中、下承式拱橋吊索的模態(tài)分析與張力測定.pdf

1、中、下承式拱橋由于橋型優(yōu)美是中國城市橋梁中應(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大.但是,近年來也連續(xù)出現(xiàn)了若干起中、下承式拱橋的垮塌事故,造成了嚴重的人員傷亡與經(jīng)濟損失.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),若能對拱橋吊索的健康狀態(tài)進行經(jīng)常及時地或?qū)崟r在線地監(jiān)測與診斷,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.無論哪一種損傷,都會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)吊索系靜張力的實際測量值與拱橋健康檔案中的吊索系靜張力值之比較,來對拱橋的健康狀況進行診斷與評估.當(dāng)前,中、下承式拱橋吊索的張力測定方法主要有2種:直接法和間接法,在工程實際中主要使用間接法,振動法是間接法中最經(jīng)常使用的一種方法.振動法測定吊索張力可以分為2個方面:張力計算公式;吊索振動頻率的測試.目前,振動測試技術(shù)已經(jīng)比較成熟,可以由振動信號十分精確地提取出吊索的振動頻率.目前,振動法中測定吊索張力公式所用理論主要借助于斜拉橋

4、斜拉索的張力測定理論.在斜拉索的張力測定中,由于斜拉索長度較大,其彎曲剛度和邊界條件影響較小,一般可以忽略不計.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)問題比較突出,矢高不可能太大,所以中、下承式拱橋吊索的長度一般較小.如果將斜拉索張力測定理論直接應(yīng)用于吊索,特別是短吊索,則會產(chǎn)生較大誤差,不能滿足實際工程使用要求.吊索的張力測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定的張力計算實用公式.在中、下承式拱橋吊索張力測定的理論研究中,當(dāng)不考慮吊索彎曲剛度的影響時,吊索可以看成是一根張緊的弦,由于沒有考慮彎曲剛度的影響,其張力與振動頻率存在著簡單的關(guān)系,張力計算十分方便.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支時,通過理論分析也可以直接推導(dǎo)出吊索張力與其橫向振動頻率關(guān)系的計算公式.當(dāng)同時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,吊索的張力與吊索橫向振動頻

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

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

8、張力計算公式,即可得到實測張力值.由于參數(shù)ξ中含有未知的吊索張力T,在吊索張力測定時要進行迭代計算:可以先假設(shè)ξ的范圍,由對應(yīng)計算公式計算得到吊索張力,然后計算新的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值選用新的計算公式進行迭代計算.一般進行2次迭代計算,就可以得到準(zhǔn)確的吊索張力計算值.為了檢驗該文提出的中、下承式拱橋吊索張力測定實用計算公式的準(zhǔn)確性,作者在京珠國道鄭州黃河特大橋主橋施工現(xiàn)

9、場進行了吊索張力測定試驗.在吊索的振動頻率測試中,采用了環(huán)境隨機激勵方式,利用功率譜峰值法處理振動信號,得到吊索的第1階橫向振動頻率,代入該文實用計算公式,得出了吊索張力,通過與現(xiàn)場吊索的張拉力值比較,驗證了該文公式的正確性.該文通過有限元法的數(shù)值驗證和下承式拱橋施工現(xiàn)場的實踐檢驗,證明了該文提出的吊索張力測定實用計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,具有很大的理論