带HDPE外壳钢绞线斜拉索索力测试研究

刘大洋，何晓琴

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

带HDPE外壳钢绞线斜拉索索力测试研究

刘大洋，何晓琴

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

通过有限元软件模拟分析与现场实测数据验证的方法，研究实际工程中带HDPE外壳的钢绞线斜拉索的索力测试的可靠性与准确性问题。对钢绞线与HDPE外壳上不同采集记录点时程信号分析表明：在对带HDPE外壳的钢绞线斜拉索的索力进行测试时，直接将采集传感器安装在钢绞线约束圈对应的HDPE外壳上，可以有效识别拉索的索力，并在东水门大桥上得以证实。

桥梁工程；钢绞线斜拉索；HDPE外壳；索力测试；可靠性

0 引 言

拉索作为斜拉桥的主要受拉构件，其将桥面活载与主梁恒载传递给主要承重构件桥塔，拉索的受力情况对全桥的结构安全至关重要。在斜拉桥的施工过程期间与运营养护阶段，索力测试结果是评估桥梁状态的重要依据。

与其他类型的斜拉索相比，钢绞线斜拉索具有抗拉强度高，而使其在同样吨位的要求下具有自重轻的特点，同时该种拉索在施工时可单根穿束，张拉、调试等明显优势，使其应用日益广泛。在实际工程中，为提高钢绞线的耐久性，一般在其外部安装HDPE外壳对其进行保护，外壳与钢绞线之间通过固定间距的绞线约束圈连接。在索力测试时，不允许每次测试都进行开窗作业，而是直接把拾振器安装在HDPE保护壳上[1]。

目前，关于在HDPE外壳上直接安装拾振器，测试该类拉索索力的准确性与可靠性方面的研究较少。主要研究集中在钢绞线斜拉索施工阶段拉索张拉状态调整及线形控制[2-6]，拉索复杂边界条件与索力误差分析[7-8]。陈建勇等[9]以该类拉索的实测数据分析为依据，得出在采用振动法测试该类拉索的索力时，传感器可直接安装在HDPE外壳上。

笔者以东水门大桥为工程实例，采用有限元软件建立带HDPE外壳拉索的空间模型，在拉索模型的端部施加白噪声模拟环境激励，记录模型中钢绞线与外壳对应各记录点的速度与加速度时程曲线，并对记录数据进行分析，通过与现场实测数据的对比，验证有限元模拟分析的合理性，以及该索力测试方法的可靠性。

1 工程概况

东水门大桥为双塔单索面钢桁架斜拉桥，上层为双向四车道道路，下层同轨道交通6号线，桥梁全长1 124.95 m，其中主桥跨径布置为222.5 m+445 m+190.5 m=858 m。大桥的每根斜拉索由139根平行钢绞线构成，其吨位在实桥应用中为世界之最。东水门大桥桥型布置如图1。

图1 东水门大桥桥型布置(单位：m)Fig. 1 Layout of East-Watergate Bridge

整根拉索表层为HDPE外壳(聚乙烯材料)，内腔为标准抗拉强度为1 860 MPa高强低松弛镀锌钢绞线。

2 有限元模型

以东水门大桥南边跨的SBK03号拉索为分析对象，SBK03号拉索的参数如表1：

表1 SBK03号拉索参数

拉索模型简化与假定：将整根拉索截面划分多个子截面，以考虑实际相对独立的多根钢绞线的拉力不均匀；HDPE外壳只有自重荷载，无初应力；约束圈位置只考虑垂直于拉索轴线方向的自由度耦合。单元选择：HDPE保护壳采用SHELL63壳单元，钢绞线采用Link10线单元。为提高计算分析效率，在建模中打开减缩质量矩阵。约束方法：对拉索端部节点的3个平动自由度进行约束。

模型进行静力分析与瞬态分析，模拟现场测试索力激振过程，采集钢绞线拉索和HDPE保护壳各模拟记录点的加速度、速度与位移时程数据。模拟采集点的选取，考虑以下3个方面：离钢绞线拉索约束圈的距离；实际工程安装测试高度的限制；HDPE外壳记录点与钢绞线上的记录点的一一对应。具体拉索采集点分布如图2：

图2 SBK03号拉索振动记录点布置(单位：m)Fig. 2 Layout of vibration recording points on SBK03 cable

3 有限元计算与分析

通过对各记录点的加速度、速度、位移12个时程曲线进行对比分析，研究各个参数对带HDPE外壳钢绞线斜拉索索力测试的影响。结果表明：加速度时程曲线的分析效果最为清晰，位移时程曲线的识别效果最差。由此，加速度信号和速度信号的时程曲线分析为文中的重点。

通过MATLAB程序，对记录点采集数据进行滤波处理与频谱分析，采用矩形窗函数。数据重叠分析为0.9倍。

3.1 HDPE外壳上记录点数据分析

选取P2′、P4′记录点(非约束圈位置)，与P3′记录点(约束圈位置)为分析对象，P2′、P4′记录点分别为第1段、第2段HDPE保护壳的中点，3个信号记录点的速度、加速度时程曲线分析效果如表2，P2′、P3′记录点典型分析效果如图3～图4。

表2 HDPE壳上不同位置记录点分析效果

由图3～图4的加速度信号分析效果表明，位于约束圈对应位置的P3′记录点，受其他频率干扰较小，而位于非约束圈的P2′记录点受其他干扰影响较大，特别是P2′记录点的15～30 Hz频率带，杂波干扰影响明显。

3.2 拉索与HDPE壳对应记录点分析

选取位于约束圈位置的P3′记录点(HDPE壳)与P3记录点(钢绞线)，同时选取距拉索端部较近的P1′记录点(HDPE壳)与P1记录点(钢绞线)为对象，以分析钢绞线约束圈对振动信号的传递效果，4个记录点的加速度信号分析效果如图5～图8：

由图5～图8可知，位于约束圈位置的P3′记录点(HDPE壳)与P3记录点(钢绞线)的加速度分析效果基本相同，文中未列出的速度频谱分析图亦是如此。P3′记录点(HDPE壳)的加速度分析效结果的一阶幅值有所增大，这说明约束圈具有良好的传递振动信号的能力。

P1′记录点(HDPE壳)与P1记录点(钢绞线)均未在约束圈位置，从频谱图可见，两个记录点的分析结果相关性较小，在HDPE壳上P1′记录点的分析效果优于靠近拉索端部的拉索上P1记录点，而P1′记录点(HDPE壳)与其最近的约束圈对应的P3′记录点(HDPE壳)的速度频谱图基本一样，加速度频谱的12 Hz以前的频谱图基本一样，12 Hz以后的HPDE壳上记录点的信号出现干扰。

综上，有限元软件分析说明：①在现场钢绞线索力测试时没有必要把HDPE壳撬开，拉索约束圈具有良好的传递拉索振动信号的能力；②在条件允许时，现场索力测试测点最好布置在约束圈位置；③HDPE壳上的非约束圈对应位置的振动信号是由约束圈位置间接的传递过来，在这些测点可以得到拉索有效频谱分析结果，但是在其中会出现相关的干扰，现场测试时需考虑这部分干扰的影响。

根据记录点的加速度信号与速度信号的分析结果，得出SBK03拉索的前11阶振动频率如表3：

表3 频谱识别结果

由上表频谱分析结果，拉索的基频为1.125 Hz，当阶次增大时，阶次间的频差也随之增大。

4 拉索现场实测频率索力

本次试验现场拉索的索力测试采用振动频率法，采集系统由加速度拾振器、连接线、数字调理分析仪、以及安装分析软件的笔记本电脑。测试时将拾振器固定在HDPE壳表面进行数据采集，现场分析判断。

图9 现场索力测试Fig. 9 Cable force measurement on site

在现场桥梁检测时，对大桥的36根拉索的索力均进行了测试，笔者以大桥南边跨SBK03号钢绞线斜拉索为例，采样样本长度为7 000个点，采样频率为51.2 Hz，采集振动加速度信号，并对信号进行分析，结果如图10：

通过SBK03号拉索的振动加速度信号进行分析，识别出前6阶振动频率，其振动基频为1.100 Hz，频差均值为1.100 Hz。

5 实测数据对比分析

由表4可见，笔者通过有限元软件模拟带HDPE保护壳钢绞线斜拉索索力测试方法是合理的。在拉索端部施加白噪声模拟外界激振，采集分析各记录点信号振动频率，并利用公式计算索力值，频差法计算结果与设计索力差值0.59%，基频法计算结果与设计索力差值-0.65%。

现场测试采集的数据分析，频差法与基频法计算结果与设计索力差值分别为-5.0%、-5.0%。此误差主要因为笔者未考虑拉索实际存在的弯曲刚度、垂度、复杂边界条件等因素的影响。

6 结 论

通过有限元软件模拟分析，安装HDPE保护壳的钢绞线斜拉索的测试过程与方法，以及东水门大桥的索力实测数据验证，得到以下结论：

1)针对实际工程中安装HDPE外壳的钢绞线斜拉索，为保护拉索的耐久性，振动法测试索力时，直接将传感器固定在HDPE壳上可进行索力的准确测量。

2)为减小HDPE壳相关杂波信号的干扰，测试索力时，传感器的最优安装位置在钢绞线约束圈位置的HDPE外壳上。

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(责任编辑：朱汉容)

CableForceMeasurementofSteelStrandofStayCablewithHDPEShell

LIU Dayang, HE Xiaoqin

(China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute Co., Ltd., Chongqing 400067, P.R.China)

The reliability and accuracy of cable tension test of steel strand cable with HDPE shell in practical engineering were studied through the simulation analysis of finite element software and the verification of field test data. The analysis of time-history signal of different acquisition and recording points on steel strand and HDPE shell shows that: in cable force measurement test of steel strand of stay cable with HDPE shell, the cable force can be effectively identified by directly installing sensor on HDPE shell which is corresponding to bound-circle of steel strand. The above conclusion is verified by East-Watergate Bridge.

bridge engineering; steel strand of stay cable; HDPE shell; cable force measurement; reliability

U443.38

：A

：1674- 0696(2017)09- 012- 05

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.09.03

2016-02-15；

：2016-05-14

重庆市应用开发(重大)项目(cstc2013yykfC30001)

刘大洋(1986—)，男，四川广元人，工程师，主要从事桥梁检测与养护方面的研究。E-mail：liudayang@cmhk.com。