斜拉桥索力测试及应用

1 引言
斜拉索的索力是斜拉桥设计的一个重要参数，在施工和维修中要准确控制索力。

迄今为止，测定索力普遍采用下述四种方法：
1.1 压力表测定
当前，拉索均使用液压千斤顶张拉，无一例外。

由于千斤顶张拉油缸中的液压和张拉力有直接关系，所以只要测定张拉油缸的液压，就可求得索力。

由液压换算索力的办法由于其简单易行，因而是在施工过程中控制索力最实用的一种方法。

1.2 压力传感器测定
斜拉索张拉时，千斤顶的张拉力通过连接杆传到拉索锚具，如果在连接杆上套一个穿心式的压力传感器，张拉时处在千斤顶张拉活塞和连接杆螺母之间的传感器，在受压后就输出电讯号，于是就可在配套的二次仪表上读出千斤顶的张拉力。

压力传感器的售价相当高，特别是大吨位的传感器就更贵，自身质量也大。

因此，这种方法虽然测定的精度高，却只能在特定场合下使用。

1.3 频率法
索的张拉和频率之间存在一定关系。

对于柔性索：
式中：w —— 单位长度索重；
L —— 索长；
f
n
—— 第n阶自振频率。

对于两端铰接的刚性索：
式中：EI —— 索的弯曲刚度。

实际上，工程结构中的拉索，并不处在绝对静止的状态，而是时刻发生着随机振动。

只是这种振动不那么明显，而且各阶频率混在一起，要用精密的拾振器才能发现，通过频谱分析，根据功率图谱上的峰值，才能最后判定拉索的各阶频率。

频率既得，即可据此求算索力。

现有的仪器及分析手段，测定频率的精度可达到0.005Hz。

通常拉索的端点并未作铰接处理，在靠近端点处还常安装减振圈，而拉索自身又或多或少具有一定的弯曲刚度。

因此，拉索的计算长度L将稍短于拉索的实际长度
L
，需要适当给予修正。

具体应视拉索和锚具的构造及减
振器安装的位置而定。

如直接将索长L
代入公式，所得索力必然偏大。

斜拉桥的索力测试及应用
王力强1 刘经伟2
（1.嘉兴学院，浙江 嘉兴 314001；2.云南省交通规划设计研究院，云南 昆明 650021）摘 要：斜拉索的索力大小直接决定着斜拉桥的工作状态。

采用准确的方法进行合理的索力测试是保证斜拉桥顺利施工和安全运营的必要手段。

本文针对目前斜拉桥索力测试中常用的方法及其原理进行了阐述和比较,并结合工程实践重点介绍振动频率法在斜拉索的索力测试中的应用，并将测试结果与设计进行对比，评价桥梁的健康状况并提出进一步的维修和保养意见。

关键词：斜拉桥；索力测试；振动频率法；维修保养
中图分类号：U448.27 文献标识码：A 文章编号：1671-8089（2012）05-0008-04
Cable Force Measurement and Application of Cable-stayed Bridge
WANG Li-Qiang1 LIU Jing-wei2,
(1. JIAXING UNIVERSITY, 314001 ；2.YUNAN DESIGN INSTITUTE Yunnan,Kunming 650021)
Abstract: The cable force directly determines the working state of cable-stayed bridge. The accurate method for rational cable force test is to ensure the smooth construction of cable-stayed bridge and the safe operation of the necessary means. This article in view of the present cable force of cable-stayed bridge tests commonly used in the method and its principle are described and compared, and combined with the engineering practice, introduces the vibration frequency method of cable force measurement in the application, and the test results are compared with the design, evaluation of the health state of the bridge, and put forward the further repair and maintenance views.
Keywords: Cable-stayed bridge; Cable force measurement; Vibration frequency method; Repair and maintenance
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因此，用频率法测定索力时，首先要精确测定频率，特别是低阶频率，能测出一阶频率更好。

其次，要准确设定拉索的计算长度。

利用频率法测定索力时，要得到精确结果，存在上述种种困难。

但由于对某一根索而言，其索长、索重在若干次平行测定中均不会改变。

因此，只要能精确测定频率，还是可以从前后两次频率的变化中，求得索力的变化。

所以需要测定活载对索力的影响时，利用频率法是有效的。

频率法测定索力，设备均可重复使用。

当前的电子仪器也日趋小型化，整套仪器携带、安装均很方便，测定结果也可信。

因此，如需要对索力进行复测，频率法几乎是惟一选择。

1.4 磁通法
用磁通量法测定斜拉桥的索力国外应用较多, 多座实际桥梁结构的安全检测表明效果很好，但我国斜拉桥上采用此法的实例还很少，技术也不够成熟。

磁通量法是利用放置在索中的小型电磁传感器测定磁通量变化, 根据索力、温度与磁通量变化的关系，推算索力。

该法所用的关键仪器是电磁传感器（E—M传感器），这种传感器由两层线圈组成，除磁化拉索外，它不会影响拉索的力学及物理特性。

对任一种铁磁材料，在实验室进行几组应力、温度下的试验，建立磁通量变化与结构应力、温度的关系后, 即可用来测定由该种材料制造的拉索索力。

2 工程应用
2.1 工程概况
某公路桥梁于1993年11月动工兴建，1996年5月正式通车运营。

桥梁全长652.17m，共4跨，跨径组合（20＋149＋330＋149）m；桥面净宽18m（净15m＋2×1.5m人行道）。

主桥为3跨双塔双索面斜拉桥，采用塔梁分离式悬浮体系，见桥梁立面图1及桥梁主桥结构形式表1所示。

表1 大桥基本概况
项目分项基本概况
主
桥
结
构
主梁
采用塔梁分离式主梁，预应力砼双纵梁肋板式断面，
梁高2.3m，板厚25cm，每6m设一道厚25cm横隔梁。

索塔
索塔塔柱：为倒Y型，箱形断面，塔柱高115m。

下
塔柱高26.5m，横向宽5m，厚0.8m，纵向由上至下
由6m渐变到8m，壁厚1m；中塔柱高55.5m，横向宽
3m，壁厚0.8m，纵向宽6m，壁厚1m；上塔柱高33m，
为拉索锚固区，横向宽4m，壁厚0.75m，纵向宽6m，
壁厚1m。

中塔柱与下塔柱交界位置设高5m、顶宽6m、
底宽6.188m的预应力混凝土箱形横梁。

索塔主墩：1号高42m，2号高41m，均为空心墩，墩
身上、下游侧均设置实心分水尖。

主墩基础：明挖扩大基础，置于新鲜完整砂岩中。

拉索及
锚头
拉索：双索面扇形布置，边跨和中跨各设26对，塔
中设一对，全桥共106对、212根。

边跨外边4对为
索距0.7m密索，其余索距为6m。

采用PE防护。

锚头：冷铸墩头锚。

辅助墩
两边跨各设1处辅助墩，2m直径挖孔桩基础，嵌岩深
度4m。

支座
GPZ10000DX盆式支座：用于桥台，共8套。

GPZ6000DX盆式支座：用于桥台，共8套。

四氟板式橡胶支座：用于主梁与塔柱间，共4个。

桥台钢筋混凝土台，明挖基础，置于弱风化砂岩上。

2.2 构件编号说明
全桥斜拉索共分8个区域及4根27号斜拉索。

8个区域分别描述为：2号塔上游边跨斜拉索、2号塔下游边跨斜拉索、2号塔上游中跨斜拉索、2号塔下游中跨斜拉索、1号塔上游边跨斜拉索、1号塔下游边跨斜拉索、1号塔上游中跨斜拉索、1号塔下游中跨斜拉索。

主塔至中跨跨中为1～26号拉索；主塔至梁端为1'～26'号拉索；主塔中心为27号索（见图2）。

2.3 斜拉索索力检测方法
斜拉索索力测试采用动测法。

动测法是根据振弦原理，将传感器固定在拉索上，采用人工激振，测定斜拉索的若干阶自振频率，由索力与其对应阶自振频率的关系求
图1 桥梁立面图（单位：cm）
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出索力值。

频率与索力的关系式为：式中：p —— 索力，l —— 索长，f n —— n 阶自振频率，m —— 单位索长质量。

现场检测使用DH610速度传感器和DH9522动态信号测试分析系统进行数据采集分析，见照1和照2所示。

照1 速度传感器 照2 动态信号测试分析系统
2.4 测试结果与结果分析
在现场测试条件均相同（相同测试环境、气候条件，
同一仪器设备和同一测试人员）的情况下，本次检测索力测试结果取2～4阶索力的平均值作为最终索力测试值，检测索力测试结果分析采用两种方法，即：对比分析和对称
性分析。

对比分析就是以本次索力测试结果与上次（2008年）测试结果对比索力的变化情况；对称性就是根据斜拉索的对称性对索力进行分析，见图3～6所示。

图3 1号塔边跨斜拉索本次检测索力与设计、2008年检测索力对比分析图
图4 1号塔中跨斜拉索本次检测索力与设计、2008年检测索力对比分析图
图2 拉索编号示意图
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3 处置意见
1）对1号塔边跨上游17、18、19、20号索、1号塔边跨上游和下游22号索、1号塔中跨上游和下游23号索、2号塔中跨上游6号和7号索、2号塔边跨上游和下游22号索（共12根）进行索力调整，并定期进行索力检测。

2）如根据其他检测结果需换索，则直接更换，不再进行索力调整。

参考文献：
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图5 2号塔中跨斜拉索本次检测索力与设计、2008年检测索力对比分析图
图6 2号塔边跨斜拉索本次检测索力与设计、2008年检测索力对比分析图
从以上测试数据对比分析及对称性分析可知：1）1号塔边跨上游17、18、19、20号索索力较2008年存在异常，其中：17、18号索索力减小，分别减小11%和20%；19、20号索索力增大，分别增大12%和21%，且20号索索力超出设计索力值3%。

2）1号塔边跨上游和下游22号索索力较2008年无变化，但索力值均超出设计索力值，分别超出11%和12%，不满足设计要求。

3）1号塔中跨上游和下游23号索索力较2008年相比虽然变化不大（分别增大8%和4%），但实测索力值超出设计索力值，超出量分别为3%和2%。

4）2号塔中跨上游6号和7号索索力较2008年存在异常，其中：6号索索力减小，减小量为25%；7号索索力增大，增大量为27%，且超出设计索力值19%。

5）2号塔边跨上游和下游22号索索力较2008年无变化，但索力值均超出设计索力值，分别超出10%，不满足设计要求。

6）除以上索之外，其他大部分索索力较2008年相比变化在5%之内，少数索变化量在5%～10%之内，为正常测量误差和索力正常变化范围。

7）除以上1号塔边跨上游20号索、1号塔边跨上游和下游22号索、1号塔中跨上游和下游23号索、2号塔中跨上游7号索和2号塔边跨上游和下游22号索之外，其余索索力均小于设计索力值。

・相关链接・
苏通长江公路大桥
苏通大桥位于江苏省东部的南通市和苏州（常熟）市之间，西距江阴大桥82公里，东距长江入海口108公里，是交通部规划的国家高速公路沈阳至海口通道和江苏省公路主骨架的重要组成部分。

苏通大桥工程规模浩大：其主跨跨径达到1,088米，是世界最大跨径的斜拉桥；其主塔高度达到300.4米，为世界最高的桥塔；主桥两个主墩基础分别采用131根直径2.5米至2.85米，长约120米的灌注桩，是世界最大规模的群桩基础；主桥最长的斜拉索长达577米，也是世界最长的斜拉索。

主要工程量有：桥涵混凝土149.3万立方米，钢箱梁4.9万吨，钢材23万吨，斜拉索6,278吨，填挖方317.6万立方米，征用土地1.1万亩。

苏通大桥的建设在技术方面极具挑战性，难度非常大，是我国建桥史上建设标准最高、技术最复杂、科技含量最高的现代化特大型桥梁工程之一。

来源：《中国桥梁建设新进展（1991-）》
编辑：益清。