CN112227208A - 一种用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法 - Google Patents

Abstract

一种用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法，涉及悬索桥工程施工及运营管养领域，包括以预设的采集频率采集多个索夹的螺杆的轴力数据，并建立幂函数模型。将预设的安全阈值F₀作为衰减完成后的螺杆轴力代入幂函数模型，并通过计算得到对应的阈值时间t₀。与现有专利对比，本发明能够预报出螺杆轴力衰减至一定程度时的具体时间，可以协助施工或管养单位合理安排施工期及运营期现场检测与补拉工作，有效保证大桥结构和通行安全，并降低安全风险和相应成本。

Description

一种用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法

技术领域

本发明涉及悬索桥工程施工及运营管养领域，具体涉及一种用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法。

背景技术

悬索桥索夹是悬索桥上部结构的主要构件之一，在使用过程的主要病害是索夹在主缆上发生滑移，其原因是索夹螺杆紧固力不足导致的，我国公路桥涵养护规范(2004)3.3.9条要求检查“悬索桥吊杆上端与主缆索的索夹是否松动、移位和破损”，公路桥梁技术状况评定标准(2011)7.2.1条中也将索夹滑移大于10mm视为严重的缺损。

当前在进行索夹螺杆实际施工时，一般采用千斤顶将螺杆张拉至施工轴力持荷，再由工人用短扳手拨紧螺母，过程中采用分级操作，分为2～3级，每级张拉持荷拨紧螺母后千斤顶回油，最终完成施工。

在悬索桥施工过程中，进行螺杆紧固张拉后，索夹会因螺杆的预拉力(紧固力)而抱紧主缆，主缆钢丝受到索夹的抱紧而产生重新排列、镀锌层蠕变等现象，使得主缆钢丝空隙率逐渐减小，这是一个较为长期、非常缓慢的过程。在悬索桥施工期间，有时进行多次(某桥在施工中为防止索夹滑移将螺杆张拉多达8～9次)全桥螺杆张拉，然而如何进行合理的张拉施工安排缺乏可指导的技术方法。成桥之后，随着通车运营，主缆在活载的作用下会加速收紧，使得螺杆轴力继续衰减，如何确定合适的时间安排全桥索夹螺杆的普检和补拉工程也是目前悬索桥工程中存在的技术难题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法，该监测预报方法能够预报出螺杆轴力衰减至一定程度时的具体时间，可以协助施工或管养单位合理安排现场检测与补拉工作，有效保证大桥结构和通行安全，并降低安全风险和相应成本。

为达到以上目的，采取的技术方案是：

一种用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法，所述监测预报方法包括：

步骤S1、以预设的采集频率采集多个索夹的螺杆的轴力数据，并建立如下幂函数模型：

F＝Ae^αt+Be^βt+F_last；

其中，F为当前的螺杆轴力，t为时间，F_last为衰减完成后的螺杆轴力，A、B、α、β为常数，e为自然常数；

步骤S2、将预设的安全阈值F₀作为衰减完成后的螺杆轴力代入幂函数模型，并通过计算得到对应的阈值时间t₀。

优选的，监测预报方法还包括：

步骤S3、到达阈值时间t₀前，形成螺杆的监测和补拉工作计划。

优选的，所述步骤S1中，采集悬索桥的靠近主塔位置的多个索夹的螺杆的轴力数据。

优选的，所述步骤S1中，以每个螺杆的一个时间数据和一个轴力数据为一对监测数据，采集十对监测数据后建立幂函数模型。

优选的，建立幂函数模型后，继续以预设采集频率持续采集螺杆的轴力数据并持续更新幂函数模型；

在将安全阈值F₀分别代入更新前后的幂函数模型，得到两个阈值时间t₀的差值小于预设波动范围后，停止采集轴力数据并停止更新幂函数模型。

优选的，每采集十对监测数据更新一次幂函数模型。

优选的，安全阈值F₀对应的索夹抗滑移系数范围为1.6～2.0。

优选的，所述步骤S1中，在悬索桥施工期，当悬索桥的索夹的螺杆张拉完十分钟后，开始步骤S1，并以每五分钟一次的采集频率持续监测一小时，且一小时后采集频率为每三十分钟一次；

在悬索桥运营期，当悬索桥的索夹的螺杆张拉完十分钟后，开始步骤S1，并以每天一次的采集频率持续监测一个月，且一个月后采集频率为每周一次。

优选的，所述步骤S1中，通过超声方法以预设采集频率采集悬索桥索夹的螺杆的轴力数据；

所述超声方法包括螺杆轴力单纵波测试方法和螺杆轴力纵横波测试方法。

优选的，所述步骤S1中，利用轴力监测系统采集所有索夹的螺杆的轴力数据，且采集单个索夹的螺杆的轴力数据的具体步骤如下：

步骤a1、将超声探头固定在螺杆端面，利用超声信号激发采集硬件激发超声探头发出超声信号，超声信号通过液态耦合层进入螺杆并沿螺杆轴向传播，超声信号到达螺杆另一端面时发生反射，再次进入超声探头，并被超声信号激发采集硬件解析为超声数字信号；

步骤a2、利用温度传感器测量螺杆温度；

步骤a3、工业平板获取超声数字信号和螺杆温度数据，并进行分析处理得到螺杆的轴力数据；

步骤a4、工业平板将轴力数据通过无线通信网络发送至远程服务器保存备用。

本发明的有益效果：

(1)解决了悬索桥施工期索夹螺杆张拉施工安排缺乏技术支持的难题，保障大桥施工安全、优化施工安排且大幅降低了施工成本。

(2)解决了悬索桥运营期索夹螺杆轴力状态难以评估，使得管养工作不能合理安排，或导致在索夹出现滑移主缆钢丝外漏之后才进行检测补拉工程安排的滞后管养问题，保障了大桥结构与运营安全，降低了管养成本。

附图说明

图1为本发明实施例中，用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法的流程图。

图2为本发明实施例中，利用轴力监测系统采集单个索夹的螺杆的轴力数据的流程图。

图3为本发明实施例中，螺杆轴力的衰减示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。此外，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法，能够对悬索桥索夹上的螺杆的轴力进行预测，该监测预报方法包括：

步骤S1、以预设的采集频率采集多个索夹的螺杆的轴力数据，并建立幂函数模型F＝Ae^αt+Be^βt+F_last，其中，F为当前的螺杆轴力，t为时间，F_last为衰减完成后的螺杆轴力，A、B、α、β为常数，e为自然常数。

步骤S2、将预设的安全阈值F₀作为衰减完成后的螺杆轴力代入幂函数模型，并通过计算得到对应的阈值时间t₀。阈值时间t₀为螺杆轴力衰减至安全阈值F₀时的具体时间。

通过建立能够预测螺杆轴力衰减的幂函数模型，从而根据幂函数模型计算得到螺杆轴力衰减至安全阈值F₀时的具体时间t₀。解决了悬索桥施工期索夹螺杆张拉施工安排缺乏技术支持的难题，以及解决了悬索桥运营期索夹螺杆轴力状态难以评估的难题，保障大桥施工安全、优化施工安排且大幅降低了施工成本。

如图3所示，为螺杆轴力随时间衰减的示意图，相应的衰减完成后的螺杆轴力F_last与时间t的关系如下表所示：

时间/h	螺杆轴力F<sub>last</sub>/kN
		0.1	814.7
24	668.4
		48	615.7
72	599.9
		240	498.3
432	439
		552	421.3
1024	410.3
		2050	399.8
4000	389.3

表1衰减完成后的螺杆轴力F_last与时间t的关系

进一步的，该监测预报方法还包括：步骤S3、到达阈值时间t₀前，形成螺杆的监测和补拉工作计划。施工人员在到达阈值时间t₀前根据监测和补拉工作计划对螺杆进行检测与补拉工作，全桥索夹螺杆的张拉紧固工艺要保持统一，采用同步张拉工艺，且保持千斤顶持荷时间一致。

通过计算得到螺杆轴力衰减至安全阈值F₀时的具体时间t₀后，形成螺杆的监测和补拉工作计划，解决了悬索桥运营期索夹螺杆轴力状态难以评估，使得管养工作不能合理安排，或导致在索夹出现滑移主缆钢丝外漏之后才进行检测补拉工程安排的滞后管养问题，保障了大桥结构与运营安全，降低了管养成本。

进一步的，所述步骤S1中，采集悬索桥的靠近主塔位置的多个索夹的螺杆的轴力数据，例如监测的螺杆选定为靠近主塔位置的2-6根索夹螺杆。以每个螺杆的一个时间数据和一个轴力数据为一对监测数据，采集十对监测数据后建立幂函数模型，通过十对监测数据对模型进行线性拟合得到一组A、B、α、β的数值，后续可每采集十对监测数据重新进行一次线性拟合并对应更新一次模型中的A、B、α、β的数值。具体实施时，也可采集十对以上的监测数据建立幂函数模型。

进一步的，建立幂函数模型后，继续以预设采集频率持续采集螺杆的轴力数据并持续更新幂函数模型。在将安全阈值F₀分别代入更新前后的幂函数模型，得到两个阈值时间t₀的差值小于预设波动范围后，停止采集轴力数据并停止更新幂函数模型，例如本次得到的阈值时间t₀与前一次得到的阈值时间t₀的差值小于1％，且连续十次更新计算后的差值都不超过1％，认为计算的阈值时间t₀达到稳定状态。随着监测数据的积累，持续更新幂函数模型并重新计算安全阈值F₀对应的阈值时间t₀，待更新计算的阈值时间t₀稳定后停止监测或撤掉监测系统即可。

进一步的，预设采集频率为每采集十对监测数据更新一次幂函数模型。具体实施时，也可采集十对以上的监测数据更新幂函数模型。

进一步的，安全阈值F₀对应的索夹抗滑移系数范围为1.6～2.0。

进一步的，在悬索桥施工期，当悬索桥的索夹的螺杆张拉完十分钟后，开始步骤S1，并以每五分钟一次的采集频率持续监测一小时，且一小时后采集频率为每三十分钟一次。

在悬索桥运营期，当悬索桥的索夹的螺杆张拉完十分钟后，开始步骤S1，并以每天一次的采集频率持续监测一个月，且一个月后采集频率为每周一次。

在悬索桥施工期间和悬索桥运营期配置不同的采集频率，降低无效监测次数，提高监测效率。

进一步的，所述步骤S1中，通过超声方法以预设采集频率采集悬索桥索夹的螺杆的轴力数据。所述超声方法包括螺杆轴力单纵波测试方法和螺杆轴力纵横波测试方法。

进一步的，所述步骤S1中，利用轴力监测系统采集所有索夹的螺杆的轴力数据，轴力监测系统包括超声探头、射频连接线、超声信号激发采集硬件、温度传感器、工业平板和远程服务器。

如图2所示，利用轴力监测系统采集单个索夹的螺杆的轴力数据的具体步骤如下：

步骤a1、将超声探头固定在螺杆端面，利用超声信号激发采集硬件激发超声探头发出超声信号，超声信号通过液态耦合层进入螺杆并沿螺杆轴向传播，超声信号到达螺杆另一端面时发生反射，再次进入超声探头，并被超声信号激发采集硬件解析为超声数字信号。

步骤a2、利用温度传感器测量螺杆温度。

步骤a3、工业平板获取超声数字信号和螺杆温度数据，以预置的数据分析程序进行分析处理得到螺杆的轴力数据。

步骤a4、工业平板将轴力数据通过无线通信网络发送至远程服务器保存备用。

其中，监测系统中超声探头中心频率为2.5MHz。监测系统中超声探头通过磁吸附方式固定在螺杆端面。监测系统中超声信号激发采集硬件与工业平板通过数据线连接，数据线为工业USB数据线或RJ45网线。监测系统中液态耦合层采用高温耦合剂，使用温度范围为-50℃～400℃。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法，其特征在于，所述监测预报方法包括：

步骤S1、以预设的采集频率采集多个索夹的螺杆的轴力数据，并建立如下幂函数模型：

F＝Ae^αt+Be^βt+F_last；

其中，F为当前的螺杆轴力，t为时间，F_last为衰减完成后的螺杆轴力，A、B、α、β为常数，e为自然常数；

步骤S2、将预设的安全阈值F₀作为衰减完成后的螺杆轴力代入幂函数模型，并通过计算得到对应的阈值时间t₀。

2.如权利要求1所述的用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法，其特征在于，监测预报方法还包括：

步骤S3、到达阈值时间t₀前，形成螺杆的监测和补拉工作计划。

3.如权利要求1所述的用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法，其特征在于，所述步骤S1中，采集悬索桥的靠近主塔位置的多个索夹的螺杆的轴力数据。

4.如权利要求3所述的用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法，其特征在于，所述步骤S1中，以每个螺杆的一个时间数据和一个轴力数据为一对监测数据，采集十对监测数据后建立幂函数模型。

5.如权利要求4所述的用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法，其特征在于，建立幂函数模型后，继续以预设采集频率持续采集螺杆的轴力数据并持续更新幂函数模型；

在将安全阈值F₀分别代入更新前后的幂函数模型，得到两个阈值时间t₀的差值小于预设波动范围后，停止采集轴力数据并停止更新幂函数模型。

6.如权利要求5所述的用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法，其特征在于，每采集十对监测数据更新一次幂函数模型。

7.如权利要求1所述的用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法，其特征在于，安全阈值F₀对应的索夹抗滑移系数范围为1.6～2.0。

8.如权利要求1所述的用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法，其特征在于，所述步骤S1中，在悬索桥施工期，当悬索桥的索夹的螺杆张拉完十分钟后，开始步骤S1，并以每五分钟一次的采集频率持续监测一小时，且一小时后采集频率为每三十分钟一次；

在悬索桥运营期，当悬索桥的索夹的螺杆张拉完十分钟后，开始步骤S1，并以每天一次的采集频率持续监测一个月，且一个月后采集频率为每周一次。

9.如权利要求1所述的用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过超声方法以预设采集频率采集悬索桥索夹的螺杆的轴力数据；

所述超声方法包括螺杆轴力单纵波测试方法和螺杆轴力纵横波测试方法。

10.如权利要求1所述的用于悬索桥索夹螺杆施工期及运营期的监测预报方法，其特征在于，所述步骤S1中，利用轴力监测系统采集所有索夹的螺杆的轴力数据，且采集单个索夹的螺杆的轴力数据的具体步骤如下：

步骤a1、将超声探头固定在螺杆端面，利用超声信号激发采集硬件激发超声探头发出超声信号，超声信号通过液态耦合层进入螺杆并沿螺杆轴向传播，超声信号到达螺杆另一端面时发生反射，再次进入超声探头，并被超声信号激发采集硬件解析为超声数字信号；

步骤a2、利用温度传感器测量螺杆温度；

步骤a3、工业平板获取超声数字信号和螺杆温度数据，并进行分析处理得到螺杆的轴力数据；

步骤a4、工业平板将轴力数据通过无线通信网络发送至远程服务器保存备用。

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