斜拉桥索力测试方法

斜拉桥索力测试方法
1.引言
索力测试无论是在斜拉桥的建设过程中还是在其日常维护检测中都具有举足轻重的地位。

索力是否处在合理的范围内将直接影响结构的整体受力状态和线形的平顺程度，所以对拉索的索力进行定时的测试是斜拉桥、下承式拱桥和悬索桥等带索桥梁日常维护的重要内容。

经实践验证，进行索力测试时，不同的测试方法和不同的工程也存在较大的差异，这是由于不同的索力测试方法所需的计算参数不能准确测定，不同工程也因其具有自身特点和各异的环境因素所致。

索力测试前必须选定合适的测试方法，考虑到影响测试精度的各种因素，例如影响振动法测试精度的因素有：仪器、计算模式、边界条件、索长、外界环境、斜度以及垂度等。

当这些因素在索力测试时如果处理不当则会对测试结果造成不小的误差。

所以，对不同的索力测试方法及其影响因素进行分析显得格外重要。

2.索力测试方法
2.1千斤顶压力表测定法
现阶段斜拉桥的施工现场，斜拉索均使用千斤顶张拉，其原理为：千斤顶张拉油缸中的液压和斜拉索的拉力有直接的关系，所以我们可以根据精密压力表或液压传感器测定油缸的液压，然后就可根据液压反推出索力。

但此法现阶段还存在以下缺陷：
（1）当拉索安装完成后，若还想用此法来测试索力将会变的十分困难和不便，工程量也很大。

（2）千斤顶在张拉过程中对拉索的锚杆螺纹会产生很大的损害。

（3）此法所得到的索力值只能代表张拉端的局部索力，不能代表整跟拉索的索力大小。

（4）在测试之前需要事先标定，如果标定粗糙，误差将会很难控制。

2.2 压力传感器测定法
该方法一般与振动法联合使用，可作为对振动法测定索力结果的一种校核，已安装的传感器还可以在成桥后的运营阶段连续测定索力值，还适用于成桥后运营状态下的索力长期监控。

压力传感器测定法的原理是永久安装压力传感器在斜拉索的锚固端或张拉端，传感器的感应锚头的压力与斜拉索的索力成一定的比例关系，所以可通过传感器感应锚头的压力来反算斜拉索的索力，此法测量结果精度高，而且索力在索中的位置明确。

但压力传感器测定法现在还存在以下缺陷未能解决：（1）压力传感器的造价高，其自身质量也很大，所以会给施工造成一些不便。

（2）测量的索力值具有一定的局限性，它只能代表索头的张力，不能代表整索的实际索力值。

特别是如果在张拉过程中发生拉索在某位置被卡住的情况时，测量结果会出现端头索力很大，而拉索中部索力却较小的情况，此时若用此方法会得出错误的测量结果，并且这种情况在斜拉索的张拉过程中并不少见。

特别是成桥后拉索如果安装上阻尼减振装置后，这种方法所测索力值的误差将会更大。

况且现阶段压力传感器的耐久性还未在实际工程中得到有效验证。

所以，这种方法虽然测定的精度较高，但由于其还存在以上缺陷，因而此法往往要和振动法联合使用，作为对振动法测试结果的校对，有时也只能在特定场合和特定的某根拉索下使用。

2.3电阻应变片测定法
该方法属于早期测定索力的方法，其原理是直接在拉索上粘贴应变片，通过测量应变后，然后根据应变和应力之间的关系来直接求出索力。

由于此方法存在以下缺陷：1）应变片不易防护，贴片存活率低；2）因拉索张拉后伸长量较大，零点的选定需要十分慎重，否则容易超过量程范围。

因以上缺陷现阶段此方法已经较少使用。

2.4磁通量测定法
磁通量法测索力的原理为：当给磁通量传感器通入电流时，在激磁线圈中会引起磁化力。

根据电磁感应原理，就会在构件纵向产生磁场，进而在测量线圈中产生感应电压。

当磁心的磁通量渗透变化时，输出电压也就会相应发生变化，所以，可通过输出的电压值，就可以测得磁心的外加力，铁磁材料的磁通量渗透系数与应力、温度、外加磁场强度有关，其表达式可表示为：
（1.1）
式中：A0为EM传感器线圈的有效横截面面积；Af为拉索的横截面面积；，V out，V为采集线圈中有钢丝和无钢丝时的感应电压；H为根据工作需要外加的磁场；R为拉索的应力；T为温度[30]。

将磁通量渗透系数按泰勒级数展开后，如果当应力为某一定值时可得到式（1.2）：
（2.2）
m1，m2可从室温下的标定曲线中得到，L（0，0）和A1均可从拟合曲线中得到，在现实工程应用中，只需通过测量参数L，就可以推算出拉索的实际拉力[30]。

2.5振动频率测定法
斜拉索在各种环境因素的作用下通常会激发起微小的振动，如果通过使用高灵敏度的拾振传感器及其相应的数据采集设备和分析软件，由结构的振动分析出若干阶自振频率，最后由索力与其自振频率、边界条件、刚度等的关系式通过频率来反算索力。

该方法具有测定简单、方便、快捷、测试设备可重复使用等突出优点，成为了现阶段工程界最受欢迎的索力测量方法之一。

其频率的测定方法有接触式测量和非接触式测量两种[30]。

（1）接触式测量
接触式测量主要是给拉索的相应位置安装加速度传感器，通过环境或人工激振使斜拉索开始振动，再利用相应的数据采集仪器，识别拉索的振动数据，使用相关的软件对数据进行接收、分析、处理，最后得到斜拉索的振动频率，然后再根据频率与索力的关系式反算索力，采用此种方法得到的基频具有较高的精度，但是由于其在测量基频时需要进行复杂的布线，而且往往会因现场实际测试条件的限制，传感器常常不能安装在其合适的位置，所以这也会给测量结果造成一定的误差[30]。

（2）非接触式测量
非接触式测量拉索的振动频率，是利用激光技术的远程检测方法，通过激光发射和接收装置实时监测斜拉索的随机振动，并通过相应的程序分析出斜拉索的振动频率，从而根据索力与振动频率的关系式再反算出索力，此方法属于无损检测，不需布置传感器，又由于不需在拉索上进行繁琐的布线，所以它也是一种无线检测方法，比接触式测量方法方便，它也属于一种远程检测方法，所以特别是对于测试一些传感器难以安装的长索的振动频率时，应用此方法将变得极为方便，最后必须指出非接触式测量只能实现即时测量，不能对斜拉索进行长期的频率监测，所以它也有自己的局限性[30]。