淺談振動頻率法在橋梁拉索索力檢測方面的研究

孫樹寶　李景祥

摘要：橋梁中的拉索是至關重要的傳力構件，對其索力進行的測試，關系到成橋驗收和橋梁的安全運營。而振動頻率法在拉索索力測量方面具有很大的優勢，本文介紹了振動頻率法測定拉索索力的原理及測量數據的處理方法，對振動頻率的最新成果進行了總結歸納。

Abstract： The cable-stayed bridge is a vital force transmission member， and testing its cable force is related to the safe operation of the bridge into acceptance and bridges. The vibration frequency method has great advantages in terms of cable force measurement， this paper describes the processing method of the oscillation frequency cable force determination and measurement data， and the latest results of vibrational frequencies are summarized.

關鍵詞：振動頻率法；拉索；索力；數據處理

Key words： vibration frequency method；cable；cable tension；data processing

中圖分類號：TU317 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）30-0085-02

0 引言

拉索在大跨斜拉橋、懸索橋等結構之中應用廣泛，而拉索索力在這些結構中有扮演著一個極為重要的的角色，尤其對大跨斜拉橋拉索顯得最為重要，建橋中，必須對索力進行監控；成橋后，還需要對拉索進行重復檢測，以確定拉索是否處于安全狀態，而橋梁拉索的工作狀態又是衡量橋梁是否正常運營的重要標志之一。因此，準確測定拉索索力具有較為現實的意義。目前工程中常用拉索索力的測量方法主要為振動頻率法。振動頻率法不僅適用于索力在施工階段的測量，而且對成橋后的索力測量也是一種較為理想的選擇。

1 振動頻率法檢測拉索索力介紹

由于拉索的振動頻率與索力之間存在一定關系，而這一關系可由拉索的動力平衡微分方程與拉索兩端的支承條件反映出來，如果己知拉索的計算長度、拉索的每延米質量，通過測量拉索的振動頻率，便可計算出拉索的索力。振動頻率法測定拉索振動頻率的方法可分為隨機振動法和共振法。

1.1 隨機振動法

使用隨機振動法對拉索頻率進行測量時，不需要進行人工激振，僅利用環境隨機激振源激振，在環境激勵下，拉索的振動是一種隨機振動，利用頻譜分析儀對拉索的隨機信號進行頻譜分析，可以確定拉索的振動頻率。

1.2 共振法

使用共振法確定拉索振動頻率時，需要進行人工激振，即使拉索作單一的基頻振動，這樣有利用頻譜分析儀檢測出拉索的基頻信號，便于后期分析處理。

一般在工程實踐之中，共振法等多應用于實際測量拉索頻率。

2 振動頻率法基本理論分析

索力測定的理論基礎是弦振動理論。主要承受軸向拉力的拉索，如果考慮拉索的抗彎剛度，則應用動力學普遍原理可建立均勻線密度拉索的振動微分方程為：

3 振動頻率法測量索力數據結果的處理

為進一步減小利用振動頻率法求解索力的誤差，確定振動頻率法的數據結果的處理方式就顯得尤為重要，下面針對振動頻率法的數據處理進行介紹。

3.1 頻率法

在建立拉索的基本振動平衡方程過程中，忽略拉索的抗彎剛度和垂度以及在索兩端邊界條件的影響，這些因素的略去均會對頻率法測定索力造成誤差。而拉索的垂度僅對基頻影響較大，對4階以上的高階頻率影響很??；而斜拉索的斜度、抗彎剛度以及邊界條件對索力測試的影響一般不會超過5%。據此，振動頻率法測試拉索索力時有一定的精度保證。因此，只要測得拉索的自振頻率，即可得出拉索的張力。

3.2 直接頻差法

利用頻譜分析儀得到的頻譜圖中相鄰兩諧振峰之間的頻率差求得拉索基頻也是常用的方法。雖然這種方法從理論上可行，而實測時卻會帶來較大誤差。因拉索作為弦振動的簡化模型已是近似計算，此外還有諸多因素會對測量結果造成干擾，這些都影響了頻譜圖中各相鄰頻譜圖的頻率差的準確性。因此，采用直接頻差法確定拉索基頻的精度誤差較大。

3.3 新基頻法

在進行拉索自振頻率的測量時，實測過程中受多種條件的限制，對于較長的橋索傳感器的安裝位置也會受到限制。而此時傳感器測量的信號中基頻成分就相對較少，高階頻譜信號成分相對較多，這樣就會出現頻譜圖中基頻不突出而高次諧振峰突出的現象。由于很難找到基頻，所以通常用高階頻譜來推算橋索振動基頻。

首先在頻譜圖中選擇波形振動幅度較大的波峰，先假設它是索的第n階頻率，則按照弦振動理論，其它各階頻率應該是由假設n階頻率計算出來的基頻的整數倍。如果其他階次頻率與假設的第n次頻率得出的基頻的比值非常接近于整數，則說明信號中干擾較少，可以采用。如果不符合則將假設的第n階頻率加一階或減一階再次進行計算，直到確定基頻為止。若應用以上方法還不能確定基頻則說明信號中干擾因素較大，則需重新進行測量。

因此采用以上方法，不僅從原理上符合弦的振動基礎理論，而且精度也有很大提高，于此同時數據處理選擇的頻譜是振動幅值最大的，外界環境等干擾因素的影響也較弱一些。

4 結束語

①在識別拉索基頻后，可以采用索力計算公式：確定拉索的張力。

②在應用振動頻率法測量索力數據結果處理時應優先選用新基頻法確定拉索的固有頻率。

③用振動頻率法測定拉索索力不但精度有保證，而且簡單易行，具有極大的經濟和社會效益，應用前景十分廣闊。

參考文獻：

[1]方志，張智勇.斜拉橋的索力測試[J].中國公路學報，1997（1）：51-58.

[2]向中富.橋梁施工與控制技術[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]王衛鋒，韓大建.斜拉橋的索力測試及其參數識別[J].華南理工大學學報，2001，29（1）：18-21.

[4]檀興華.斜拉橋索力監測技術研究與應用[J].公路，2006（3）：146-153.

[5]王朝華，李國蔚，何祖發，等.斜拉橋索力測量的影響因素分析[J].世界橋梁，2004（3）：64-67.