端锚头刚度与拉索索体刚度相差巨大，但不能因此认为拉索两端为固结，应该利用拉索的计算长度修正拉索锚头刚度的影响。黄侨[6]等认为减振器是索力测量的影响因素之一，在弦理论的基础上，研究了减振器刚度与拉索索长的关系，提出等效索长的索力计算公式，并利用有限元验证其准确性。唐光武[7]等通过引入新的无量纲参数，拟合出短吊杆在典型边界条件下的索力计算式，并验证其精度，发现其精度较高，适合在实际工程中使用。
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