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在現(xiàn)代大跨度橋梁中,斜拉橋是一類重要的橋型。斜拉索作為斜拉橋結(jié)構(gòu)中主要承力構(gòu)件對橋梁的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用,因而對斜拉橋索力的測試也顯得尤為重要。針對橋梁索力測試工程技術(shù)人員開發(fā)了多種方法,例如磁通量法、壓力法、基頻法等。其中,基頻法以其低成本、便捷性被廣泛應(yīng)用于橋梁斜拉索索力檢測與監(jiān)測。

基頻法測試索力以張力弦振動(dòng)理論為基礎(chǔ),通過測試弦振動(dòng)基頻而計(jì)算索力值。索力值與基頻滿足如下公式:

索力計(jì)算公式 上式中F為索力值,W為拉索單位質(zhì)量,L為拉索長度,fn為n階諧振頻率。

索力動(dòng)測儀是基于斜拉索振動(dòng)基頻分析識別的索力測試儀器。拉索振動(dòng)信號是多諧振動(dòng)信號組成的復(fù)合信號,頻譜分析圖中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值頻率點(diǎn),每個(gè)峰值點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)自振頻率。索力動(dòng)測儀對信號采集后快速自動(dòng)進(jìn)行傅里葉變換并顯示頻譜圖,同時(shí)將峰值點(diǎn)最高的頻率記錄為主振頻率,記為fn。由于在拉索實(shí)際振動(dòng)時(shí),某些階次振動(dòng)信號極其微弱,無法在頻譜圖中觀察到,使得某些相鄰峰值點(diǎn)的距離不相等,因此,將以相鄰峰值點(diǎn)距離中最小值作為基頻f1。比值fn/f1即作為主振頻率fn所對應(yīng)的階次。索力動(dòng)測儀自動(dòng)計(jì)算給出有n值,受測試時(shí)外界環(huán)境制約,可能無法獲取標(biāo)準(zhǔn)頻譜圖而導(dǎo)致計(jì)算的n值不準(zhǔn)確。此時(shí),可以根據(jù)頻譜圖人工計(jì)算。確認(rèn)n值,并將正確值直接輸入儀器參數(shù)項(xiàng)內(nèi)。最終,儀器將根據(jù)索力計(jì)算公式和輸入的參數(shù)W和L自動(dòng)計(jì)算出拉索張拉力F。

索力測試流程示意圖

1、傳感器連接與固定

a.信號線與傳感器連接,注意接口螺帽輕擰,并確保接入牢固

b.首先將強(qiáng)磁鐵與鋁板以及傳感器用螺絲固定,后用鋁板上的粘扣將整個(gè)傳感器固定于測試?yán)�索�?注意磁鐵面正對拉索;傳感器為加速度計(jì),固定時(shí)請用力將粘扣綁緊,使磁鐵面緊壓住拉索。傳感器固定位置離橋面錨點(diǎn)至少3 ~ 4m距離,并要求傳感器方向朝上。

c.將信號線上另一端接口接入儀器

2、SD卡插接與固定

SD卡正面朝外,直接插入面板上SD卡插口,按下會(huì)有"咔嗒"聲響,此時(shí)SD卡已正確插入。再按一次,SD卡將自動(dòng)彈出。SD卡為測試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡,若需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù),開機(jī)前請先插入SD卡。

3、開機(jī)

按下開關(guān)按鈕,檢查屏幕右上角電池電量標(biāo)識,若電量不夠請及時(shí)充電。

4、工程文件名與計(jì)算參數(shù)設(shè)置

點(diǎn)擊進(jìn)入"工程設(shè)置界面",儀器默認(rèn)的文件路徑為SINE/TEST1,建議用戶命名規(guī)則為:一級文件名-構(gòu)件;二級文件-拉索編號,例如一座雙塔斜拉橋:1LN/01,即表示該橋1號塔左側(cè)拉索北面拉索第1根拉索。

文件命名示例 除文件命名外,在工程設(shè)置界面有一個(gè)重要的系數(shù)(比例系數(shù)K)需要設(shè)置,K值的確定首先咨詢橋梁管理單位或施工單位,直接輸入對應(yīng)的K值設(shè)置處;若不確定也可依據(jù)索長L和單位質(zhì)量W值計(jì)算,儀器將根據(jù)輸入的L與W值自動(dòng)計(jì)算處K值。由于每根拉索索長不同,因此每根索K值也不同,此處也可暫不設(shè)置K值,測量時(shí)直接在測量界面設(shè)置對應(yīng)的K值。(注:索長L指拉索橋面錨點(diǎn)與支撐錨點(diǎn)的長度,單位為m;W為拉索1m長的重量,單位為Kg)。

5、采集參數(shù)設(shè)置

工程文件設(shè)置完成后退出并進(jìn)入采集索力測量界面。在屏幕上方選擇好對應(yīng)的測試通道,若傳感器接入的是PIN1,請選擇通道1。信號觸發(fā)方式儀器默認(rèn)"信號觸發(fā)",無需改動(dòng)。放大倍數(shù)儀器默認(rèn)為29dB,參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)先將放大倍數(shù)調(diào)至53或59dB。采樣頻率儀器默認(rèn)為500Hz,可先不做改動(dòng)。保存方式儀器默認(rèn)為"手動(dòng)保存",可先不做改動(dòng)。按屏幕右側(cè)信號采集按鈕進(jìn)行信號采集,按下次繼續(xù)采集,此時(shí)采集信號均不會(huì)保存。

放大倍數(shù)設(shè)置

點(diǎn)擊【確認(rèn)】鍵,開始采集信號,儀器右下角顯示紅色的"開始采樣"字樣,等待該處顯示"空閑狀態(tài)"字樣即表示信號采集完成。查看屏幕信號顯示區(qū)所占比例,通過調(diào)整放大倍數(shù)使信號幅值大小在顯示區(qū)垂直方向占2/3左右。如下圖3(a)所示,放大倍數(shù)設(shè)置為53dB,信號完全飽和,需要減小放大倍數(shù);圖3(b)中,放大倍數(shù)設(shè)置為29dB,信號幅值偏小,需提高放大倍數(shù)。

不同放大倍數(shù)信號采集示例

按儀器默認(rèn)的500Hz采樣頻率先進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集,完成信號采集后儀器將自動(dòng)識別主頻,即頻幕頻譜圖顯示區(qū)中Fn1值。依據(jù)采樣定理,信號采樣率一般要求為信號頻率的5~10倍。例如,當(dāng)Fn1=20Hz,則儀器采樣頻率設(shè)置范圍為100~200Hz,本儀器中采樣頻率則可供選擇125或250Hz,此時(shí)按高采樣率選擇,即選擇250Hz為佳。

觸發(fā)閾值是指當(dāng)信號幅值達(dá)到設(shè)定值時(shí),觸發(fā)信號采集。觸發(fā)閾值設(shè)置需配合放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),儀器出廠前有默認(rèn)的觸發(fā)閾值設(shè)置,一般不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。需要進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)進(jìn)入閾值設(shè)置狀態(tài),點(diǎn)擊頻幕右側(cè)工具欄中第一個(gè)圖標(biāo),旋轉(zhuǎn)功能旋鈕1和2進(jìn)行調(diào)節(jié),此時(shí)屏幕信號顯示區(qū)橫向的藍(lán)色和紅色游標(biāo)線移動(dòng)。

觸發(fā)閾值需要調(diào)節(jié)的情形是當(dāng)放大倍數(shù)設(shè)置為29dB時(shí),采集信號,當(dāng)按完【確認(rèn)】鍵時(shí),信號立即被采集并顯示在屏幕上,且信號波形雜亂無章,則很有可能采集信號為噪聲信號,此時(shí)需要將觸發(fā)閾值提高。觸發(fā)閾值設(shè)置過高將會(huì)出現(xiàn)信號無法觸發(fā),儀器始終(超過1分鐘)處于等待信號采集狀態(tài),此時(shí)需要將觸發(fā)閾值調(diào)小。

3.6信號采集與分析

完成上述參數(shù)設(shè)置后,將保存方式設(shè)置為"自動(dòng)保存"。

左下角文件名默認(rèn)為工程設(shè)置界面所設(shè)置文件名,其中直接點(diǎn)擊該處可快速修改二級文件名,即索號修改。例如,當(dāng)測試完第1根索(文件名:1LN/01)后無需再進(jìn)入工程設(shè)置界面設(shè)置文件名,直接在在此處將二級文件名修改為"02"。測試編號表示測試數(shù)據(jù)編號,通常每根索測試5組有效數(shù)據(jù)即可。

系數(shù)K設(shè)置默認(rèn)為工程設(shè)置界面設(shè)置的K值,在測量界面也可直接修改,直接點(diǎn)擊屏幕下方的"系數(shù)"進(jìn)入設(shè)置界面,若已知K值請直接輸入,若未知請?jiān)O(shè)置索長L與單位質(zhì)量W值(此處請注意長度單位為m,質(zhì)量單位為Kg)。設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)后即可進(jìn)行信號采集,信號采集后儀器將自動(dòng)對信號進(jìn)行頻譜變換并識別主振頻峰。

根據(jù)索力計(jì)算公式,有兩個(gè)重要參數(shù)階數(shù)n與基頻f1,儀器將自動(dòng)識別信號頻峰并自動(dòng)計(jì)算出階數(shù)值和基頻值。但在受外界多種測試環(huán)境影響下,可能出現(xiàn)頻譜識別誤差,因此需要人為調(diào)節(jié)。

1、首先旋轉(zhuǎn)功能旋鈕1,將游標(biāo)1移動(dòng)至頻譜圖中的主頻峰;
2、隨后旋轉(zhuǎn)功能旋鈕2將游標(biāo)2移至離主頻峰相鄰的頻峰;
3、如此時(shí)頻幕下方階數(shù)不是01,請將在該處直接輸入階數(shù)值"01"。

在這一調(diào)節(jié)過程中,索力大小將跟隨自動(dòng)計(jì)算并實(shí)時(shí)更新、顯示在屏幕下方。

頻譜圖峰值識別示例 由于測試過程中或多或少均會(huì)受到外界多種因素影響,測試獲取的頻譜圖為非理想圖,往往在主頻峰附近有多個(gè)突起的雜峰。因此在上述操作中第(2)點(diǎn),相鄰峰值識別需要注意選取,從整個(gè)頻譜圖觀察每個(gè)諧振峰的間距,選擇與間距基本相等的峰值處作為相鄰峰。