CN110387820A - 一种基于智能张拉系统的吊杆测控一体化施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于智能张拉系统的吊杆测控一体化施工方法，主要是利用智能张拉系统对吊杆分级同步张拉过程中的张拉力与当时所测的吊杆基频来得到适用于该吊杆的索力与基频公式，称之为标定，并在张拉锚固后利用该公式测试其有效索力来控制其张拉效果，由于每根索都有其对应的索力公式，可以有效排除由于吊杆制造误差，边界条件的不同等造成的索力测试误差，从而提高施工精度，并且由于每根吊杆张拉均进行了控制，所以吊杆索力与设计更为相符，可以减小索力调整的工作量，同时由于可以实现分级同步张拉，可以有效提高张拉精度和效率。

Description

一种基于智能张拉系统的吊杆测控一体化施工方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种吊杆的测控施工技术。

背景技术

随着现代交通事业的飞速发展，桥梁形式越来越多地朝轻盈、高强和大跨度方向发展。其中斜拉桥、悬索桥和中、下承式拱桥以其良好的跨越能力和优美的造型受到设计者的青睐。与斜拉桥的斜拉索、悬索桥的主缆及吊索、施工中的缆索一样，吊杆是其重要的传力构件，将纵横梁等永久作用和汽车等可变作用传递到拱肋上，所以如何安全准确的施加吊杆的内力是吊杆拱桥施工中一项重要工作，吊杆索力是系杆拱桥施工过程监控的重要内容之一，它是保证桥梁线形和各部受力达到设计状态的重要依据。另外定期了解吊杆的受力状况是判断系杆拱桥是否处于正常工作状态的重要依据，所以拱桥的吊杆索力是极其重要的参数，对吊杆索力测定的精确与否直接关系到施工控制的顺利实施和桥梁在运营期间的准确监测,因此索力测定也越来越被重视。

吊杆的施工从时间维度上来分主要分为吊杆索力的建立，吊杆索力的调整以及吊杆索力检测三个阶段。

吊杆索力的建立主要是通过张拉来实现，张拉顺序不同，结构内力不同，并且后张拉的吊杆对前批张拉的吊杆的影响比较大。一般要求桥梁两侧的吊杆应同时对称同步张拉，对于同侧关于跨中对称的吊杆也应对称同步张拉，而现在传统张拉的方式难以满足要求。除此之外由于吊杆伸长量比较小，锚固回缩造成的索力损失比较大，索力偏差也比较大，下表1为某工程吊杆锚索后的索力值。

张拉锚固后所测吊杆索力值 表1

从表中可以看出，锚固效果差别比较大，锚固效果受现场工人操作影响比较大，而现在的施工方法并没有对锚固效果进行控制，或者有也是通过测试锚固回缩量来推断锚固后索力，但由于受刻度尺测试精度所限，测试精度比较低，这就导致了锚固后索力成为一个离散的未知数，不利于后期调索工作的开展。

在大跨径系杆拱桥施工中，由于构件自重、刚度、立模高程等因素的影响，吊杆张拉完毕索力后结构线形和受力将与目标值发生一定的偏离，导致最终桥梁结构的实际状态与理想状态存在一定的误差。为了避免拱、梁和索可能出现的超应力情况，以及获得理想的拱梁线形，必须进行适当的索力调整。目前，国内外已有的索力调整的方法主要有：弯曲能量最小法、弯矩最小法、影响矩阵法等等。

在这些桥梁的施工及成桥后的维护中，吊杆的张力测试将贯穿整个过程。国内外现行的索力测试方法主要有油压表法、传感器法和频率法等几种，而其中尤以频率法应用最为广泛。频率法是通过准确建立拉索索力与其自振频率的对应关系来识别拉索索力。此过程不需要预埋任何传感器，它利用环境随机振动或人工激振，在拉索上附着高灵敏度的传感器，拾取拉索振动信号，经过滤波、放大、谱分析，识别结构的振动特性，然后根据拉索索力与其自振频率之间的关系求出索力。目前的研究基本上都是采用均匀吊杆索(均匀吊杆索是指两锚固点之间索段的横截面为等截面、材质均匀、材料的应力应变符合虎克定律的吊杆索)的振动模型，忽略了吊杆索锚头部分的刚度及其单位长度的质量与柔性索段的差异，且没有考虑吊杆的长度对吊杆索力测试精度的影响。在斜拉桥、悬索桥等长索索力测试中，由于索较长忽略吊杆索锚头部分的刚度及其单位长度质量与柔性索段的差异不会对测试精度造成显著影响，索力与自振频率之间的对应公式精度较高，工程实用性强，很多学者已经研制开发了多种相应索力测试仪器。但由于拱桥吊杆相对较短，吊杆的抗弯刚度不可忽略；吊杆计算长度很难精确；吊杆的边界条件(约束)比较复杂等原因，索力与频率之间的理论公式精度不高，其相应理论尚不完善，导致该法应用于吊杆的精度相对较低，虽然目前也广泛采用该法对吊杆进行索力识别，但难以满足实际工程精度要求。

本文测试方法是基于频率法索力测试的基础上的，所以在此简要介绍一下索力测试原理。

(1)基本假定

(1)吊杆在面内振动和面外摆振不具有耦合性，可以看成平面问题来研究；

(2)振动引起的挠度远小于索的静载挠度；

(3)忽略垂度影响，索的静载曲线以抛物线代替悬链线。

(2)基本方程

应用结构动力学原理可以建立吊杆的自由振动微分方程如下：

式中:EI为吊杆的抗弯刚度；x为截面位置横向坐标；u为吊杆挠度；T为吊杆索力；m为吊杆线密度。

(3)特殊边界下方程的解

I.两端铰支

若吊杆两端铰支，则由式(1)的解为：

则吊杆索力为：

式中：ω_n为第n振型的固有圆频率；f_n为第n阶固有震动频率。

当测得频率为基频时，即n＝1时，吊杆索力为：

II.两端固支

若吊杆两端固支，则由式(1)的解为：

2αβ[1-cos(αl)cosh(βl)]+(β²-α²)sin(αl)sinh(βl)＝0 (5)

式中：

该式为超越方程，不能给出固有频率的显示，一些学者提出了计算索力的实用计算公式。

式中：

针对某一根特定的吊杆，其线密度m，长度l，抗弯刚度EI均为固定不变，则从以上理论可以看出无论铰支还是固支，索力与基频的关系均可以概括成：

T＝af₁ ²+bf₁+c (7)

式中：a，b，c均为待定系数。

大量的工程实际和研究表明现在传统张拉的方式难以满足桥梁两侧的吊杆应同时对称同步张拉，对于同侧关于跨中对称的吊杆也应对称同步张拉的要求，并且现有的索力测试方法对于吊杆等短索的测试精度难以满足工程精度要求，同时给索力调整带来问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于智能张拉系统的吊杆测控一体化施工方法，主要是利用智能张拉系统对吊杆同步分级张拉过程中的张拉力与当时所测的吊杆基频来得到适用于该吊杆的索力与基频公式，称之为标定，并在张拉锚固后利用该公式测试其有效索力来控制其张拉效果，由于每根索都有其对应的索力公式，可以有效排除由于吊杆制造误差，边界条件的不同等造成的索力测试误差，从而提高施工精度，并且由于每根吊杆张拉均进行了控制，所以吊杆索力与设计更为相符，可以减小索力调整的工作量，具体技术方案如下：

一种基于智能张拉系统的吊杆测控一体化施工方法，施工流程包括如下步骤：

(1)利用数控张拉设备按照预定的张拉级数对吊杆进行多端(例如两端、四端等等)同步张拉(两端不平衡力小于张拉设计值的1％)，在每级持荷保压时自动识别张拉力值与每根吊杆的基频；

(2)利用识别采集到的张拉力值与基频，所述数控张拉设备自动进行拟合得到一个适用于该根吊杆的索力公式，称之为标定公式，并判断标定公式的可信度，如可信则自动储存进数据库，如不可信则提出警告终止，并卸载重新张拉，直至可信并储存进数据库；

(3)锚固完成后，采集吊杆基频，所述数控张拉设备自动代入数据库标定公式得到锚下有效索力，与设计值比较，判断误差是否在允许范围之内；若误差在允许范围之内，则该吊杆此次张拉完成，若误差不在允许范围之内，则进行补拉直至误差满足要求；

(4)所有吊杆初拉完成之后，测试全桥所有吊杆此时锚下索力，与设计值进行比较，判断索力是否满足要求，若满足要求则张拉完成，并给出偏差值；若不满足要求则需进行调索。

进一步地，所述对吊杆进行张拉，具体为桥梁两侧的吊杆同时对称自动精确同步张拉(两端不平衡力小于张拉设计值的1％)，对于同侧关于跨中对称的吊杆也对称自动精确同步张拉(两端不平衡力小于张拉设计值的1％)。

进一步地，所述每组对称吊杆(共m根)张拉级数分级为1、2、……、n共n级，自动同步张拉至每级，在每级保压期间采集该组吊杆内每根吊杆自振频率分别为f₁ ¹、f₂ ¹、…、f_n ¹；f₁ ²、f₂ ²、…、f_n ²；……；f₁ ^m、f₂ ^m、…、f_n ^m。(注：下角标代表级数，上角标代表同组对称吊杆编号)

进一步地，所述步骤(2)中，利用采集到的张拉力值T与基频f拟合得到一个适用于该吊杆的索力标定公式T＝h(f)，索力为自振频率的二次多项式T＝af²+bf+c，其中a，b，c为待定系数，由拟合得出，每根吊杆都有其标定公式，其与吊杆为一一对应关系，每组对称同步张拉吊杆共得到m个公式。

进一步地，所述步骤(3)中，所述补拉可依据前一次张拉结果确定超张拉幅度，以此类推，控制单根吊杆张拉精度。

进一步地，所述标定公式经过适当修正和验证后，还可用于成桥阶段的吊杆索力检测。

本发明的有益效果：

由于数控张拉设备可以精确控制张拉力并可自动完成数控张拉，并可实现多端同步张拉所以可以有效的提高施工精度和自动化程度，将数控张拉设备与频率法结合起来运用于吊杆施工中，则可有效的保证张拉力的精度并可通过拟合形成标定公式有效排除刚度和边界条件等的干扰，形成标定公式，快速有效的检测张拉锚固后锚下有效索力，并且适用范围广泛，无论为何种边界条件均可适用；并且利用补张拉等方式控制单根吊杆锚固后索力可以有效的保证整桥吊杆张拉完成时吊杆索力与设计相符，提高吊杆施工质量，减小索力调整难度，由于数控张拉的自动化程度比较高，这一套操作可以内嵌入设备由设备自动完成，提高工作效率，减小人为因素的干扰。

附图说明

图1为本发明施工流程图。

具体实施方式

下面通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明提出的一种基于智能张拉系统的吊杆测控一体化施工方法，参见附图1，施工流程如下：

(1)设定每组对称吊杆(共m根)数控张拉设备张拉分级，比如分级为1、2、……、n共n级，自动同步张拉至每级，在每级保压期间采集吊杆自振频率f₁ ^l、f₂ ^l、…、f_n ^l(1≤l≤m)。

(2)利用采集到的张拉力值T与基频f拟合得到一个适用于该吊杆的索力标定公式T＝h(f)，一般索力为自振频率的二次多项式T＝af²+bf+c，其中a，b，c为待定系数，由拟合得出，每根吊杆都有其标定公式，其与吊杆为一一对应关系，每组对称同步张拉吊杆共得到m个公式；

(3)放张锚固之后，采集此时吊杆自振频率f代入(2)拟合的标定公式中得出锚固后吊杆索力，并据此判断出其是否处于误差允许范围之内，如若满足要求则此次张拉结束，否则应马上进行补张拉，并可依据前一次张拉结果确定超张拉幅度，以此类推，控制单根吊杆张拉精度；

(4)所有吊杆初拉完成之后，测试全桥所有吊杆此时锚下索力，与设计值进行比较，判断索力是否满足要求，若满足要求则张拉完成；若不满足要求则需进行调索，由于保证了每根吊杆的张拉精度，所以大大减小了调索工作量；

(5)标定公式经过适当修正和验证后，还可用于成桥阶段的吊杆索力检测。

上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于智能张拉系统的吊杆测控一体化施工方法，其特征在于，施工流程包括如下步骤：

(1)利用数控张拉设备按照预定的张拉级数对吊杆进行多端(例如两端、四端等等)同步张拉(两端不平衡力小于张拉设计值的1％)，在每级持荷保压时自动识别张拉力值与吊杆基频；

(2)利用识别采集到的张拉力值与基频，所述数控张拉设备自动进行拟合得到一个适用于该吊杆的索力公式，称之为标定公式，并判断标定公式的可信度，如可信则自动储存进数据库，如不可信则提出警告终止，并卸载重新张拉，直至可信并储存进数据库；

(3)锚固完成后，采集吊杆基频，所述数控张拉设备自动代入数据库标定公式得到锚下有效索力，与设计值比较，判断误差是否在允许范围之内；若误差在允许范围之内，则该吊杆此次张拉完成，若误差不在允许范围之内，则进行补拉直至误差满足要求；

(4)所有吊杆初拉完成之后，测试全桥所有吊杆此时锚下索力，与设计值进行比较，判断索力是否满足要求，若满足要求则张拉完成，并给出偏差值；若不满足要求则需进行调索。

2.如权利要求1所述的基于智能张拉系统的吊杆测控一体化施工方法，其特征在于：所述对吊杆进行张拉，具体为桥梁两侧的吊杆同时对称自动精确同步张拉(两端不平衡力小于张拉设计值的1％)，对于同侧关于跨中对称的吊杆也对称自动精确同步张拉(两端不平衡力小于张拉设计值的1％)。

3.如权利要求1所述的基于智能张拉系统的吊杆测控一体化施工方法，其特征在于：所述每组对称吊杆(共m根)张拉级数分级为1、2、……、n共n级，自动同步张拉至每级，在每级保压期间采集该组吊杆内每根吊杆自振频率分别为f₁ ¹、f₂ ¹、…、f_n ¹；f₁ ²、f₂ ²、…、f_n ²；……；f₁ ^m、f₂ ^m、…、f_n ^m。(注：下角标代表级数，上角标代表同组对称吊杆编号)。

4.如权利要求1所述的基于智能张拉系统的吊杆测控一体化施工方法，其特征在于：所述步骤(2)中，利用采集到的张拉力值T与基频f拟合得到一个适用于该吊杆的索力标定公式T＝h(f)，索力为自振频率的二次多项式T＝af ²+bf+c，其中a，b，c为待定系数，由拟合得出，每根吊杆都有其标定公式，其与吊杆为一一对应关系，每组对称同步张拉吊杆共得到m个公式。

5.如权利要求1所述的基于智能张拉系统的吊杆测控一体化施工方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述补拉可依据前一次张拉结果确定超张拉幅度，以此类推，控制单根吊杆张拉精度。

6.如权利要求1所述的基于智能张拉系统的吊杆测控一体化施工方法，其特征在于：所述标定公式经过适当修正和验证后，还可用于成桥阶段的吊杆索力检测。