本帖最后由 张女士 于 2024-3-8 09:22 编辑
斜拉桥是经济性和跨越能力较好的桥型，属超静定结构，冗余度高，大规模应用在300-1000米跨径桥型中。斜拉索及锚固系统是该类桥型的易损构件，需要重点关注，精确测量索力或频率是评价斜拉索受力状态的重要指标。针对目前常规的接触式斜拉索索力测试传感器效率较低，需要人工辅助综合推算基频的情况，本文以桃夭门大桥为工程背景，采用基于雷达的斜拉索索力非接触遥测技术，通过单台雷达发射的扇面信号波远距离，同时对多根斜拉索的中部振幅进行位移监测，以较高的效率和精度获取索力，以掌握斜拉索索力的基准和变化趋势，为制定养护策略提供依据。
频率法高精度推算斜拉索索力
目前，常见的斜拉索索力测量方式有压力传感器法、频率法和磁通量法等。压力传感器法通过在锚固端安装压力环传感器，短期使用精度高，由于无法标定导致长期精度误差不断偏移且不可控，主要在施工阶段使用。磁通量法利用放在索中的小型电磁传感器，测定磁通量变化，根据索力、温度和磁通量变化的关系推算索力，国内很少采用该方式进行测量。常规频率法利用精密拾振器，拾取拉索在环境振动激励下的振动信号，经过滤波、放大和频谱分析，再根据频谱来确定拉索的自振频率，然后根据自振频率与索力的关系确定索力。测定频率精度可达到0.005Hz，可重复检测，目前广泛应用在索力测量工程场景。
频率法测索力的原理源于弦振理论，根据水平张紧索的自由振动方程，在实际的工程测量中拉索两端简支的情况下拉索索力的表达式如下。
式中：EI为拉索的抗弯刚度，T为拉索张力，m为拉索的单位长度质量，n(n=1,2,3,……)为拉索自振频率的阶数，l为拉索的计算索长。
对于大跨度斜拉桥的中长索，其抗弯刚度可以忽略不计，因此只需计算式中第一项。对某一根指定的平行钢丝索体斜拉索（即已知索的长度、每延米索的质量以及支承条件），只要测出振动频率，即可求出索力。
提升斜拉索索力精度测量的五点假设
斜拉索索力的计算式是将斜拉索看作一根张紧的弦，属于理想状态。其有五点基本假设：（1）忽略自重，张紧后的斜拉索认为是一根直线；（2）两端边界条件为铰接；（3）斜拉索振动属于无阻尼状态下的自由振动；（4）斜拉索为均质等截面体；（5）拉索仅作微幅振动。经过大量研究试验表明，斜拉索的垂度、阻尼器、边界条件、温度等对索力测量结果影响较大。
拉索垂度
斜拉索自重状态呈悬链线布置，根据弦理论得到的索力计算公式，没有考虑斜拉索垂度对于索振动频率的影响。当考虑拉索垂度影响时，拉索的面外振动和面内反对称振动的频率分析结果与张紧弦理论相同，即对振动频率没有影响。但对于拉索面内对称振动，拉索发生了明显的收缩变形，此时由变形引起拉索频率增量不容忽略，且随着索长的增加不断增大。拉索垂度对低阶频率影响较大，但随着频率阶次增加影响程度减小。有研究表明，对于407米的斜拉索，垂度对拉索基频影响达到4.9％，对拉索索力的影响则更大。要在面内振动信号中识别对称还是反对称振动是很困难的，国内外也有文献引入相关参数进行评价。在实际测量与计算分析过程中，建议优先分析拉索面外振动频率，其次通过分析拉索的高阶频率来计算索力，以求减小斜拉索垂度影响所产生的误差。
综上，为减少拉索垂度对频率测量带来的影响，优先采集拉索面外振动，其次采用高阶频率进行分析。
斜拉索阻尼器
目前，大跨度斜拉桥上均布置有斜拉索外置式阻尼器，其阻尼系数对拉索振动特性影响很大，也很复杂。在既有斜拉桥上进行索力测量时，通常是无法临时解除阻尼器约束，只能在分析索力时降低其影响程度。
据文献研究表明，短索在安装外置阻尼器后，在阻尼器一定距离三个数据采集点的位移减振最小幅值为52.60％，速度减振的最小幅值为55.14％，加速度减振的最小幅值为41.32％；长索在安装外置阻尼器后，两个数据采集点的位移减振最小幅值为53.02％，速度减振的最小幅值为52.22％，加速度减振的最小幅值为53.66％。幅值减弱必然导致信号衰减，噪音增加，采集的数据效果差，经常碰到拉索频率识别困难或错误的情况，因此实践过程中需多次反复采集。
拉索-阻尼器系统振动如图1所示，阻尼器对斜拉索频率的主要影响因素包括阻尼系数c、高度、阻尼刚度k。研究表明，阻尼器的阻尼系数、阻尼器的高度对斜拉索高阶频率影响较大，最大影响分别约在2%、8%，但对低阶频率影响相对较小，尤其是前两阶频率。另外，阻尼器刚度对拉索频率有一定的影响，阻尼器刚度主要是其支架刚度。在既有斜拉桥中，阻尼器刚度是很难进行准确测量和评价，但其值是相对恒定的，产生的误差也基本恒定的。据研究表明，其对各阶频率的最大影响约2.2%，因此测量过程中可以默认其存在。
图1 拉索-阻尼器系统振动示意图
综上，阻尼器导致拉索振动大幅减小导致频率测量困难，需要在更高位置进行频率采集。阻尼器各参数对拉索频率有一定干扰影响，综合分析后认为索力分析采用第二阶频率相对精度最佳。
边界条件与计算索长
边界条件的处理方法直接影响了拉索的计算长度取值、弯曲刚度、附加质量等参数。对于长索，拉索端部边界条件接近于铰支，计算索长可折减端部锚具段拉索长度。绝大多数斜拉桥的拉索长度较长，拉索边界条件接近张紧弦，对于长索弯曲刚度可以忽略不计。PE护套等附加质量可将质量折算入拉索钢丝中。
在实践中，如果桥梁检测单位在桥梁修建时做了拉索二次等效长度测试工作或相关参数修正，那么后面在索力测量时可直接采用当初确定的索长或参数修正值。但是在实际工程中，往往没有做这部分工作或相关技术细节被隐蔽。等效索长的测量、参数修正是个复杂的科学问题，受不同测试者认知水平、误差和其他因素影响，无法取得统一结果。既有桥梁检测过程中应重视同阶次频率值的对比，在索力换算时选取上次拉索参数，以便客观、准确地评价斜拉索在近一个测量周期内的变化情况。
温度影响
斜拉索在温度作用下索长随温度变化而伸缩，由于两端的锚固作用导致对斜拉索产生松弛或张力增加。桥梁结构庞大，光照不均匀、导热系数不同等形成的温度场非常复杂，温度对主梁线形和塔柱偏位等产生的影响又将影响索力。斜拉索体系是超静定结构，温度对斜拉索索力的作用非常复杂。
常规频率法测斜拉索索力，整个检测过程至少需要1-2天，这期间温度的影响时刻都在变化，统一温度修正不现实，但测试过程中记录温度和天气状况是必要的，以掌握测量过程中的实际状况。建议每次测量斜拉索在固定的月份或季节，以增加与前一次的可比性，并选择阴天天气进行。
微波雷达提高形变测量精确度
形变雷达测量主要是采用差分干涉微波雷达测量技术原理，通过对比不同时刻雷达反射信号的相位差，对目标的位移变化情况进行精确的测量，以得到目标物的形变量。图2为干涉示意图，雷达接收的第一次发射信号的回波相位为φ0，接收到的第二次发射信号的回波相位为φ1，则两次回波信号间的相位差为φ1-φ0，根据相位与波长的对应关系可确定目标的精确位移变化。目标的位移变化可表示成图中公式，其中为发射雷达信号电磁波的波长。通过上述过程提取了目标在雷达视线方向的形变量。
图2 雷达测量位移的基本原理
图3所示为一种基于正交调制的固定中频接收机体制雷达系统，能够达到相位噪声的对消，提高电路的灵敏度，同时避开零中频接收机体制和固定中频体制的缺点等。微波雷达参数如表1所示，发射信号频率，由发射端耦合出的一路信号与发射信号同频同相，且相位噪声相同。同时利用正交调制器将频率在的宽带信号产生频偏，混频器将接收信号与频率在的信号混频后得到了频率在附近的中频信号，该信号经过带通滤波器后即被采集板采集成数字信号。该方案中信号将被搬到附近，雷达能够避开在零中频附近出现的本振泄漏、直流偏置等问题。
图3 雷达测量硬件系统构架
优于常规的雷达形变测频
桃夭门大桥是舟山大陆连岛工程高速公路的第三座跨海大桥，全长888米，桥面宽27.6米，双向四车道，2006年建成通车。桥跨布置为48m＋48m＋50m＋580m＋50m＋48m＋48m，主桥为580米的双塔双索面半漂浮体系混合式斜拉桥，主梁采用钢结构加劲梁，基础为钻孔灌注桩，下部为钻石形索塔，索塔高151米。全桥168根斜拉索，采用直径为7毫米的镀锌高强度低松弛钢丝，外包高密度聚乙烯材料，每根斜拉索上布置了外置阻尼器进行抑振。
通过单台雷达发射的扇面信号波远距离、同时对多根斜拉索的中部振幅进行位移监测，如图4所示。通过分析雷达回波信号，结合现场设备与回波位置间的距离判别对应斜拉索编号，如图5所示，对应红色竖线是斜拉索位置的回波。通过对比不同时刻雷达反射信号的相位差，以得到目标物的形变量，可以获得多根拉索的位移时程曲线，如图6所示。通过位移时程曲线进行相应的傅里叶变换等，得到该拉索的频率数据。
图4 微波雷达测索力
图 5 多根拉索的雷达信号散射图
图6 多根拉索的位移时程曲线
在检测过程中分别采用常规重力加速度传感器测频率和微波雷达形变测频率进行对比。同时，分别选取XJ08R索和XJ20R索，采用重力加速度传感器和雷达进行频率测试，两者结果如图7和图8所示。检测发现，采用常规加速度传感器进行测量，其对前5阶频率的识别质量较差，一般能相对准确识别第6~8的频率值。从某种角度而言，两者在测拉索频率方面存在一定的互补性。但根据前述斜拉索索力精度影响因素分析结果，采用微波雷达形变法进行测量，能有效识别第2阶的频率，测量过程中可控制辐射角度测量拉索面外形变，该分析方法得到的索力最接近真实索力。
图7 重力传感器测索力频率分析
图8 微波雷达测索力频率分析
桃夭门大桥右幅索力测量结果如图9所示，2019年采用常规重力加速度传感器进行索力检测和分析，2020年采用雷达形变进行索力检测和分析，两者索力检测结果基本一致。常规重力加速度传感器测频率实际上是通过捕捉拉索的微振动进行频率分析，微波雷达是通过捕捉中部拉索的形变进行频率分析，两者原理完全不同，最终的结果基本一致，说明频率法测拉索索力是可靠的手段。对比两者的微小差异，其产生的原因错综复杂。对于工程实际而言，采用雷达测拉索索力是稳定、强壮的首选检测手段。
图9 桃夭门大桥右幅索力测量结果
综合本次使用过程，认为雷达形变测频率相比常规重力加速度测索力具备以下优点：
具有连续、动态、远距离非接触、全天候、全天时等优点；
选择拉索中部位置进行测量，干扰少、数据稳定、不需要反复多次测量；
实测数据表明测量前5阶频率方面雷达形变具备显著优势；
一次同索面多根同时检测，数据完整性好。
实际斜拉索与理论理想状态有一定的差异，经过各影响因素的综合分析研究，索力计算建议采用斜拉索的第2阶频率。既有桥梁检测过程中应重视同阶次频率值的对比，在索力换算时选取上次拉索参数，每年选择同季节的阴天进行索力测量更准确。
雷达形变测量具有连续、动态、远距离非接触、全天候、全天时等优点，选择拉索中部进行测量，干扰少、数据稳定，测量前5阶频率具有显著优势，一次同索面多根同时检测数据完整性好。
本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志 2020年 第4期 总第12期
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