斜拉桥索力测试方法及其发展趋势

斜拉桥索力测试方法及其发展趋势黄尚廉唐德东重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044摘要：索是斜拉桥的主要受力构件之一，它的受力状态是桥梁安全与正常使用的重要指标。

监测桥索的索力对于及时反映桥索的工作状态和调整桥索的结构内力是极为重要的，从而有效防止桥索的偏载和维护桥梁的运行安全。

本文综述了常用索力测试方法，并分析了每种方法的基本原理和优缺点，指出它的发展趋势和需要研究和解决的问题。

关键字：桥索；索力；频率；磁弹效应Method of measure cable stress and trend of developmentHuang Shang-lian Tang De-dongThe Key Lab for Optoelectronic Technique and System, Ministry of Education, Dept. of OptoelectronicEngineer, Chongqing University, Chongqing 400044 Abstract: Steel cable is one of components which supports stress of cable stay bridge, which tense state is important index of bridge safety and nature use. In order to effectively avoid deflection load of cable and maintain bridge safe of using, monitoring cable tense stress state parameters is very important to feedback cable working states in time and adjust cables tense stress. This article present method of measure cable stress in common use, analyze its ultimate principle and its merits and defects, and point its development trend and problem of solving.Key words: bridge cable; cable tense; frequency; magnetoelastic phenomenon1引言随着人类生产生活水平的提高，对大跨度桥梁的建设需求越来越迫切，加上建桥技术和高强度材料的日益发展，斜拉桥逐步有能力胜任对大跨度发展的要求。

如国内外已建的斜拉桥中，它们的跨度分别为：法国诺曼底桥856m，日本多多罗大桥890m，上海杨浦大桥602m，南京长江第二大桥628m，这些已向人们展示了斜拉桥强大的跨越能力。

斜拉桥为高次超静定结构，它依靠斜拉索为主梁提供弹性约束，桥跨结构的重量和桥上活载绝大部分或全部通过斜拉索传递到塔柱上，因此，索是斜拉桥的主要受力构件之一，它的受力状态直接影响斜拉桥本身的健康状态。

由于在斜拉桥施工或成桥后的日常使用过程中，存在各种误差和偶然因素的联合作用，将使索的结构内力和线形偏离正常状态，因此及时监测斜拉桥索的受力状态是非常重要的，已成为斜拉桥健康监测的重要内容之一。

索力测定目前国内外一般采用4种方法[1]：(1)压力表测定；(2)压力传感器测定；(3)频率测定法；(4) 磁弹效应法。

因此，如何选用合高等学校博士学科点专向科研基金资助：20030611023 理有效的测试方法对斜拉桥施工监控和成桥后的健康监测具有重要意义。

2常用测试方法的原理及其优缺点2.1 压力表法用千斤顶张拉桥索时（如图1），通过精密压力表或液压传感器测定油缸的液压，就可求得索力[1][2]。

这种方法简单易行，是施工中控制索力最实用的方法，其精度可达1%～2%。

它可以用在斜拉桥施工过程中对索力的调整，但由于压力表本身的一些特性，有指针易偏位，高压时指针抖动激烈，读数人为误差大，负荷示值需转换等缺点，不可用于成桥后的动态索力监测。

图1 千斤顶张拉斜拉索示意图2.2 压力传感器法它的测量原理是在桥索固定锚头与桥体混泥土之间加上垫板和承压环（如图2所示），那么桥索所受的拉力将全部作用在承压环上，承压环将产生应变，只要测出承压环的应变量，就可推算出索力。

目前国内外用于测量承压环应变的传感器主要有电阻应变式传感器、振弦式应变传感器、光纤应变传感器等等。

该方法即可用于施工过程中对索力的测量和调整，也可用于成桥后对索力的远程测量和在线监测。

(1) 电阻应变式传感器电阻应变式传感器是应用最广泛的压力传感器，其原理是：将电阻应变片粘贴在图2中的承压环外表面上（图3所示），在索力作用下，承压环产生弹性变形，电阻应变片的阻值将随之改变，将其接到惠斯登电桥电路中，在激励电压的作用下，输出端便有与索力成正比的电信号输出[3]。

该传感器可以测量作用在锚索的总荷载，同时通过测读各传感器，可以测出不均匀或偏心荷载分布情况。

但电阻应变式压力传感器的最大问题是粘合剂问题，它的作用是将弹性体的变形准确无误的传递到应变计的电阻敏感栅，其性能的优劣直接影响应变计的工作特性，如蠕变、机械滞后、绝缘电阻、灵敏度，非线性等。

而对于某一粘合剂而言，如果其抗剪切的强度高，收缩率就会大，抗冲击性就差；如果韧性好，固化时间就长。

因而选择各项性能均好的粘结剂尤为困难[4]，此外在高温下粘合剂固化困难，粘贴操作又较复杂，这就制约了电阻应变式压力传感器的精度、线性度及使用范围。

(2) 振弦式应变传感器针对电阻应变片式的缺点，人们开发出振弦式传感器来代替应变片，在性能上提高了不少。

其原理是：在承压环上内置 3、4 或 6 个高精度振弦，每个振弦处在一个磁场中（如图4），振弦在激励信号下振动的同时将切割磁力线产生感应电动势，感应电动势的频率就是振弦的振动频率。

当承压环受压时，它的变形将改变振弦的张紧状态，从而改变振弦的振动频率和感应电动势频率，所以测量振弦的感应电动势频率就可算出索力[5][6]。

振弦振弦承压环图2 压力传感器法测量原理图4振弦传感器测量原理该传感器与应变式一样，既可以测量锚索的总荷载，也可以测量偏心荷载。

但由于振弦式本身原理的缘故而导致尺寸比较大、安装不方便，使用寿命不长，并且容易受到电磁场的干扰，如手机、通信基站、发电厂等电磁场源会明显干扰测试结果，致使测量结果可靠性降低；另外振弦式传感器不能串联使用，不能进行动态响应和动态测量，不易于构成检测网络，如果组网的话，传输信号的电缆非常多，这将直接导致工作量的剧增，并影响测量结果的准确性。

(3) 光纤应变传感器最近发展起来的基于光纤Bragg光栅(FBG)的新型应变传感器是一个新的发展方向，具有较高的可靠性。

图3 电阻应变片粘贴于承压环外表面其工作原理是[7][8]：将光纤光栅刚性粘贴于承压环外表面上(沿圆周方向或母线方向均可)（如图5），组成穿心式传感头，该传感头安装在斜拉桥锚具和索孔垫板之间，传感头承受桥索的索力。

当光源发出的宽带光经光纤传输到被测量点，光栅有选择性地反射回一窄带光，经光分路器传送到波长鉴别器或波长解调仪，然后通过光探测器进行光电转换（如图6）。

传感头受压时，引起FBG中心波长发生相应移动，通过对波长移动量的监测，就可以计算出斜拉索的索力。

若忽略温度和应力的交叉敏感现象，且光纤的材料为石英，光纤光栅布拉格波长漂移与应变和温度的关系用下式表示：()T 780z bbΔξαελλΔ++=. （1） 式中，λb 是光栅Bragg 反射波长；Δλb 为外界应力和温度作用下光栅Bragg 波长的移动量；α和ξ分别为光纤的热膨胀系数和热光系数；ΔT 为温差；εz 为光纤的轴向应变。

因此，如果用参考光纤进行温度补偿，那么通过检测Bragg 波长的移位即可测得应力。

如果将光纤安装在如图2中的垫板上可以组成垫板式光纤应变传感器[9]（图7所示）其原理为：用半导体激光器向测量光纤输入具有一定强度的激光信号 I 0，此信号经过光纤时，会因光纤的微弯变形而发生衰减，从激光测量器可测出衰减后的光纤信号 I 0-△I 0，因为衰减信号△I 0为△I 0 = a×I 0×ε （2）式中 a ：传感器的固有常数ε：光纤的微弯应变量 又因为索力 F ：:F = b×ε （3） 式中 b ：换算常数所以，可利用式（2）和式（3），计算出索力。

光纤应变传感器具有适应恶劣环境能力强（防潮，防温漂，抗电磁干扰）；质量轻，体积小，对结构影响小，易于布置；可串联分布，易实现分布式测量；灵敏度高，精度高；测量值空间分辨率高等优点，但和电阻应变式一样，存在粘合剂问题，且只适用于新安装的锚索，对于许多己安装好、正在投入使用的锚索，不可能为安装该传感器而把锚索拆掉重新安装。

图5光纤光栅粘贴于承压环外表面 2.3 振动法（频率法）2.3.1 原理利用索的力学参数，可建立索的结构模型，对模型进行模态分析，可得到斜拉索索力与频率的关系，图8表示斜拉索及其坐标系，现假定:（1）垂跨比δ=ｄ/l 很小(δ<<1)；（2）拉索只在xoy 平面内振动，其在ｘ方向的运动很小，可忽略不计，另设在ｙ方向的挠度为u (x ,t )；（3）当垂跨比δ=ｄ/l 小于1/6时，用抛物线代替悬链线具有足够的精度，于是拉索的形状可用抛物线来表示[10,11]。

图6 光纤Bragg 光栅分布式传感系统原理图图8 斜拉索及其特性缆索在张紧的状态下,其自由振动方程为[12,13]：0222244=∂∂+∂∂−∂∂t u x u T x u EI ρ （4）式中，ｘ为沿缆索方向坐标，ｕ(x ,t )为缆索上各点在时刻ｔ的横向位移（即y 方向位移）；EI 为缆索的抗弯刚度；Ｔ为索拉力；ρ为缆索的线密度。

上述方程，对于不同的边界条件模型，得到不同的解，其对应的索力计算公式的精度也图7垫板式光纤应变传感器不同[14]。

假定缆索的边界条件为两端铰接，则上述方程的解为[11]：2222224L EI n n f L T n πρ−= （5）式中，ｎ为缆索自振频率的阶数，ｎ=1、2、3……；f ｎ为缆索的第ｎ阶自振频率；Ｌ为缆索的计算索长。

如果忽略缆索弯曲刚度的影响，式（7）变为：2224nf L T n ρ= （6） 所以，利用精密拾振器，拾取拉索在环境振动激励下的振动信号，经过滤波、放大和频谱分析，再根据频谱图来确定拉索的第n 阶自振频率，利用（6）式确定索力。