吊索的高度如何确定（如何打破吊索索力识别的盲区）

小君 2023-06-30 03:55:14 927

吊索的高度如何确定（如何打破吊索索力识别的盲区）为解决这一难题，国内外学者做了大量研究。日本学者Shimada提出，短索振动频率法测张力需要考虑弯曲刚度的影响；Hiroshi Zui提出了基于振动频率法，考虑弯曲刚度和垂度的经验公式；Zui H提出用Kalman滤波法并根据激振锤等外界条件引起的振动识别吊杆张力；任伟新、陈刚采用能量法和曲线拟合法，建立考虑垂度和抗弯刚度影响的计算公式。但采用传统振频法进行短索索力测试时，频率识别精度、抗弯刚度及边界条件，对测量结果准确性影响很大。研究表明，对于短索，简化公式不能获得工程上满意的结果。而抗弯刚度和边界条件无法测量，故在利用基频换算索力的公式中，即使考虑了抗弯刚度和边界条件的影响也无法准确计算索力。研究表明，我国拉吊索病害发生在建成后6～15年，换索桥梁的拉吊索平均寿命为11.8年，其中短吊索（主要是20m以下）的寿命更低。索力检测主要有液压法、光纤光栅法、压力环法、振频法、磁通量法，如表

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目前，运营状态下悬索桥吊索索力准确识别是桥梁养护监测、检测的一项重要工作，也是吊索安全评估的依据。其中，短吊索由于弯曲刚度和边界条件的影响，传统检测方法往往精度不高。本文以马鞍山长江大桥为工程背景，探讨改进振频法在短索检测中的应用技术，通过提高采样频率、优化测点布置、增加测点数据量、结合滤波与加窗函数等手段，提高识别精度。

桥梁养护的盲区

悬索桥吊索是将外荷载传递到主缆的传力构件，是联系加劲梁和主缆的纽带。在桥梁运营阶段，吊索往往由于腐蚀和振动等原因产生损伤。因吊索、杆件结构局部破坏而引起的全桥或部分节段垮塌事故时有发生。运营状态下短吊索内力的准确识别，是索结构安全评估和养护维修的重要依据。由于技术方法制约，测不准或不好测是桥梁养护的一个盲区。

研究表明，我国拉吊索病害发生在建成后6～15年，换索桥梁的拉吊索平均寿命为11.8年，其中短吊索（主要是20m以下）的寿命更低。

索力检测主要有液压法、光纤光栅法、压力环法、振频法、磁通量法，如表1所示。上述方法中，目前只有液压法、压力环法和振频法在现场测试中得到了广泛应用。其中，液压法仅适用于正在施工中的吊索索力的测试；压力环法安装条件复杂；振频法具有简便、易实施，同时适合施工和运营阶段等优点，应用最为广泛。

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但采用传统振频法进行短索索力测试时，频率识别精度、抗弯刚度及边界条件，对测量结果准确性影响很大。研究表明，对于短索，简化公式不能获得工程上满意的结果。而抗弯刚度和边界条件无法测量，故在利用基频换算索力的公式中，即使考虑了抗弯刚度和边界条件的影响也无法准确计算索力。

为解决这一难题，国内外学者做了大量研究。日本学者Shimada提出，短索振动频率法测张力需要考虑弯曲刚度的影响；Hiroshi Zui提出了基于振动频率法，考虑弯曲刚度和垂度的经验公式；Zui H提出用Kalman滤波法并根据激振锤等外界条件引起的振动识别吊杆张力；任伟新、陈刚采用能量法和曲线拟合法，建立考虑垂度和抗弯刚度影响的计算公式。

有学者提出利用多个高阶频率来消除未知抗弯刚度和边界条件的影响，但根据实际工程经验可知，一般短索的高阶频率难以测量，通常只能测到基频，故这种方法也较难实际应用。用标定方法解决抗弯刚度和边界条件只能在特定环境下进行，不具有通用性。本文通过提高采样频率、增加测点数据量、滤波、加窗函数、不同计算方法等手段提高识别精度，分析适用性。

振频法的四项改进

振频法通常采用加速度传感器采集吊索振动的时程数据，并由此识别索的振动频率，然后通过吊索索力与其固有频率之间的特定关系来确定索力。对于振频法的改进涉及4个方面的内容：采集参数、测点布设、激励方式、计算公式。

（1）采集参数的设置

采集参数的设置主要涉及采样频率、采样点数、衍生的频率分辨率这3个指标。

对于采样频率的设置，根据采样定理，只要采样频率大于或等于有效信号最高频率的两倍，采样值就可以包含原始信号的所有信息。但工程经验表明，采样频率一般不低于被测试模型所关心频率的5-10倍，才能在频域分析时较好地避免频率混淆。短索的振动频率通常在0.5Hz至200Hz之间，故采样频率设为2000Hz能满足工程需求。在现场实测时，考虑到信噪比等因素，为使分析结果满足一定的置信度，如按采样时间设置，可取采样时间大于3分钟；按采样点数设置，可取为8192点。

（2）传感器的选取与布设

对固有频率的测试，是通过测试短索振动信号实现的。目前可采用的信号包括动态位移、速度和加速度。因加速度测试技术最为成熟，且具有简单方便、成本较低等优点，故通常利用加速度测试信号实现吊索固有频率的测试。

在文献《基于振动测试的斜拉桥索力识别研究》中，通过将加速度传感器布置在索端部、1/8处、1/4处和1/2处，来验证传感器在不同位置所采集到的频率是否一致。试验过程中，在每根吊索上都布置四个传感器，传感器布置如图1所示。

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图1 传感器布设位置

当传感器布置在吊索的1/4和1/8处时，获得的功率谱是比较理想的，索的一、二阶频率对应的幅值都很明显。因此，可以准确获得索的一、二阶频率。所以，在实桥测试时，把传感器布置在吊索的1/4和1/8处，不易受到测试噪音的影响。

当把传感器布置在索的1/2处时，一阶频率对应的幅值相当明显，可以很容易识别出索的基频，但对于索的二阶频率无法通过功率谱获得，从而出现明显的“漏频”现象。这是因为索的1/2处是偶数阶振型的模态点。当索作奇数阶振动时，测得的响应最大；当索作偶数阶振动时，这点的响应趋近于零，导致功率谱上偶数阶振动频率的峰值不明显，从而无法捕捉到该阶频率。

综上所述，在吊索的1/2处布置传感器可以最有效地获得吊索的基频；在吊索1/4和1/8处的传感器所获得的信号也较好；在吊索端部所获得的信号较差，因此不建议把传感器布置在吊索端部。但由于吊索1/2处布置传感器难度较大，而在吊索1/4和1/8处布置传感器的难度相对较小，并且此处吊索频率的幅值也较大，也能容易地获得吊索的频率，因此在实桥测试中，建议将传感器布置在吊索的1/4和1/8处。

（3）激励方式的选取

实桥测试时，激励方式可分为人工激振和环境激振。

对于长度较短的吊索，工程实践表明，单纯通过风载等环境激励并不能对其进行有效激振，需要借助一些辅助激励方式，通常分为力锤激励和人工外力敲击。

选用力锤施加脉冲激励时，通常同时采集加速度传感器和力锤的响应。该方式的缺点在于力锤作为激振设备，需要占用额外的采集通道；优点在于能够采集输入和响应信息，形成频响函数，以便较为精确地识别短索的频率。

人工外力敲击即选用橡皮锤或小木棒等工具敲击吊索，相当于施加一个脉冲激励。该方式的优点在于无需采集激振力的信息，只要一个通道采集加速度传感器的响应即可，方便且经济。缺点在于无法形成频响函数，无法采用传统的模态识别方法识别频率。但随着基于工作模态识别方法的大力发展，无需频响函数也能较好地识别结构的频率。

在不同位置对吊索进行激励时对吊索频率识别有一定的影响。当激励发生在吊索端部时基频在功率谱上相对应的反应很小从而较难识别吊索的基频。随着激励位置的不断接近中部基频在功率谱上的反应也越来越明显，当激励发生在吊索中间时基频在功率谱上相对应的反应很明显因此可以准确地获得吊索的基频。故为了更好获得吊索的基频应该尽可能选择接近中部的激励点进行激励。

（4）短吊索索力简化计算公式

振频法的精确性主要取决于拾振技术的精度和索力计算公式（包括各参数的识别）的准确性。现代测量技术可将频率的误差控制在万分之一左右，固有频率的精度得以保证，因此振频法的精度主要取决于索力计算公式的准确性。针对30m以上长索采用两端铰支索力计算公式、10m～30m短索采用一端铰支一端固支索力计算公式、10m以下短索采用两端固支索力计算公式，通过1阶和2阶固有频率换算关系消除吊索刚度的影响，具体如下——

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式中：m为索的线密度，109φ5按规范取18.1kg/m；l为斜拉索的索长，针对短索取外露吊索长度，l=L-a1-a2，其中L为吊索销轴中心有应力长度，上锚头长度a1，下锚头长度a2；f1为斜拉索的第1阶自振频率；f2为斜拉索的第2阶自振频率。

便捷、适用的短索检测

上述检测方法，在马鞍山长江大桥的索力检测中得以应用。

马鞍山长江大桥连接马鞍山市和巢湖市和县，在马鞍山江心洲处跨越长江，距上游芜湖长江大桥约27km，距下游南京长江三桥约46km，于2013年12月31日通车运营。左汊悬索桥为2×1080m三塔两跨悬索桥，边主跨比为0.33，主跨主缆矢跨比为1/9。加劲梁两跨连续，采用流线型扁平钢箱梁；三塔等高，其中中塔为钢—混叠合塔，塔梁固结，两边塔为混凝土塔。

吊索采用预制平行钢丝束，为销接式吊索，索距为16.0m，标准索由109根φ5.0mm钢丝组成，吊索材料为预制镀锌高强钢丝束，钢丝极限抗拉强度σ=1670 MPa，吊索构造如图2所示。

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