带辅助索空套钢绞线斜拉索索力测试技术探究

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1、带辅助索空套钢绞线斜拉索索力测试技术探究　　摘要：尤利西斯·S.格兰特桥是一座3跨斜拉桥，该桥斜拉索由多股平行索股组成，整根斜拉索外套高密度聚乙烯护套，斜拉索内没有灌浆，同时安装了辅助索限制斜拉索的振动。为了预估斜拉索的索力，采用间接法在施工前后进行了多次索力测试。研究结果表明：基于环境振动测量技术测试斜拉索面外振动的方法可以精确地预估斜拉索的索力。关键词：索力测试；空套钢绞线斜拉索；辅助索；斜拉桥中图分类号：U443文献标识码：A文章编号：1009-2374（2013）18-0082-06由于斜拉桥美观，施工要求低，已经成为了中等跨径及长跨桥梁的首选设计方案，桥梁跨径

2、也在不断地增大。斜拉索自身的阻尼非常小，如果一个斜拉桥上的斜拉索的谐振频率分布密集且范围很宽，任意的环境激励（如：风荷载、交通荷载、上部结构位移）都可能会在谐振频率处发挥激励作用。美国联邦公路管理局所做的一项研究表明：如果斜拉索振幅过大，11会引起桥梁运营安全及拉索疲劳方面的问题。但是，可以利用斜拉索振动来测量斜拉索的索力（即间接法），通过确定斜拉桥索力的分布，在运营期内检测索力的变化，可以评估桥梁及斜拉索的病害。本文以尤利西斯·S.格兰特桥（UlyssesS.GrantBridge）为背景。该桥采用了钢绞线斜拉索外套PVC护套表面处理措施及辅助索抑振措施，研究中采用间

3、接方法测试索力，进行带辅助抑振索的钢绞线斜拉索索力测试技术研究。但是，一般斜拉索内都有灌浆，这样可以保证护套与索股的复合振动。而尤利西斯·S.格兰特桥的斜拉索内没有灌浆，因此，这种传统的索力测试方法的精确性需要验证。1斜拉索建模和频谱计算假设斜拉索为一根拉紧的绳子，在拉力作用下，该斜拉索的最简单的模型可以描述如下：但该公式不能完全描述斜拉索的振动特性，采用的是简单的张力弦来进行动力计算，与斜拉索的实际受力存在一定差异，缺少动力方面的相关计算参数，如：斜拉索的抗弯刚度（EI）、垂度延展性（λ2）、末端条件及质量的变化（m），由此采用该式得到的斜拉索索力常被高估。Mehra

4、bi和Tabatabai（1998）完善了该计算公式，将上述计算参数与有限差分计算相结合，并出一个简化公式，直接根据斜拉索振动频率评估斜拉索的索力，简化计算公式如下：11在此基础上，该计算公式得到了进一步的完善，Peeters等人（2003）提出的两步法评估斜拉索索力；接着，Kangas（2009）对这一方法进行了详细的阐明，主要结论有：（1）根据所确定的斜拉索振动频率，采用非线性最小二乘法同时估算f1s和ε，假设f1s和ε类似于公式（3）中的f1EI。（2）得出f1s和ε的值后，在知道斜拉索长度和质量的情况下，斜拉索索力可以根据公式（2）计算。为了确定这些斜拉索谐振频

5、率，采用多重信号分类算法（MUSIC）创建频率谱，即假设y（n）代表白噪音出现时所测得的长度为N的信号，则可以在信号的自相关矩阵Ryv的特征分析基础上创建频率谱。将某个信号描述如下：对Ryv进行特征值分解可以得到一组特征值λj和特征向量υj，根据这些值可以确定信号和噪声子空间。假设自相关顺序创建时有M阶滞后，最大特征值p就等于信号的子空间，而剩余的特征值M-p就等于噪声子空间。MUSIC伪谱可以通过下列公式求解：式中，[VK，k=p+1，…，M]为与噪声子空间对应的特征向量。为复杂正弦曲线的向量。整数p表示信号空间的尺寸，这个参数可以与索长、质量和索力一起用公式（1）计

6、算。11MUSIC还有一个根式，根式MUSIC是在多项式的基础上建立的，多项式的系数为噪声向量。最靠近单位圆的起始零格式p等于信号空间，与信号频率对应。图1所示为根据实测斜拉索振动创建的MUSIC谱。这根斜拉索的基频接近1Hz。理想状态下，在0～20Hz之间必然有20次谐波。在图1中，阶数p=40，与不同阶数的根式及根据设计细节模拟的这根斜拉索模型的模态阶数相同。模型的阶数选p=40，因为模拟了20个正频率，20个负频率。索力评估中所选的斜拉索频率在不同的模型阶数下是稳定的，与有限差值模型生成的模拟频率一致。Modeorder——阶数Frequency——频率MUSIC

7、spectrumMUSIC谱Cablemodel斜拉索模型Root——MUSIC——根式MUSIC图1根据实测斜拉索振动创建的MUSIC谱与斜拉索数值模拟的对比2尤利西斯·S.格兰特桥的工程概况尤利西斯·S·格兰特桥是一座3跨斜拉桥，跨越俄亥俄州朴茨茅斯市的俄亥俄河，于2006年竣工；跨径组成为106.7m（肯塔基州侧）+226.7m+139.3m（俄亥俄州侧），桥梁立面布置见图2。桥面全宽21.4m，纵梁中心间距为19.8m。11全桥共设有2个独柱桥塔，斜拉索在塔端呈扇形布置。全桥共有64根斜拉索，双索面布置，从肯塔基州到俄亥俄州依次排