大跨度系桿拱橋柔性吊桿張力監(jiān)測和參數(shù)識別研究

1、.大跨度系桿拱橋柔性吊桿張力監(jiān)測和參數(shù)識別研究 第24卷第1期 2007年1月公路交通科技JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentVol124No11Jan12007 文章編號:10020268(2007)01006905 大跨度系桿拱橋柔性吊桿張力 監(jiān)測和參數(shù)識別研究 吳文清,王成樹,劉國昌,葉見曙1231 (11東南大學交通學院,江蘇南京210096;21浙江省交通規(guī)劃設計研究院,浙江杭州310006; 31江蘇省南京市公路建設處,江蘇南京210008) 摘要:定吊桿張力精度的若干參數(shù),、。文中推導了張力測試的實用公式,

2、提高了張力測試精度并減少了識別工作量。,度,。 關(guān)鍵詞:吊桿;張力測試;頻率法;參數(shù)識別 中圖分類號:U448122+5 文獻標識碼:A FlexibleHangerRodsTensionMeasurementandParameterIdentification inLargespanTiedArchBridge WUWenqing,WANGChengshu,LIUGuochang,YEJianshu1231 (11TransportationCollegeofSoutheastUniversity,JiangsuNanjing210096,China; 21ZhejiangProvincia

3、lPlanDesign&ResearchInstituteofCommunication,ZhejiangHangzhou310006,China; 31NanjingHighwayConstructionBureau,JiangsuProvince,JiangsuNanjing210008,China) Abstract:Themeasurementmethodtochecktheflexiblehangerrodstensioninlargespantiedarchbridgeisstudiedwithfrequencymethodbasedontheprincipleof

4、vibrationoftensioncable,especiallytheparameteridentificationofsomefactorssuchasboundarycondition,oscillatingdamperandeffectivecalculationlengthofhangerrods,whichinfluencethemeasurementprecisionoftensioninhangerrods,aremadeclearlyasthemainpart1Theresearchresultshowsthattheabovementionedparameterscoul

5、dbeidentifiedeffec2tivelybytestingthehangerrodsforceinsitu,soastoraisethemeasuringprecisionandworkingefficiency1Thetestpracticeindicatesthat theprecisioninflexiblehangerrodsforcecalculation,whichisbasedontheidentifiedparameterswiththeproposedidentificationmethod,canmeettheneedsofmonitoringtheforcein

6、hangerrodsduringthetimeofconstructionandoperationofthebridge1Keywords:tiedarchbridge;hangerrods;rodsforcemeasurement;frequencymethod;parametricalidentification 0引言運營。2002年宜賓市小南門金沙江大橋突然倒塌, #倒塌的原因據(jù)分析是主橋中部北端2截面下游吊桿 先發(fā)生斷裂,隨即2截面上游吊桿也發(fā)生斷裂,該 截面處橫梁與橫梁上的橋面板,隨吊桿斷口以下部分 墜入江中,隨后主橋另一端3個截面吊桿也發(fā)生斷#1吊桿是系桿拱橋主要傳力構(gòu)件,橋面荷

7、載要通過吊桿傳遞給拱肋。因此吊桿是系桿拱橋主要的構(gòu)件之一,吊桿能否正常工作,將會影響到整個橋梁的正常 收稿日期:20050829 基金項目:江蘇交通科學研究資助項目(03Y033) 作者簡介:吳文清(1964-),男,浙江龍游人,副教授,博士,研究方向為橋梁工程的施工監(jiān)控和組合結(jié)構(gòu)橋梁1(wqwuxuvip1sina1com) 70 公路交通科技 第24卷 裂,造成4孔橋面板垮塌。鑒于吊桿在整個系桿拱橋 中作用重大,需要在系桿拱橋施工和運營階段對吊桿進行監(jiān)測,以了解吊桿現(xiàn)時所處的受力和變形狀況,防患于未然。 國內(nèi)外對張力測試研究較多,目前測試柔性吊桿張力的方法主要有千斤頂法、壓力傳感器法、頻譜

8、法和磁通量法。 頻率法是根據(jù)吊桿固有頻率和張力的關(guān)系,通過測試吊桿振動的固有頻率,推算吊桿張力。文獻2推導吊桿固有頻率和張力的關(guān)系時, 忽略了索的抗彎剛度,得出了索的張力與索固有頻率的平方成正比的關(guān)系,這種方法對索長度大于40m時誤差較小。但對于小于40m的索,如南河特大橋的吊桿長度普遍較短,就有很大的誤差。文獻3的實用公式,響,參數(shù)(。 橋,該橋是國道主干線南京至杭州高速公路跨南河的一座特大橋。主橋為下承式預應力混凝土系桿拱結(jié)構(gòu),采用剛性系桿剛性拱結(jié)構(gòu),孔徑為130m。主橋計算跨徑L為126128m,拱軸線為二次拋物線,矢跨比為15,矢高251256m。拱橋吊桿采用857半平行高強鋼絲吊桿,

9、吊桿間距為613m,每片拱肋設19根吊桿,采用外徑915cm的PE防護套包裹吊桿,橋面以上2m高度外包不銹鋼套管。橋梁立面布置圖如圖1。 要承受軸向拉力的吊桿,如果考慮吊桿的抗彎剛度EI,則應用動力學普遍原理可以建立均勻線密度的吊桿在無阻尼時的自由振動方程為: 422EI -T+=0,(1)422 g5x5x5t 其中,EI為吊桿的抗彎剛度;v(x,t)為由振動引起的 y方向的撓度;T為吊桿在軸向的張力;w為吊桿單位 長重量;g為重力加速度。 由式(1)可以導出固端邊界條件下根據(jù)1階振動頻率計算吊桿張力的實用計算公式: T= fl 21 2 1-21206f14 (41)(2) )=TEI?(

10、l。 ,則微分方程(1)的解為: 222222 (3)T=4wlfngn-nEIl, 式中,l為吊桿的計算長度;fn為第n階固有頻率;n為振動階次。 當?shù)鯒U的抗彎剛度EI很小即為柔性吊桿時,EI值與吊桿索長l的平方相比,可以忽略不計,則 222 (4)T=4wlfngn,對于1階振型來講,n=1,此時 22 T=4wlf1g,式中,f1為基頻。 2張力測試若干參數(shù)的識別 (5) 采用振動頻率法測試吊桿張力,測試的精度很大程度取決于頻率測試的可靠性和吊桿本身參數(shù)的可靠性,吊桿固有頻率的測試可以采用脈動法。吊桿的參數(shù)諸如抗彎剛度、計算長度、邊界條件等也存在如何取值問題。為提高吊桿張力的測試精度,如

11、何對上述參數(shù)進行識別,在此做一些探討。首先對吊桿長度作出規(guī)定如圖2所示,L1為吊桿上、下錨固端之間的距離;L2為拱肋中點到系梁中點的距離;L3為上拱肋到系梁的凈距。211吊桿邊界條件的識別 南河特大橋的吊桿采用857mm的半平行高強鋼絲束,吊桿直徑D=85mm,取吊桿的彈性模量E= 5 1195×10MPa,根據(jù)文獻4的研究成果,可假設吊桿 D4-64 的抗彎慣性矩為I=21563×10m,抗彎剛度 648-62 為EI=1195×10×21563×10=4991732(kN1m)。 在上述吊桿張力的計算公式中,分別作了吊桿兩 6 圖1大橋立面

12、布置圖(單位:cm) Fig11Thegenerallayoutofthebridge(unit:cm) 本論文研究了基于弦振動理論應用頻率法進行大跨度系桿拱橋柔性吊桿張力測試的基本方法,對影響頻率法測定吊桿張力精度的若干因素,如吊桿的邊界條件、減振阻尼器及有效計算長度等進行了較理想的識別,文中推導了張力測試的實用公式,并通過張力標定,對吊桿在考慮抗彎剛度的情況下對邊界條件、減振阻尼器等因素進行識別,提高吊桿內(nèi)力測試精度。 1測試公式推導 吊桿張力測定的理論基礎是弦振動理論 45 。主 第1期 71 與斜拉橋的長度相比屬于短索,錨頭對鋼絲束股的約 束作用應較強,在力學模式上按固結(jié)約束較合理。

13、表1吊桿初始長度Li比較表 Tab11Thecomparisontableoftheinitiallengthofhangerrods吊桿 編號 2 3 4 5 6 7 8 9 10 L1m111267141969181176201887231103241824261052261789271036L2m91164121935161204181970211233221993241250251005251256L表2吊桿初始張拉力以及初始1階自振頻率表 Tab12Theinitialtensionandthefirstordernatural vibrationfrequencyofrods 24

14、573108310931010310圖2吊桿構(gòu)造示意圖 Fig12Theschematicdiagramofhangerf1端固結(jié)和鉸接的假定,內(nèi)為張拉端,。錨頭彎曲剛度比鋼,但是它們又不能起到嚴格意義上固定鋼絲束股的作用。錨頭對鋼絲索股振動的約束作用與吊桿長度、振型有關(guān)。一般認為錨頭對長索及低階振型的振動約束較弱,而對短索及高階振型的振動約束較強。南河特大橋的吊桿長度如表1所示, 2所列的各吊桿初始張拉力以及初始1階實測自振頻率,考慮吊桿兩端按固結(jié)、鉸接的邊界條件分別根據(jù)吊桿張拉力計算公式(2)、(3)計算相應的吊桿張拉力T1(固結(jié))、T2(鉸接)。為了研究比較取不同的初始計算長度對吊桿邊界

15、條件識別的影響,本文分別取吊桿長度L1、L2、L3作為初始計算長度考慮,其對應的吊桿張力初始計算值如表3所示,同時比較了各張力計算值的相對計算誤差。 表3吊桿邊界條件識別計算表 Tab13Theidentificationcalculationofboundaryconditionofhangerrods 初始長度 2 T0kNT1kNL1T2kN T1T0TT0kNT1kNL2T2kN T1T0T20T0kNT1kNL3T2kN T1T0T吊桿編號 331033314461111108114931020919331120168110731056171791301180158 43103211

16、1423111104113631020216329130165110631061112171101200170 531032413412181105113331020316336110166110831065132421101210178 6310298163751201961121310200113321890165110731066172511601220181 7310319143921711031127310200334150165110831068122601301220184 831032519539614110511283102031 5341130166111031070142

17、701401230187 931032418393111105112731020218340150165111031070172721401230188 1031032513392191105112731020334101651110310712731601230188 2602971646316111411782601931527316017411052604019431601160117 根據(jù)表3的計算結(jié)果可知,吊桿兩端的錨固方式 按固結(jié)或鉸接來考慮,張力計算值與實際張拉值都有誤差。以下分為3類情況進行比較: 第1類:取初始計算長度為L1時,如按固結(jié)方式處理兩端的連接形式,張力計算值T1與

18、初始張拉值T0比較接近,除了2吊桿的誤差相對較大外,誤 # 差在-4%+8%,誤差均值在4%左右;而按鉸接來模擬吊桿兩端的連接形式時,則誤差在26%78%。 第2類:取初始計算長度為L2時,如按固結(jié)方式處理兩端的連接形式,張力計算值T1與初始張拉值T0誤差較大,一般為26%35%,相反按鉸接來 72 公路交通科技 第24卷 模擬吊桿兩端的連接形式時,計算值與初始張拉值也 比較接近,誤差在+5%+10%,誤差均值在8%左右。 第3類:取計算長度為L3時,無論按固結(jié)還是按鉸接來模擬吊桿兩端的邊界條件,張力計算值與初始張拉值之間的誤差都很大,故舍棄不用。 由上比較說明:從吊桿張力計算值與實測值的接近

19、程度和相對誤差均值來看,對于大、中跨度的系桿拱橋而言,吊桿的兩端連接方式按固結(jié)來考慮比較合理,此時初始吊桿長度取為L1。以下在按吊桿兩端固接方式連接的基礎上,對吊桿的計算長度進一步進行識別研究。212計算長度的識別 因為吊桿下端被一長2m,1、L2、L3的關(guān)系。L1、L2、L3參閱圖2所示。 為了對其進行識別,需對吊桿進行了現(xiàn)場標定。在吊桿張拉時,可以從千斤頂入油閥的壓力表獲得張力T(實測吊桿張力,現(xiàn)場取吊桿設計張力值的100%),而通過張力動測儀測出與T相對應的吊桿1 看出lj0與L1有很好的線性相關(guān)關(guān)系,lj0L1比值大約在98%左右。如果以0198L1作為第1次識別值lj0的修正值,并以

20、此代入公式(6)可計算出相應的計算張力值 T1。由表4中的計算張力值與初始實測張力值的比較值 可以看出,兩者比較吻合,誤差約在-216%+6%。 因此,在吊桿減振器安裝以前,吊桿計算長度可取lj0=0198L1,即與吊桿的上、下錨固點之間的距離相當接近。 213高阻尼減震器對張力測試的影響 由于吊桿在風、,極易產(chǎn)生各。,甚至使人們,南河大橋在吊桿。為了獲得安裝減振,需要識別吊桿減震器對張力測試的影響。 下面對減震器系統(tǒng)對吊桿計算長度值影響予以識別。假定吊桿在安裝減震器前的狀態(tài)記為0狀態(tài),并假設以式(2)計算張力,則有: T0= g fl 2102j0 CC1-21206-01552 f10f1

21、01-21206-01552 f11f11 ,(7) 減震器安裝后的狀態(tài)記為1狀態(tài),則有 T1= 階自振頻率f1,如表2所示。假定利用式(2)計算張力,可以利用該式通過迭代法識別參數(shù)l,則有計算張力: T= g fl 2 112j1。(8) g fl 212j0 1-21206-01552 f1f1 ,(6) 如表5為減振器安裝前、后吊桿固有頻率表。假 定減震器的安裝過程對張力的影響忽略不計,則有T0=T1。依據(jù)式(7)、(8)關(guān)于lj1的方程,可求出高阻尼減振器對吊桿計算長度的影響,即最后安裝減振器以后采用的吊桿計算長度值,參見表6。 表5安裝阻尼器前后吊桿1階自振頻率 Tab15Thefi

22、rstordernaturalvibrationfrequencybeforeand afterdamperinstallation 吊桿編號2345678910 f10Hz715986119551292413104117431390317003129921955f11注:f10和f11分別為安裝阻尼器前后吊桿固有基頻 式(6)是以吊桿計算長度l為變量的方程,可以很方便地計算出lj0,參數(shù)識別成果如表4所示。 表4吊桿計算長度的第1次識別值l0及計算張力值T1 Tab14Thefirstidentificationl0ofcalculationlengthandcalculation tens

23、ionT1ofhangerrods 吊桿 編號 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Lj0m101851416117195201532218524153251532612926152L1m111271419718118201892311024182261052617927104L%9613L1L1× 97159817981398199818981098119811 表6安裝阻尼器前后吊桿計算長度識別值l1 Tab16Theidentificationvalueofcalculationlengthl1before andafterdamperinstallation 吊桿 編號 L

24、j0m111041416717181201472216424133251532612526149Lj1m91681318316183181912111222175241042416724147L2m91164121 935161204181970211233221993241250251005251256 L%105161061810318L2 98% T0kNT%T0 111041416717181201472216424133251532612526149 2 3 T1kN277133141130316307153021630516309193081830913 260106 310101

25、13 3109719 3109912 3109716 3109816 3109919 3109916 3109918 45678910 在初步對吊桿計算長度lj0進行識別以后,再把該識別長度與上、下錨固點之間的距離L1進行比較,可以 991799149819991198169619 第1期 73 由表6可知,安裝減振器以后的吊桿計算長度Lj1與拱肋中心點到系梁中心點之間的距離L2比較接近,即可取lj1=L2。3吊桿張力實測比較 吊桿 編號 表9系桿第3批預應力張拉后吊桿張力 Tab19Thetensionofhangerrodsafterthethirdgroup prestresstendo

26、nstretchingintiedbeam 2 3 4 5 6 7 8 9 10 運用上面介紹的吊桿張力測試方法,對南河特大 橋施工全過程中吊桿張力進行測試。在每個施工工況結(jié)束后,都對吊桿張力進行測量,并與計算值對比,以便在施工中及時發(fā)現(xiàn)問題,并盡早解決?，F(xiàn)將下游幅橋若干施工階段部分吊桿的張力監(jiān)測值與計算值列出,如表7、表8、表9所示。 表7拆除系桿支架后吊桿張力 Tab17Thetensionofhangerrodsafterremovingthe bracketoftiedbeam 吊桿 編號 2 3 4 5 9 基頻 61890514934173031730316002195631210

27、3108021610Hz實測張 471 力kN計算張 503 力kN 617581 710655 584537 747703 551553 731686 700647 532498 比值%931610612108141081810613996106161081210618 ,。 (,對于計算跨徑在130m以下的系,錨固端對吊桿的剛度約束較大,吊桿張力測試計算時其兩端邊界條件按固結(jié)處理較合理。 (3)研究表明,在吊桿的減振器安裝前,吊桿計算長度與上、下錨固端之間的距離L1很接近,實際可取計算長度l0=0198L1;在減振器安裝以后,吊桿計算長度與拱肋中心點到系桿中心點之間的距離L2很吻合,實際可取計算長度l0=L2。 (4)通過現(xiàn)場張力標定,提出吊桿若干參數(shù)的識 基頻 6122041217409901240216902150011930Hz實測張 352 力kN計算張 372 力kN 430395 425445 281316 500473 295318 495452 439417 274271 比值%9416108199515881910517921