中、下承式拱橋吊索的模態(tài)分析與張力測(cè)定.pdf

1、中、下承式拱橋由于橋型優(yōu)美是中國(guó)城市橋梁中應(yīng)用發(fā)展很快的一種橋型,據(jù)有關(guān)資料介紹,中國(guó)現(xiàn)在已建成的中、下承式拱橋有300余座,目前仍在向更大跨徑、更大規(guī)模的方向發(fā)展,應(yīng)用區(qū)域和范圍也在不斷擴(kuò)大.但是,近年來(lái)也連續(xù)出現(xiàn)了若干起中、下承式拱橋的垮塌事故,造成了嚴(yán)重的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失.從這些事故分析中可以得出這樣的結(jié)論:中、下承式拱橋的斷橋與垮塌事故大多與吊索的健康狀態(tài)有關(guān),若能對(duì)拱橋吊索的健康狀態(tài)進(jìn)行經(jīng)常及時(shí)地或?qū)崟r(shí)在線地監(jiān)測(cè)與診斷,多數(shù)

2、中、下承式拱橋的重大事故是可以避免的.中、下承式拱橋主要由拱肋、橋面系(系桿梁)及吊索系3部分組成,其中吊索系不但是主要的傳力(承力)構(gòu)件,也是易損構(gòu)件,主要的損傷包括:吊索中部分鋼絲斷裂、鋼絲銹蝕、錨固失效等.無(wú)論哪一種損傷,都會(huì)引起吊索拉伸剛度的變化,而拱橋橋面系可視為由吊索彈性支承于拱肋上的一個(gè)超靜定結(jié)構(gòu),部分吊索剛度的變化必然引起吊索系承受荷載的重新分配,即必然引起吊索系靜張力的變化.因此,吊索的靜張力是拱橋健康狀況的敏感指標(biāo),

3、可以根據(jù)吊索系靜張力的實(shí)際測(cè)量值與拱橋健康檔案中的吊索系靜張力值之比較,來(lái)對(duì)拱橋的健康狀況進(jìn)行診斷與評(píng)估.當(dāng)前,中、下承式拱橋吊索的張力測(cè)定方法主要有2種:直接法和間接法,在工程實(shí)際中主要使用間接法,振動(dòng)法是間接法中最經(jīng)常使用的一種方法.振動(dòng)法測(cè)定吊索張力可以分為2個(gè)方面:張力計(jì)算公式;吊索振動(dòng)頻率的測(cè)試.目前,振動(dòng)測(cè)試技術(shù)已經(jīng)比較成熟,可以由振動(dòng)信號(hào)十分精確地提取出吊索的振動(dòng)頻率.目前,振動(dòng)法中測(cè)定吊索張力公式所用理論主要借助于斜拉橋

4、斜拉索的張力測(cè)定理論.在斜拉索的張力測(cè)定中,由于斜拉索長(zhǎng)度較大,其彎曲剛度和邊界條件影響較小,一般可以忽略不計(jì).中、下承式拱橋不同于斜拉橋,在中、下承式拱橋中,由于拱肋主要承受壓力,失穩(wěn)問(wèn)題比較突出,矢高不可能太大,所以中、下承式拱橋吊索的長(zhǎng)度一般較小.如果將斜拉索張力測(cè)定理論直接應(yīng)用于吊索,特別是短吊索,則會(huì)產(chǎn)生較大誤差,不能滿足實(shí)際工程使用要求.吊索的張力測(cè)定必須考慮彎曲剛度和邊界條件的影響.基于這一背景,該文的主要工作就是提出適合

5、于中、下承式拱橋吊索張力測(cè)定的張力計(jì)算實(shí)用公式.在中、下承式拱橋吊索張力測(cè)定的理論研究中,當(dāng)不考慮吊索彎曲剛度的影響時(shí),吊索可以看成是一根張緊的弦,由于沒(méi)有考慮彎曲剛度的影響,其張力與振動(dòng)頻率存在著簡(jiǎn)單的關(guān)系,張力計(jì)算十分方便.當(dāng)只考慮吊索彎曲剛度的影響而將吊索兩端的邊界條件視為簡(jiǎn)支時(shí),通過(guò)理論分析也可以直接推導(dǎo)出吊索張力與其橫向振動(dòng)頻率關(guān)系的計(jì)算公式.當(dāng)同時(shí)考慮吊索彎曲剛度和吊索兩端固定支承的邊界條件影響時(shí),吊索的張力與吊索橫向振動(dòng)頻

6、率關(guān)系的方程是超越方程,無(wú)法直接導(dǎo)出張力計(jì)算顯式公式.該文研究通過(guò)振動(dòng)微分方程導(dǎo)出頻率方程,引入無(wú)量綱參數(shù)化簡(jiǎn)吊索的張力與其橫向振動(dòng)頻率之間關(guān)系的超越方程,采用數(shù)值計(jì)算和曲線擬合方法,在不同的無(wú)量綱參數(shù)ξ取值范圍內(nèi)得到吊索張力與吊索橫向振動(dòng)頻率簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系,文中給出了吊索張力計(jì)算的顯式公式.該文給出的當(dāng)采用吊索第1階橫向振動(dòng)頻率時(shí),吊索張力計(jì)算的實(shí)用計(jì)算公式為:(公式略)EI為吊索的彎曲剛度,m為吊索的線質(zhì)量密度,l為吊索的計(jì)算長(zhǎng)度,

7、f<,1>為實(shí)測(cè)的吊索第1階橫向振動(dòng)頻率,T為吊索的計(jì)算張力.該文還給出了采用吊索第3階橫向振動(dòng)頻率的張力實(shí)用計(jì)算公式.該文利用京珠國(guó)道鄭州黃河特大橋主橋的吊索參數(shù),將該文提出的2組吊索張力計(jì)算實(shí)用公式的計(jì)算結(jié)果和采用考慮桿件幾何剛度(考慮張力影響)的有限元法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,計(jì)算結(jié)果表明該實(shí)用公式具有很高的計(jì)算精度.在基于振動(dòng)法具體進(jìn)行吊索張力測(cè)定時(shí),可首先對(duì)吊索進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試,通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的處理,提取出吊索的振動(dòng)頻率,代入相應(yīng)的

8、張力計(jì)算公式,即可得到實(shí)測(cè)張力值.由于參數(shù)ξ中含有未知的吊索張力T,在吊索張力測(cè)定時(shí)要進(jìn)行迭代計(jì)算:可以先假設(shè)ξ的范圍,由對(duì)應(yīng)計(jì)算公式計(jì)算得到吊索張力,然后計(jì)算新的ξ值.如果ξ值在假設(shè)的范圍內(nèi),得到的吊索張力值是準(zhǔn)確的;如果ξ值不在假設(shè)范圍內(nèi),根據(jù)ξ值選用新的計(jì)算公式進(jìn)行迭代計(jì)算.一般進(jìn)行2次迭代計(jì)算,就可以得到準(zhǔn)確的吊索張力計(jì)算值.為了檢驗(yàn)該文提出的中、下承式拱橋吊索張力測(cè)定實(shí)用計(jì)算公式的準(zhǔn)確性,作者在京珠國(guó)道鄭州黃河特大橋主橋施工現(xiàn)

9、場(chǎng)進(jìn)行了吊索張力測(cè)定試驗(yàn).在吊索的振動(dòng)頻率測(cè)試中,采用了環(huán)境隨機(jī)激勵(lì)方式,利用功率譜峰值法處理振動(dòng)信號(hào),得到吊索的第1階橫向振動(dòng)頻率,代入該文實(shí)用計(jì)算公式,得出了吊索張力,通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)吊索的張拉力值比較,驗(yàn)證了該文公式的正確性.該文通過(guò)有限元法的數(shù)值驗(yàn)證和下承式拱橋施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐檢驗(yàn),證明了該文提出的吊索張力測(cè)定實(shí)用計(jì)算公式具有很高的精度,可以應(yīng)用于橋梁施工階段的吊索張力監(jiān)控,也可應(yīng)用于服役階段中、下承式拱橋吊索的健康監(jiān)測(cè),具有很大的理論