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摘要：经济在快速的发展，社会在不断的进步，在大跨度斜拉桥正常运营阶段，准确测试超长拉索的索力是一个重要课题，有助于评估大桥在运营阶段中的整体受力是否存在异常。以某斜拉桥桥超长拉索为工程背景，通过现场振动测试研究探讨其索力变化情况。根据这些实测数据用4种常用的理论方法计算了拉索的索力，同时对这4种方法的分析结果做了对比，讨论了一些因素如垂度效应以及抗弯刚度等对超长索索力计算结果的影响。最后，将方法研究结果应用于运营期间超长拉索索力的跟踪测试，分析结果可为桥梁运营状态评估提供数据支撑。
关键词：斜拉桥；斜拉索；振动响应；自振频率；索力
引言
目前，世界各国建成了越来越多的大跨径斜拉桥。斜拉索是斜拉桥最为重要的构件之一，其力学性能直接关系到桥梁结构的整体安全。因此，运营期斜拉索的索力状况是斜拉桥管理、养护的重点，需准确测定拉索实际索力的大小并跟踪观测期变化状况，结合交通量的变化情况，用于评估斜拉桥在运营过程中的整体受力是否存在异常。目前斜拉桥索力的测试方法主要有液压表法、测索伸长量法、压力传感器法、磁通量法和振动频率法等。液压表法和测索伸长量法一般仅用于拉索张拉施工过程中的索力测量，无法测量张拉完成的运营期拉索。压力传感器法由于压力传感器自身重量大，需在施工阶段预先埋置，而且输出的结果存在漂移，因而通常这种方法主要应用于施工期间的索力监测。磁通量法需要事先测定拉索材料特性并在拉索内放置小型电磁传感器，才可用于测量运营期的索力，初期投入成本较高，国外应用较多而国内应用相对较少。为了准确分析正常运营阶段超长拉索索力，首先需要验证常用的识别索力的计算方法。本文对沈丘沙河大桥斜拉桥的多根超长索进行了试验研究，用频域方法分析拉索的振动信号，可以得出超长索的自振频率。根据实测的自振频率，拉索索力可以由不同的方法算出。比较由各种方法算出的结果，总结出了这种超长索索力识别时垂度效应以及抗弯刚度等因素对结果的影响。随后对超长拉索在运营多年的索力进行识别分析。振动频率法因其操作方便且成本相对低廉是目前运营期索力测量中应用最广泛的方法，得到了广泛的重视。各国学者在研究拉索动力特性方面做出了很大的努力。提出了重要的拉索线性振动理论，分别推导出了小垂度水平索的面内和面外自由振动方程。这一理论为拉索振动的研究奠定了坚实的基础。等提出了一组拉索大振幅振动的非线性方程。等提出了一组用实测频率计算索力的实用公式。提出了一个用有限差分法分析拉索振动的方程。提出了一种用有限元法和系统识别技术通过实测频率识别索力的新方法。为了准确分析正常运营阶段超长拉索索力，首先需要验证常用的识别索力的计算方法。本文对沈丘沙河大桥斜拉桥的多根超长索进行了试验研究，用频域方法分析拉索的振动信号，可以得出超长索的自振频率。根据实测的自振频率，拉索索力可以由不同的方法算出。比较由各种方法算出的结果，总结出了这种超长索索力识别时垂度效应以及抗弯刚度等因素对结果的影响。随后对超长拉索在运营多年的索力进行识别分析。
1新型斜拉索减振阻尼器
图1斜拉桥桥型布置
随着大跨度斜拉桥的不断增加，超长斜拉索越来越长，利用常规型式的减振器，想达到良好的减振效果，需要使减振器的安装位置很高，因此会导致很多不必要的问题：桥梁的景观受到影响、很大的阻尼器支架截面、阻尼器的安装维护不方便等。同时，阻尼器的振动控制效果受温度参数温度性和耐久性受外部环境影响大，例如：处于腐蚀环境的跨海桥桥址、处于地区昼夜温差大的斜拉索。因此，为解决这些问题，研究者研究不断深入，提出了一些新型的斜拉索减振阻尼器。新型的斜拉索减振阻尼器有：液体质量双调谐减振器、永磁式谐调质量阻尼器、隔振系统、杠杆质量阻尼器、刚性杠杆质量减振器、永磁电涡流杠杆质量减振器、负刚度阻尼器等。玛寄斜拉索与TMD组合起来作为一个振动系统，通过试验研究与有限元模拟相结合的方法研究了TMD对拉索减振的影响。风雨激励极易导致斜拉索发生大幅度振动，在外部附加阻尼器是一种用来抑制较短斜拉索振动的有效手段。对于较长斜拉索而言，不能同时满足安装位置不可过高要求和美观要求。针对这种问题，提出一种新的斜拉索隔振系统来对斜拉索的进行减振。隔振系统可以安装在斜拉索的锚固端，由隔层橡胶垫块和1个内置阻尼器组成。通过建立了斜拉索一隔振系统分析模型，通过比较安装隔振系统和安装被动阻尼器的斜拉索位移响应，得到以下结论：相比最优状况下的被动阻尼器，隔振系统具有更显著的减振效果，可以应用在实际工程中。
2斜拉索索力识别
2.1现场测试
沈丘沙河大桥斜拉桥横跨江河，三跨布置，如图1所示，桥梁跨径组合为6x30米+（75+130+75）米+6x30=640米，主桥为斜拉桥。本桥桥型为双塔双索面预应力混凝土矮塔斜拉桥，主塔呈矩形，塔高26.6m，拉索锚固点塔上竖向间距为1.2m，梁上水平间距4m。全桥共32根拉索，拉索采用环氧无粘结预应力钢绞线，锚具采用相应的夹片群锚。最长拉索为113.7m。本研究主要针对最长的拉索C8，全桥共有4根。试验中，把两个压电加速度传感器绑在待测拉索上，分别用来测试拉索的面内振动和面外振动。
功率谱峰值（PP）法是最常用的识别结构自振频率的方法，其理论基础为傅立叶变换和功率谱分析。对实测的时域信号做变换后可得自功率谱密度（ASD），ASD图上的峰值处对应的频率即为结构的自振频率。在本文中，对每个实测信号加汉宁（Hanning）窗，重叠率为50%，采样频率为20Hz，快速傅立叶变换（FFT）的分析点数取2048，于是识别出的频率分辨率为20/2048≈0.010Hz。
2.2索力识别结果
图2为用四种方法计算超长拉索C8索力识别结果的对比，图3为用四种不同的方法计算索力的误差。图中：T1~T4分别表示根据前文所述4种理论方法计算得到的索力值，这四种方法依次为弦振动理论，仅考虑垂度效应的理论（Irvine），仅考虑抗弯刚度影响的理论（MorseandIngard）和综合考虑垂度效应和抗弯刚度影响的实用公式（Zui）。垂度效应对面外振动没有影响，故用面外振动的频率计算的索力仅有T1和T3。
图2C8拉索四种方法计算的索力
图3C8拉索四种方法计算的索力相对误差
结语
为了研究超长拉索的振动特性，对沈丘沙河大桥斜拉桥C8超长拉索进行了现场振动测试，识别出拉索的前20阶面内振动和面外振动的自振频率，并用4种方法计算了基于实测频率的拉索索力。根据方法研究结果，对斜拉桥调索后近2年运营期间4根超长拉索索力进行了跟踪测试分析。
参考文献：
[1]郑罡，倪一清，高赞明，等.斜拉索张力测试和参数评估的理论和应用[J].土木工程学报，2005，38（3）：64-69.
[2]吉伯海，程苗，傅中秋，等.基于振动频率法的斜拉桥索力测试影响因素[J].中南大学学报：自然科学版，2015，46（7）：2620-2625.