拉索索力(精选7篇)
拉索索力 篇1
0 引言
进入新的世纪以来,随着我国经济建设和对外开放的迅速发展,桥梁技术的不断进步和人们对桥梁美学因素的要求,促进了拉索结构桥梁建造技术的快速发展。拉索作为一种高效地承受拉力的结构构件,广泛地应用于桥梁工程中,包括斜拉桥、悬索桥、拱桥等。这些桥梁结构以整体刚度及抗风性能好、造型优美、建设相对容易等特点而成为现代桥梁工程中发展最快、最具有竞争力的桥型。随着桥梁建设对美观和环境的要求越来越高,其逐渐成为桥梁建设项目中优先考虑的结构形式,得到越来越广泛的应用。
拉索是一种高效地承受拉力的结构构件,索作为一种柔性构件,有着与刚性构件不同的受力特性,具有以下几个特点:没有抗压刚度,只能承受拉力、几何非线性、松弛和应力损失[1,2]。
在大型结构的健康监测中,对桥梁拉索索力的测量至关重要。因为桥梁拉索的受力与工作状态是直接反映桥梁是否处于正常运营的重要标志之一。在建桥过程中,必须对桥梁拉索索力和桥梁内力进行监测和优化,成桥后也需对拉索进行复测以了解拉索的工作状态。因此,准确测定桥梁拉索的索力具有重要的实际意义。
目前,测定索力的方法有千斤顶压力表测定法、压力传感器测定法、磁通量测定法、声发射技术和振动法。
1 千斤顶压力表测定法[3]
目前,拉索均使用液压千斤顶进行张拉。由于千斤顶的张拉油缸和张拉力有直接的关系,通过精密压力表或液压传感器测定张拉油缸的液压,就可求得索力。该方法的优点是简单易行,且在夹持索的过程中,张力范围可根据情况进行调节,因此是施工中控制索力最实用的方法,其精度可达1%~2%。但由于压力表本身具有指针偏转过快,易偏位,高压时指针抖动比较激烈,读数时存在人为的随机误差等特点,因此,它不可用于成桥后的索力的动态测量,也不适用于成桥的长期在线索力测量。
2 压力传感器测定法[4]
在拉索张拉时,千斤顶的张拉力通过连接杆传到拉索锚具,在连接杆上套一个穿心式压力传感器,该传感器受压后能输出电压,于是就可以在配套的仪表上读出千斤顶的张拉力。如需长期测定索力,也可把穿心传感器放在锚具和索孔垫板之间,进行在线监测。这种方法的精度可达0.5%~1%,但由于压力传感器的售价昂贵,自身重量也大,却只能在特定场合下使用。
3 磁通量法[5]
磁通量法是由国外提出的一种测定索力的非破坏性方法。铁磁性材料受外荷载作用时,内应力发生变化,其磁导率随之发生改变,通过测定磁导率的变化来反映应力变化,进而测出索力。
磁通量法所用的材料是电磁传感器,这种传感器由两层线圈组成,除磁化拉索外,它不会影响拉索的任何力学特性和物理特性。对任一种铁磁材料,在试验室进行几组应力、温度下的试验,建立磁通量变化与结构应力、温度的关系后,即可用来测定用该种材料制造的拉索索力。
铁磁材料的磁通量特性取决于其内部的应力状态,其磁通量密度B与有效磁场H的关系用式(1)表示:
其中,H为有效磁场,H=H外部+H内部(M),H内部为磁化程度M的函数;B为磁通量密度;μ为磁通量渗透系数,是应力σ、温度T、有效磁场H的函数。
材料中的应力变化时,磁滞曲线也发生变化。测量磁通量渗透系数μ就可以推算出钢筋和拉索的应力。
用磁通量法测定桥梁的索力,国外应用的比较多,如美国芝加哥IIIinois跨越密西西比河的Quncy斜拉桥。但是这种方法在我国尚未得到应用。我国学者已对该种测量方法的基本原理进行了初步的探索,但还需要进一步的验证,并进行大量的实验测量和现场测量,对测量结果做效率方面的评判,为进一步实用化打下良好的基础。
4 声发射技术[6]
声发射技术是通过检测构件断裂过程中弹性波释放的应变能来判断构件损伤的,其作为一种无损检测技术在机械设备的损伤和故障诊断中得到了广泛的应用,美国、欧洲等国家也将声发射技术用于拉索桥梁结构的拉索损伤检测和监测中,而国内尚没有这方面工作的报道。由于声发射技术目前在国内的拉索断丝监测中尚无应用,因此还有很多工作要开展,其中首先必须研究拉索在高应力情况下断裂时间的长短、能量的大小,从而可以确定监测中采用的频带范围以及测量范围。另外由于桥梁上产生噪声的声源很多,如何做到对锚固端拉索进行监测时尽量降低噪声的干扰是必须研究的一个问题,只有这样才能保证测试得到理想的结果。
5 振动法[7,8,9,10]
由于拉索的索力与其自振频率之间存在确定的关系,利用精密拾振器,拾取拉索在环境振动激励下的时域响应和频域响应,然后根据自振频率与索力的关系确定索力。用频率法测定索力,设备可重复使用。现有的仪器及分析手段,测定的频率精度可达到0.005Hz。
对于张紧的斜拉索,当其垂度的影响忽略不计时,在其无阻尼时的自由振动微分方程为:
其中,x为沿索向的坐标;y(x,t)为斜拉索在t时刻垂直于索向的挠度;EI为索的抗弯刚度;t为时间;F为索内拉力,假定沿索均匀分布,并不随时间而变化;m为索单位长度的质量。
假定索的两端为铰支,则该微分方程的解为:
其中,n为索自振频率的阶数(即拉索长度内的半波个数);fn为索的第n阶自振频率,s-1;l为拉索的自由或挠曲长度。
由式(3)可得:
这样,在频域里,斜拉索的频谱就是一个个间距逐渐加大的谱线。
而根据索长而细的结构特征(长度一般都是其直径的500倍以上),索的抗弯刚度与索长的平方相比很小。那么,在阶次n不太大的情况下,根号内的第二项比第一项要小得多,对频率的影响很小,所以谱线接近等间距。大多数情况下,可以忽略不计,则式(4)简化为:
其中,f1为斜拉索自由振动的第一自振频率,频谱图从而完全成为等间距的谱线。
由谱线图可以准确地判断出哪些谱线是索的自振频率fn及其自振频率的阶数n,再进一步求得索力。
振动法测量拉索的内力操作简单、结果合理、应用方便,同时还可得到索结构的振动响应。但是对于吊杆来说,采用振动法精度较差,主要是因为其有效长度较短,采用简化公式计算索力时,将在一定程度上过高地估计了实际索力,尤其对于短索,其过高估计有时将超过50%。索力的影响因素很多。工程中各种工况都有可能存在,当遇到特殊情况时,需要修正后才能得到有效的结果。
6 结语
五种索力测定方法有各自的优缺点和应用范围:千斤顶压力表测定法由于其操作方便,而成为施工中控制索力最实用的方法,但是不能应用于成桥后索力的测定;压力传感器测定法由于售价昂贵,自身重量大,却只能在特定场合下使用;磁通量法和声发射技术作为无损检测技术,目前仅仅在国外有应用,而在国内仍处于研究阶段;振动法可在修正的基础上广泛的应用。
参考文献
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拉索索力 篇2
近年来,索结构被广泛应用于斜拉桥、悬索桥、拱桥、张弦梁屋架、平面索桁架、单层索网以及空间索网格等大跨和高耸结构中。索力直接控制索结构的内力分布和几何线型,无论在结构施工过程中还是正常使用阶段,都需要随时准确了解索力的状况,因此索力无疑是索结构健康状态评估和监测的核心指标。
1 工程概况
山西体育中心游泳跳水馆屋盖结构为一整体钢结构屋盖,是由多重弦支网壳、空腹桁架与鱼腹式桁架组成的综合结构体系,其中,尤以多重弦支网壳部分的张拉施工和运营工况复杂,因此针对弦支网壳结构进行张拉施工监控,对成型后的游泳跳水馆屋盖结构进行运营阶段的健康监测,采用振动法,对预应力钢索索力进行监控。其中第(15)轴单榀主索结构如图1所示,跨度为80 m,矢高8.0 m,垂度8.0 m。钢索分6个索段,下弦拉索为Φ5×163,各索段长度分别为左1段,8.944 m;左2段,16.179 m;左3段,16.080 m。右侧三段与左侧对称分布。拉索材料几何参数见表1。
2 索力计算理论
在工程实际中,常用的索力测定方法主要有压力表测定法、压力传感器测定法、扭力扳手测试法、振动法(频率法)及磁通量法。前三种方法一般仅适用于正在张拉索的索力测定,后两种方法可对施工完毕的拉索进行索力的复核。振动法可以在结构完工后再进行测试,测试简便易行,容易检查及维修,适合于长期监测。
振动法原理是首先通过振动测试,识别出索的自振频率,由于索力与其振动频率之间存在着特定的关系,索力可由频率换算而间接得到。
本文以游泳跳水馆多重弦支网壳结构索力测试为工程背景,运用频率法基本理论,来测定结构下弦预应力钢索索力值,确定使用过程中索力的大小和变化,使结构保持一个良好的受力和工作状态。以下分别阐述了目前国内外学术界在振动法测索力方面具有代表性的三种计算公式。
1)两端铰支拉索索力计算。
根据弦的振动理论,将拉索理想化为张紧的弦,当其垂度的影响忽略不计时,其在无阻尼时的自由振动方程为[1]:
其中,y(x,t)为索上各点在各时刻时的竖向位移;EI为索的抗弯刚度;T为索的张力,假定其为常量,不随时间和位置而变化;m为索的线密度,即单位长质量。对上述微分方程采用分离变量法,假定拉索两端为铰支边界条件,可得到拉索的轴向拉力T与振动频率fn的关系为:
其中,n为拉索振动阶数;fn为拉索第n阶自振频率;l为索长。该式称为弦理论计算公式,目前广泛应用于索力测试工程中。
2)两端固定拉索索力计算。
当拉索边界条件为两端固定时,振动方程为一个超越方程,经过数值求解与拟合后,得出公式(3)[2]:
公式(3)可作为任意边界条件下考虑弯曲刚度单索索力计算公式,需要做的是根据不同的边界条件确定修正系数an,bn,以适应工程应用。上式的近似计算公式为:
3)由基频进行索力计算。
当考虑拉索垂度和抗弯刚度等影响后,索的振动方程呈非线性,采用索振动的一阶振型,用能量法推导出了分别考虑索垂度和抗弯刚度影响时索基频与索力的关系,进而用曲线拟合方法建立了索力的实用计算公式[3]。当考虑抗弯刚度影响时,索力计算公式为:
其中,ξ为无量纲参数,
3 拉索自振频率测试
现场进行各索段自振频率测试,在各索段中间布置加速度传感器,对采集的加速度时程进行自谱分析,得到拉索左侧三个索段的各阶自振频率。结果如表2所示。
4 拉索索力识别
根据弦理论公式、两端固定公式及基频计算索力公式,分别按式(2),式(4),式(5)计算索力,得到T1,T2,T3的数值,见表3。
按弦理论来计算拉索索力,计算值偏大,主要由于该公式无法区分边界条件、垂度等的影响,其适用范围受到限制。按基频计算索力公式计算的结果更接近真实值,根据文献[3][4],该公式更具一般性且实现了简支梁、固端梁与弦3种模型间的连续过渡,得到的索力接近实际的受力状态。
5 结语
1)弦理论是将拉索理想化为张紧的弦,但是由于忽略了拉索实际存在的垂度和抗弯刚度的影响,有时会带来不可接受的误差,误差与索的长短有关,短索中受刚度影响较大,而当索长达到一定时,刚度的影响就很少了。2)本文以山西体育中心游泳馆健康监测工程为背景,通过实测钢索频率值,对三种索力计算公式进行了比较与验证,采用由基频计算索力公式计算的结果与真实值较为接近,该公式可满足计算精度要求。
摘要:以山西体育中心游泳跳水馆屋盖结构为例,对其预应力拉索索力识别进行了分析与计算,在实测索段自振频率的前提下,利用三种公式进行计算,对各公式的精度进行了比较与验证,为索力监测提供工程数据与实践依据。
关键词:弦支网壳,预应力钢索,频率,索力
参考文献
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斜拉索索力识别的改进方法 篇3
面层的摊铺。
5结语及展望
本文简要介绍了混凝土桥面水损害的原因及破坏形式,综合了国内外对桥面防水层的研究概况,并介绍了桥面防水黏结层的材料使用情况及施工工艺。需要注意的是,防水材料在施工过程中的施工损伤是一个重要问题,在将来的研究中应格外重视;另外,应尽快建立起一套针对桥面防水层的施工及验收规范,以提高桥面防水质量。
【参考文献】
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拉索作为一种高效构件,被广泛应用于斜拉桥、系杆拱桥、悬索桥等各种桥梁结构中。斜拉索作为斜拉桥结构中的主要承载构件,索力测定准确与否直接关系到斜拉桥施工控制是否可以顺利实施,以及成桥后各构件的受力性能和整个桥梁线形是否接近设计状态[1]。在工程实际中,常用的索力测定方法有压力表法、压力传感器法以及频率法。前两种方法一般只适用于斜拉索张拉阶段的索力测定,但对处于成桥阶段的桥梁或是营运期的桥梁的索力测定,频率法是最佳的选择。
频率法测试索力是基于弦振动理论,先测定斜拉索固有频率,然后根据索力和固有频率的关系计算得到斜拉索的索力值。频率法作为索力测试的一种间接方法,其测试精度主要取决于高灵敏度拾振
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龙海(1982~),男,湖南会同人,助理工程师,从事路桥专
业项目管理及项目咨询,(电子信箱)53256606@qq.com。
技术和对斜拉索固有频率的识别[2]。随着高灵敏度拾振技术的发展,如何准确识别斜拉索固有频率成为提高斜拉索索力测试精度的关键,但现有的识别方法存在不足之处,笔者对斜拉索现有的识别方法进行改进,以期提高频率法测试斜拉索索力的识别精度。
1 索力识别方法改进
1.1 频率法基本原理
对于张紧的斜拉索,其自由振动微分方程[3]为:
对于需要考虑抗弯刚度的斜拉索,其动力平衡微分方程为:
式中,EI为索的抗弯刚度;y为横向坐标(垂直于索力长度方向);x为纵向坐标(索的长度方向);W为单位索长的重力;g为重力加速度;T为索的张力;t为时间。
如果索的两端是铰接的,则由方程(1)可解得:
式中,fn为索的第n阶自振频率;n为索的振动阶数;L为索长。
若忽略斜拉索的抗弯刚度,假定索的两端是固定不动的,则方程(1)可解得:
由(2)、(3)两式可得,对于索张力一定时,若忽略索的抗弯刚度,则可得:
这样,由(4)式可知,在频域里,斜拉索频谱就是一个个间距相等的谱线,谱线间距等于斜拉索基频;若考虑索的抗弯刚度,斜拉索频谱就是一个个间距逐渐增大的谱线。而根据索长而细的结构特征(索的长细比一般大于500),在阶次不太大的情况下,可以认为斜拉索频谱就是一个个间距相等的谱线。
综上所述,为了减少误差,在得到斜拉索自振频谱后,应尽量采用低阶频率值来确定斜拉索索力。
1.2 识别方法改进
频率法测试斜拉索索力时,识别斜拉索固有频率的方法主要有两类,一类是确定斜拉索的基频,然后利用公式(2)计算得到索力,这类以基频法和频差法为代表。由于实际工程中较难直接获得斜拉索基频和振动对于基频的影响较大[4],较少采用基频法,而常采用频差法来估算斜拉索基频。但是由于频谱的不等间距性,将使计算索力值偏大,降低了索力测试精度。另一类是确定斜拉索的第n阶自振频率,然后利用公式(2)计算得到索力,这类以峰值法为代表。在FFT幅值最大处,表明斜拉索振动以该阶频率振动为主,故常取该处(最大峰值点)所对应的自振频率计算索力,但其具有很大的随机性,且可信度较低。
针对峰值法的不足,本文对峰值法提出了一些改进之处。其具体操作是,采用前后两个频谱的差值大致确定斜拉索自振基频,计算各阶fn/n,以相邻两峰值点(fn/n)2的接近程度为选择标准,同时尽量取用低阶频率来选择合理的斜拉索第n阶自振频率。经过上述改进,一方面有效地消除了峰值法的随机性,经过对比后选择可靠的峰值点频率,使结果具有较高的可信度;另一方面,该方法不受频谱的不等间距性影响,相对于频差法而言,具有较高的测试精度。
2 试验测试与对比分析
本文中取某独塔斜拉桥A13索的索力测试介绍该改进方法。该索为187mm×φ7mm平行钢丝索,索长135.714m,采样频率50Hz,采样时间60s,采用人工激励的方法获得该桥A13索的时程曲线如图1所示。通过相关分析得到该斜拉索振动的FFT谱图和各峰值点频率及位置,图中仅给出前8阶频率及位置,如图2所示。
由图2可知,各峰值点频率(Hz)分别为0.98877、1.96533、2.94189、3.93066、4.91943、5.8960、6.87256、7.86133,各点之间差值分别为0.97656、0.97656、0.98877、0.98877、0.97657、0.97656、0.98877,根据上述各峰值间的差值大致可以确定基频范围在0.97Hz~0.99Hz之间,因此,可以确定上述各峰值点频率所对应的阶数分别为第1阶~第8阶,计算出相邻峰值点之间(fn/n)2的比值,根据取相邻峰值之间(fn/n)2的接近程度以及尽量取低阶频率的原则,选择第4阶峰值点所对应的f4=3.93066作为该斜拉索第4阶自振频率,通过索力计算公式可以很快计算出该斜拉索索力为4198k N,具体数据见表1。
采用本改进方法不仅操作简便,而且具有较高的精度。在此,首先采用千斤顶量测该斜拉索索力,并以此索力作为实际值,然后分别对基频法、改进峰值法、频差法、峰值法这四种情况进行比较。需要说明的是,本文取前8阶频率差值的均值作为频差法的频率值,取FFT谱中幅值最大点对应频率值为峰值法的频率值。斜拉索在各方法下的频率及索力计算值比较如表2所示。
从表2可以看出,用4种方法识别斜拉索频率和索力时,均与理论值有一定的差距,后三者相对误差均在1%以内,其中采用改进峰值法与理论值最为接近,其他方法误差相对较大,其主要原因是该法有效地消除了随机性以及不受频谱的不等间距性的影响。在索力测试中,索力测试误差对固有频率识别误差反应比较敏感,因此,通过提高斜拉索固有频率识别精度来提高斜拉索索力识别精度是非常必要的。
3 结语
1)针对峰值法识别斜拉索索力的随机性和可信度低的不足之处,笔者对峰值法进行了改进,经改进后的峰值法有效地消除了原峰值法的随机性,结果具有较高可信度。
2)鉴于实测FFT谱谱线不等间距性,对采用基频法、改进峰值法、频差法和峰值法这4种方法计算的索力结果进行比较,表明改进峰值法与理论值最为接近,具有较高的精度;且该法操作简便,非常适合于现场测试时采用。
摘要:介绍了频率法测试斜拉索索力的原理,并对斜拉索索力识别提出了一种改进方法。通过现场实际测试,证明采用该法较其他常用方法而言,固有频率识别精度得到了很大提高,从而显著地提高了频率法索力识别精度。
关键词:基频,频率法,索力测试,识别精度
参考文献
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确定扣索索力方法的比较研究 篇4
1 零位移法
假设钢管拱肋节段在扣索张拉就位以后,拱肋上所有索扣点位置均达到预定的设计拱轴线和标高,并直接在索扣点处施加零位移支座约束(竖向和纵向)来模拟扣索的约束,这样在计算出扣点处的支座反力后,直接将支座反力进行合成来作为各拱肋节段吊装中的扣索索力或索力增量。由于各拱肋节段吊装后所有扣点的位移始终假设为零,所以该方法可称为“零位移法”。图1为某钢管桁架拱肋架设了三节段时的有限元模型,模型中将上弦杆、下弦杆、缀管和斜腹杆都离散为直梁单元,节段与节段之间连接采用固接,拱肋所受外荷载包括拱肋的自重及横撑的重量,通过有限元求解软件可以求出在拱肋自重和外加施工荷载下的各扣点约束的反力Fxi,Fyi,由力的合成原理可以求得索的索力
现在通用的有限元软件很多,采用其中任何一个软件都能进行该种方法的扣索索力求解。但仔细分析会发现,单单采用零位移方法进行索力求解实际上也存在一定的问题:1)在拱肋节段吊装阶段,各扣点的约束水平反力增量与约束竖向反力增量比例无法保持一致,使得叠加计算后的索力作用于拱肋后不能保证拱肋的线形符合设计要求;2)通过约束反力合成的索力有可能出现负值;3)这种方法求出的索力只能保证扣点处的标高满足设计要求,而其他位置的标高无法控制;4)当实际施工线形与理想线形存在偏差时,也不能通过该方法求出实时调整量,从而影响施工。
2 力矩平衡法
对于求解扣索索力来说,力矩平衡法又可称为“零弯矩法”,是指通过张拉、调整扣索索力,使各拱肋节段在接头处的弯矩为零,即视节段之间的连接为铰接,采用节点力系平衡原理,逐段递推求解索力。对于拱轴线为悬链线的钢管桁架拱肋,采用力矩平衡法进行扣索索力计算的步骤如下。
设桁架拱肋所有弦杆的横截面等效面积为As,容重为γ,从拱肋节段k上取出一个微元ds(见图3),微元重量为ds·γ·As,微元距拱顶的水平距离为l/2·ξ,节点i到拱顶的距离为l/2·ξi。图4为扣索索力的计算模式,由图4可知,所有微元对节点i的力矩:
对各节段分段点,ξi,ξj均为常量,分别为节点距拱顶截面的水平距离系数,对确定的拱肋节段(通常已知节段的分段弧长),可以非常方便地求出各ξi,ξj,显然ξi≤ξ≤ξj。
根据零弯矩的概念,取任意节段k分析,对节点i,有∑M=0,即:
得扣索拉力:
其中,M
从上述扣索的索力计算过程可以看出,力矩平衡法力学概念清楚,计算简单,但存在一定的缺陷:1)索力计算中始终假定接头处为铰接,接头所能承受的弯矩为零,但现在拱肋吊装都是采用吊装一段、焊接一段,在进入下一节段吊装前,前面的各个节段接头都能承担弯矩,所以计算模式就与实际存在差别,这样就会影响计算结果精度;2)由于索力计算中采用解析方法进行求解,所以需对结构进行简化,不管拱肋采用什么样的截面形式,该方法都把它假定为两接头处铰接的直梁或曲梁,这样就不能真实地反映结构形式,也会影响计算精度;3)扣索索力计算中仅把索力计算作为简单的静平衡问题,因此求出的索力虽能满足平衡要求,但作用于实际拱肋所得的线形并不能满足施工要求,而且结构的内力安全性也不能得到保证;4)当实际施工线形与理想线形存在偏差时,扣索的索力不能进行实时调整,造成线形误差的累积,影响拱肋合龙及成桥后的线形。
3定长扣索法
定长扣索法的关键在于计算扣索的控制索力(最大值),以便据此确定扣索截面,从而保证施工过程的安全性。控制索力包括吊装某节段时的扣索控制张拉力和后续节段或横系梁安装后对该扣索引起的扣索索力增量两部分。控制张拉力是指吊装某节段达到某状态控制标高所需的扣索张拉力。根据这种思想采用平面或空间有限元模型对施工过程进行仿真分析,可以得到各阶段相关扣索的索力值。定长扣索法是先计算出各节段的拱肋预抬高量,张拉控制索力是根据各节段的控制标高来确定的,它的控制变量主要是位移,而没有对吊装过程中的应力和索力进行控制。同样由于索力与预抬值满足拱轴线性的组合有任意多个,利用定长扣索法所求的组合并不能保证一定是结构最优的施工路径。
从以上各种方法的分析可以看出,每种方法各有优缺点,因此在应用中,要结合工程实际,选择最适合的一种计算方法,并用另一种方法加以校核、验证,以使各种方法发挥各自的优点,从而更好的指导施工。
摘要:结合采用缆索吊装—千斤顶斜拉扣挂法架设空钢管桁架拱肋时扣索索力的重要性,通过分析扣索索力的常用计算方法,明确指出了各种计算方法的优缺点,从而为大桥的施工提供科学的指导。
关键词:钢管混凝土拱桥,扣索力计算,方法
参考文献
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拉索索力 篇5
关键词:斜拉桥,合理施工状态,模拟计算
斜拉桥属于高次超静定结构, 施工中又要经过体系转换, 如何确定合理的成桥索力, 同时又能保证施工中的塔梁受力均匀合理, 是目前进行斜拉桥设计及施工监测的主要目标。目前采用的许多优化索力的方法, 都是先确定一个合理的成桥状态, 经过施工中的二次或多次调索, 使最终形成合理成桥索力。
由于在施工阶段随着斜拉桥结构体系和荷载状态的不断变化, 结构内力和变形也相应地不断发生变化, 因此, 需要事先模拟现场施工过程来斜拉桥的每一施工阶段进行详尽的分析和验算, 根据预先设定主梁线形控制目标, 求得斜拉桥各施工阶段斜拉索初张力。成桥后, 再根据活载影响的大小, 结合结构的受力需要确定合理的成桥状态, 对斜拉桥进行二次调索。
1 工程概述
1.1 桂平郁江特大桥简介
桂平郁江特大桥是南广铁路一座双线特大桥, 主桥采用 (36+96+228+96+36) m五跨双塔双索面钢桁斜拉桥, 主桥采用半漂浮体系, 主塔与主梁间设置竖向支承, 纵向采用阻尼约束, 主塔采用花瓶式, 塔高为103.5m, 斜拉索采用Φ7环氧涂层钢丝, 主梁采用钢桁梁, 三角形桁架, 两片主桁, 桁间距15m, 桁高14m, 节间长度12m, 桥面系采用正交异性钢板的整体道砟桥面结构[1]。斜拉桥布置如图1所示。
1.2 主梁施工方案
主桥钢桁梁架设首先在主塔两侧安装托架, 组拼工作平台, 利用塔旁吊机在托架上安装6个节间钢梁杆件, 同时安装临时固定支座与千斤顶, 安装1号拉索并进行初张拉。
此后在上弦拼装架梁吊机, 利用架梁吊机对称悬拼钢桁梁其他节间。对称悬拼过程中依次安装2~7号拉索并根据受力需要进行初张拉。悬拼至辅助墩后, 先完成边跨再进行跨中合龙。由于8号索的安装与架梁吊机冲突, 钢桁梁合龙需先架设后再安装8号拉索。为避免跨中产生较大位移, 8号拉索安装前不拼装桥面板, 待8号拉索安装完成后再安装。全桥合龙后, 拆除临时设施及临时荷载。二期恒载的施工要先施工压重区再由边跨向跨中施工, 最后对斜拉索进行二次调整, 完成终张拉。
1.3 斜拉索张拉力分析方法
斜拉桥静力计算中比较重要的就是确定拉索的初张力, 这跟施工阶段密切相关。初张力相当于在主梁上施加向上的拉力, 故能调整主梁的恒载内力, 这与活载内力是相对独立的, 但可以通过张拉一定的预压力来抵消活载内力。
初张力确定的方法很多, 如刚性支承连续梁法、零位移法、弯曲能量法、矩阵法、无应力控制法等[2]。但施工过程中体系不断发生转换, 上述方法实际操作起来非常麻烦, 也无法得到理想结果。一般调索常用倒拆法和正装法相结合, 两者计算结果因收缩徐变影响会有所区别。桂平郁江大桥主桥为钢桁梁, 没有收缩徐变的影响, 使得倒拆法和正装法结果基本一致。本桥为主塔两侧只有八对拉索, 拉索较少, 可直接采用正装法进行计算。
本桥作为纯铁路斜拉桥, 与公路斜拉桥梁相比, 显著的特点就是活载比例大。本桥主梁恒载约为40t/m, 而活载为16t/m, 在确定合理成桥状态时要充分考虑活载的影响。
2 斜拉索索力分析
2.1 计算模型
本斜拉桥采用Midas软件进行仿真分析, 主塔及钢桁梁采用梁单元, 斜拉索采用桁架单位、正交异性桥面板采用板单元建立。
2.2 施工阶段调索原则及合理成桥状态的确定
本桥从施工到全桥形成的过程中每根拉索张拉两次, 初张拉在施工阶段对称悬臂施工阶段, 终张拉在桥面铺装及二期恒载施工完成后进行。
施工过程中, 斜拉索初张拉为对称张拉, 桥塔只承受竖向力, 初张力的大小主要为了使梁体水平, 确保钢桁梁的顺利拼装。初张力的拉控制原则为拉索张拉后对应的这个施工阶段的索梁锚点位移基本为零[3]。
全桥合龙后, 桥面开始铺装防水层、道砟, 施工人行道等二期恒载。此后进行斜拉索终张拉达到合理的成桥状态, 终张拉后为满足运营梁体线形需要、桥塔弯曲内力较小, 张拉的控制原则为:斜拉索经再次张拉后主塔塔顶纵向位移在恒载下略向边跨侧偏移, 跨中水平略微上挠, 以克服跨中过大活载的影响。
根据以上目标和拉索调索原则, 兼顾钢桁梁主弦在关键位置处的应力, 采用正装法, 对拉索索力反复试算, 最终得出较优索力。待计算稳定后, 利用倒装法计算一次进行校核。经计算斜拉索两次张拉的索力表如表1, 表2。
通过两次调索, 斜拉桥不但可以保证钢桁梁架设的顺利进行, 中跨合拢前主梁位移可以控制在10mm以内, 确保全桥合龙的顺利进行。终张拉后, 恒载下塔顶纵向位移向边跨侧2 m m;跨中位移向上62mm, 钢桁梁梁体线形均匀;桥塔两侧索力相差不大, 因此塔底弯矩很小, 塔身应力也比较均匀。经检算, 主桥钢桁梁各部位杆件应力也满足规范要求。
3 结语
本文以南广铁路桂平郁江特大桥为背景, 根据主桥钢桁斜拉桥的施工架设顺序, 探讨了斜拉桥索力分析方法和索力张拉原则, 对该桥施工阶段和成桥阶段的索力进行分析计算, 保证了钢桁梁的拼装要求, 并确立成桥的合理线形, 同时满足了桥塔、钢桁梁等构件的受力需要。
参考文献
[1]中铁二院工程集团有限责任公司.南广铁路桂平郁江特大桥设计.2009年
[2]刘士林, 等.斜拉桥.人民交通出版社.2002年, 67~72页
拉索索力 篇6
1 频率法测定拉索索力
普遍认为拉索的振动频率与拉索的索力之间存在一定的关系。根据张紧弦理论,拉索的索力理论上与索的自振频率的平方成正比例关系。然而,实际的拉索与张紧弦模型有较大的区别,于是有许多学者提出:这一关系可由拉索动力平衡微分方程和拉索两端的支承条件给出,如果已知拉索的长度、每延米拉索的质量,只要测出拉索的振动频率,便可求出拉索的索力。
2 索力与频率的实用拟合计算
在对拉索进行分级张拉时,用经过标定的油压表去控制千斤顶的油压,另外在千斤顶上安装油压传感器测定油压,从而通过标定曲线就可得到锚头的张拉控制力,不过仅以油压去控制拉索索力精度较低,所以对实测的频率进行估算复核,并以频率计算结果作为控制,张拉控制的结果才有保证。实践证明,此法的测量精度是有保证的。具体操作是:在千斤顶控制应力达到20%,50%,100%等张拉控制级时,分别测量拉索的自振频率,从而形成各阶段拉索索力与拉索频率之间的一一对应关系,于是就可以拟合出索力与频率之间的函数关系,从而可以计算出千斤顶回油后的拉索索力。
根据文献[3]提出的实用公式为:
根据文献[4]提出的实用公式及考虑索垂度和弹性影响的索力计算公式为:
考虑抗弯刚度影响的索力计算公式为:
显然,拉索索力与频率平方成线性关系,在实际测量中被广泛采用。基于这个前提,不妨设T=Kf2+E,T1=Kf12+E,
分段张拉的次数)。
3 工程应用
3.1 工程应用背景
为了验证文中方法的正确性,将以某大桥的斜拉索为研究对象,用施工期间的实测频率进行分析。该桥主桥为125 m+230 m+125 m双塔单索面预应力混凝土部分斜拉桥。斜拉索为单索面,双排索设计,布置在中央分隔带上,全桥共有64对。索体采用镀锌钢丝,在单股钢绞线外热挤PE防护,成索后再在外层设PE防护层。大桥的结构图如图1所示。
kN
3.2 索力测试结果
显然,无论是施工过程中还是测量过程中都会存在一定的误差,测量分析结果显示,实测结果误差基本都在允许范围之内。
表1是以大桥实测结果为依据,根据前面所述的方法进行计算并比较的结果。其中,公式1为:T=4 ml2 f2。
从表1中的比较结果可得出如下结论:
1)由计算结果可见,以文中方法与其他文献建议的计算公式比较相差不超过3%,但是更为简便和便于现场操作。
2)由于测试的拉索均较短,最短的46 m,最长的106 m,所以抗弯刚度影响相对较大,由表1可以看出,抗弯刚度的影响平均为5%~6%。索长超过100 m后抗弯刚度的影响平均在3%左右。
3)频率法利用拉索自身的随机振动,加上环境和梁体对索的影响,拉索自振频率的识别存在一定的干扰,然而,拉索的1阶、2阶、3阶自振频率之间的比值理论上是固定的,从实测数据来看,比值也只是小幅波动。于是,可以利用这个规律识别出受干扰的自振频率。
4 结语
文中从频率法测量索力的基本原理出发,用简单实用的拟合公式描述在复杂边界条件和众多影响因素共同作用下拉索的自振频率与拉索索力之间的关系。文中方法直接应用于该桥施工过程的索力测试中,测试的结果表明了文中方法的正确性。
参考文献
[1]林元培.斜拉桥[M].北京:人民交通出版社,1994.
[2]郭良友.绳、索的振动特征及斜拉桥的索力测量[J].桥梁建设,1995(1):21-22.
[3]王卫锋.PC斜拉桥的施工监测[D].广州:华南理工大学博士学位论文,2000:8.
拉索索力 篇7
自缆索吊装斜拉扣挂法技术开发以来,此法已成为大跨径拱桥拱肋节段悬拼的主要施工方法。扣索索力与拱肋节段预抬量作为自缆索吊装施工过程中的2个重要参数,直接影响拱肋成拱线形与结构内力分布。现有扣索索力与预抬量计算方法大致可以分为零弯矩法[1]、弹性-刚性支承法[2]、零位移法[3]、优化分析方法[4]。
零弯矩法是指通过张拉扣索,调整扣索索力,使拱肋各节段在接头处的弯矩为0;弹性-刚性支承法指在按照施工阶段建立计算模型时,将当前吊装节段的扣索模拟为刚性支承,对已施工节段的扣索模拟为弹性支承,这两种方法都属解析法,但与实际施工存在一定差异,计算精度较低。零位移法和优化分析法均属数值法,大量工程实践表明,零位移法计算精度低,现已很少采用,而优化分析法能同时考虑拱肋线形和扣索索力,并能得到一组合理值,松索成拱后拱肋线形和内力又能处在一个较为理想的状态,因此,优化分析法在实际工程分析中广泛使用。
2 新龙门大桥扣索索力计算方法
本文引入最优化的计算理论到扣索索力的计算中,在对结构进行空间有限元分析的基础上,以松索成拱后拱肋各节段控制点标高与设计裸拱状态(拱肋自重作用)下控制点高程偏差的平方和最小为优化目标,以索力作为设计变量,通过约束扣索的最大索力值、单个控制点的标高偏差,建立求解索力和预抬值调整量的优化模型,经迭代优化得到的索力和预抬值能较好地控制吊装施工中拱肋线形。最后运用有限元软件ANSYS的结构分析和优化功能,计算新龙门大桥拱肋吊装悬拼中的索力和预抬值。
2.1 优化数学模型
在对拱肋进行线形调整时,会存在一组最为合理的索力调整量,达到拱肋线形与设计期望线形偏差降到最小、相关状态变量合理的目标。以此目标建立求解索力的优化模型,经迭代得到索力值(同时也能提取拱肋预抬值)。数学模型为
式中:X=[x1,x2,…,xn]为所有扣索索力调整量组成的向量;xj为第j号扣索的索力调整值;f为目标函数;
2.2 优化问题求解
优化过程选用一阶分析法,该方法是将真实的有限元结果最小化,而不是对逼近数值进行操作,提高优化结果的精度。一阶分析法通过对目标函数添加罚函数将有约束的优化问题转化为非约束优化问题。该优化算法对于优化变量、状态变量和目标函数均要设置罚函数来惩罚溢出可行范围的数据,使所有计算在可实施范围。ANSYS的优化模块中将原目标函数扩为一个新的函数
式中:Q为无约束的目标函数;f0为参考目标函数;q为控制约束参数;Px为设计变量的外罚函数;Pg、Ph、Pw为状态变量的混合罚函数。
ANSYS采用的罚函数的形式为
式中:当gi的值超过约束时,λ为一个非常大的整数;当gi的值在约束范围内时,λ为一个非常小的整数;ai为容许误差。
优化时ANSYS采用共扼方向法确定优化时的方向,共轭方向法是所有的搜索方向都是相互共轭的。取初始值s0的负梯度,初始共扼向量采用-∇Q(s0,q0),则第k个迭代点的共扼方向由式(3)确定
式中:sk是由一维搜索按最优步长获得的迭代点;rk-1是组合系数,将采用鲍莱克—列波欧公式,即
获得搜索方向后,就可通过一维线性搜索找到下一个迭代点
式中:λk为线搜索步长,采用黄金分割和二次插值法相结合的方法求得;λmax为最大的迭代次数;λ*k最大可能的子迭代数。sk+1求得后就可判断该点是否为最优点,判断准则如下
式中:τ为目标函数的允许偏差,fb是前(k-1)步迭代中合理最优解,并要求设计变量和状态变量在设计空间内;若不满足收敛条件,则得到一个新的搜索方向dk+1,进行下一轮迭代计算,直到收敛为止。
3 新龙门大桥工程实例分析
巫山新龙门大桥位于重庆市巫山县大宁河两岸,见图1,是重庆至湖北巴东的渝巴二级公路上横跨大宁河的一座重要桥梁。巫山新龙门大桥主桥为中承式钢管混凝土拱桥,主拱圈由4片8肢钢管拱构成2个桁架拱肋,为等截面悬链线无铰拱。计算跨径240 m,矢跨比1/5,拱轴系数m=1.5。拱肋安装采用无支架缆索吊装施工法,钢管拱肋节段划分按吊装重量控制,从拱脚至拱顶分为6个节段,主拱吊装共分26个施工阶段,最大吊重为60.7 t。
新龙门大桥扣索索力计算采用ANSYS11.0大型有限元分析软件,利用APDL进行二次开发,编写新龙门大桥施工控制与结构分析程序,充分利用ANSYS可靠求解器和便利编程功能。本桥除吊杆、扣索用Link10,上下缀板及拱脚实腹段采用Shell63单元来模拟以外,其余结构均采用Beam44单元模拟。
新龙门大桥采用缆索吊装施工,扣索索力和预抬值的计算是施工控制中最为重要的2个参数。利用ANSYSY生死单元技术模拟施工过程,全桥拱26节段(左右各单肋6节段和一个单肋合龙段),有限元计算中采用半幅激活到最大悬臂节段,拱片最后激活1/2合龙段,在悬臂处施加对称约束,掐死扣索单元,模拟索松成拱。新龙门大桥理论计算与软件分析相结合,再根据实际施工对拱肋吊装做控制,合拢拱肋线形良好。图2~图7分别为安装就位示意图和有限元分析模型,第一、二节阶段和合龙段。
4 扣索索力优化的理论值与实测值对比
利用扣索索力优化求解的理论值与吊装扣索实际张拉值(油压表读数换算值)进行比较(见表1),两者吻合良好,误差10%;新龙门计算预抬值见表2,预抬值主要体现在高程实测值和理论值的误差中,表3中显示高程误差为±1 cm。
5 结束语
本文采用ANSYS优化法计算新龙门大桥施工阶段的扣索索力值和拱肋节段预抬值。计算结果表明,以拱肋各标高控制点高程偏差的平方和最小为优化目标,模拟拱肋松索成拱后拱肋线形与主拱一次落架线形吻合良好、该方法概念计算出的结果稳定、误差较小,通用性良好等优点。为便于模拟施工阶段及刚度矩阵随着施工推进的变化,采用了生死 单元功能,并将构件编入合适的Component(部件)或Assembly(组件),能较好地模拟拱桥缆索吊装施工的过程。实际工程表明,此方法能够准确计算大跨度、多节段、多肋拱桥主拱施工中索力与预抬量值。
摘要:以在建的新龙门大桥为工程背景,开展拱肋吊装过程扣索索力和预抬量的优化分析。采用有限元计算与优化分析相结合的方法对扣索索力和预抬值进行求解,索力和预抬值的计算以拱肋各标高控制点的高程偏差平方和最小为优化目标,以拱肋各个控制点的标高偏差为状态变量,采用一阶分析法对设计变量进行迭代优化。计算结果表明该方法具有计算精度高的优点,与实测结果吻合良好。
关键词:拱肋安装,一阶分析法,扣索索力,预抬量
参考文献
[1]周水兴,江礼忠.拱桥节段施工斜拉扣挂索力仿真计算研究[J].重庆交通学院学报,2000,19(3):8-12.
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[3]张建民,郑皆连.钢管混凝土拱桥吊装过程的最优化计算分析[J].中国公路学报,2005,18(2):40-44.
[4]张治成.大跨度钢管混凝土拱桥施工控制研究[D].浙江:浙江大学,2004.
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[6]王跃宣,刘连成.处理带约束的多目标优化进化算法[J].清华大学学报,2005,45(1):103-106.
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