系杆拱桥吊索力检测及其偏差影响因素分析

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吊杆是系杆拱桥最关键的受力构件之一,吊杆索力是拱桥施工控制及保证成桥运营阶段的重要指标。总结近些年来拱桥坍塌事故发现其原因大多是由吊杆锚固失效或吊杆锈蚀断裂导致。因此对中下承式拱桥吊杆张力进行识别与检测具有重要研究意义。本文针对目前应用最广泛的频率法测试索力展开研究,以新建和顺至邢台铁路许村下承式系杆拱桥吊杆力张拉测试为背景,基于频率法推导出了一新的索力识别计算公式,并分析了频率法测试吊杆索力时产生偏差的主要影响因素。具体研究内容如下:介绍了刚性吊杆与柔性吊杆的构造,针对现今中下承式拱桥应用最广泛的柔性吊杆,对其索力测试的主要方法进行了优缺点分析。阐述了频率法测试吊杆索力的基本原理,基于弦振动理论与轴力梁振动模型推导出了三种边界条件下吊杆基本振动方程的解。针对一端铰接一端固结及两端固结边界条件下无法得出显式解这一结果,通过整理大量相关文献并对具有代表性的实用索力计算公式进行总结分析,将索力计算公式归纳为一基本数学模型。引入了拉弯比ξ这一概念,建立了基于ξ值的只有一个待识别参数A的索力计算公式。通过变换两端固结的边界条件下拉索振动频率特征方程形式与对ξ~2与k进行量纲分析得出振动频率特征方程只与ξ~2和k有关,这两个无量纲参数又只与吊杆的弯曲刚度、线密度、计算长度和吊杆索力有关,验证了ξ~2与k所满足的线性关系式适用于任何吊杆情况。而后使用ANSYS有限元软件建立了两端固结条件下吊杆有限元模型,通过改变吊杆长度与吊杆张力得出了不同ξ值下吊杆的基频、进而计算出k值及关于ξ~2与k的比例系数A的值。对数据进行数值拟合得出了不同ξ区间下索力计算公式,并将本文建立的索力计算公式与其他常用索力计算公式进行了精度验证,结果表明所建立公式的误差基本控制在1%以内。在利用频率法测量吊杆力的诸多偏差影响因素中,抗弯刚度、边界条件、索长、索力对于短吊杆频率的影响尤为显著。建立不同边界条件下吊杆ANSYS有限元模型,对其前五阶频率结果分析得出随ξ值的不断减小,不同边界条件下频率值差异愈发显著;对于抗弯刚度的影响,将弦单元吊杆模型与梁单元吊杆模型频率数据对比分析出对于考虑抗弯刚度的短吊杆而言应尽量使用低阶频率进行索力计算才能减小误差。通过建立钢绞线精细化模型与圆直杆模型进行对比说明了吊杆实际抗弯刚度难以识别这一难题,并提出了利用本文建立的索力计算公式识别抗弯刚度的一种方法。以许村系杆拱桥施工监控为背景,介绍了整束挤压式吊杆,将索力与频率平方的线性计算模型与本文建立的索力计算公式运用到索力张拉测试阶段,之后将不同施工阶段理论索力、实测索力、现有简化公式计算索力进行了对比分析,获得了令人满意的结果。
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