一种拱桥水平索索力的测量方法与流程

1.本发明涉及一种拱桥水平索索力的测量方法。


背景技术：

2.索力的测量方法一般有：压力表、压力传感器、频率法、磁通量法、光纤光栅振动法、视频图像测振法等。对于压力表一般通过液压设备张拉水平索时测量压力值。压力传感器利用应变计法测量，代表仪器有锚索计等。由于压力传感器仪器的费用较高，且需要配套监测系统，在桥梁使用期间永久索上使用受到一定限制。频率法是索力测量最常用的方法。该方法通过加速度传感器和分析系统测量出环境激振造成的拉索自振频率，从而推算出索力。但该方法也受索垂度、温度、边界条件等影响会产生测量误差。视频图像测振法通过视频图像感知系统测得索的动态响应数据，利用数据分析软件识别索的振型和频率，从而得到索力。该方法本质上是利用频率法进行索力测量。压力传感器和锚索计等测量方法都是利用振弦式应变计测量原理，在仪器内部布置一定数量的振弦式传感器，通过测量振弦频率测得应变变化量，从而推算出索力值。其测量值受温度影响较大。
3.以上测量方法均需要一定的测量仪器和专业的测量人员进行数据分析，并且测量费用高，测量周期长，不利于现场快速获取数据。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种拱桥水平索索力的测量方法，它具有简单快捷、随时测量、精度较高的特点，满足施工需求。
5.本发明的目的是这样实现的：一种拱桥水平索索力的测量方法，包括以下步骤：
6.步骤一，将水平索的两端各自插入固定在拱结构上的锚头，完成水平索的安装工作；
7.步骤二，在水平索上选取三处位置作为温度观测点，三处温度观测点分别是水平索的中部和水平索的两端；
8.步骤三，在水平索两端的锚头附近的拱结构上各自安装一个全站仪的观测棱镜，分别设为第一位移测点和第二位移测点；
9.步骤四，利用水平索两端的千斤顶初始张拉水平索，得到水平索的初始张拉力f0；
10.步骤五，水平索初始张拉完成后，立刻通过两个全站仪的观测棱镜配合全站仪测量第一位移测点和第二位移测点之间的相对距离l0；同时测量水平索上三个温度测点的温度，并计算出三个温度测点的温度算术平均值t0；
11.步骤六，在任意时刻测量水平索的索力时，通过两个全站仪的观测棱镜测量第一位移测点和第二位移测点之间的相对距离l，同时测量三个温度测点的温度，并计算出三个温度测点的温度算术平均值t；
12.步骤七，通过以下公式(1)计算初始张拉后任意时刻水平索的索力f：
[0013][0014]
公式(1)中：vx为水平索两端锚固点的相对位置增量，vx＝l-l0；e为水平索的弹性模量；a为水平索的截面积；e和a均通过查询水平索材料的质保书参数得到；αs为水平索材料的温度膨胀系数，通过查询规范得到；
[0015]
步骤八，再次张拉水平索时，记录张拉时水平索锚头的拔出量δl；
[0016]
步骤九，通过以下公式(2)计算再次张拉时刻水平索的索力f：
[0017][0018]
公式(2)中：vx＝l-l0；δl为水平索锚头的拔出量；e为水平索的弹性模量；a为水平索的截面积；e和a均通过查询水平索材料的质保书参数得到；αs为水平索材料的温度膨胀系数，通过查询规范得到。
[0019]
上述的拱桥水平索索力的测量方法，其中，进行步骤七和步骤九时，所述公式(1)和公式(2)是考虑以下几个对索力有影响的因素后推导出的：
[0020]
a.锚固点的位置，由于水平索在自重作用下的现状为悬链线，认为水平索索的形状近似二次抛物线，根据抛物线公式计算得到水平索的索长s：
[0021][0022]
上式中：
[0023]
fm为水平索的跨中法向挠度：
[0024][0025]
q为水平索的单位重量；
[0026]
t为水平索中心位置的拉力；
[0027]
l为水平索两端锚固点之间的距离；
[0028]
α为水平索的水平倾角；
[0029]
由以上两式得到水平索的索长s：
[0030][0031]
由于水平索的自重相对于索力非常小，因此忽略上式中的第二项则水平索的索长近似为s＝l；
[0032]
水平索的锚固点位置的变化量等效为索长的变化量，当锚固点位置的增量为vx，水平索的索力为：
[0033]
[0034]
b.温度的变化，温度变化时，索力会因为热胀冷缩发生变化，而索力的变化也会直观的体现为索长的变化；
[0035]
当温度的变化量为δt，索长的变化量为δl＝αssδt；
[0036]
导致水平索的索力变化量为δf＝δσa＝eaδε＝eaαsδt
[0037]
上式中：δσ为水平索的应力变化值；e为水平索的弹性模量；a为水平索的截面积；δε为水平索的应变变化值；αs为水平索材料的温度膨胀系数；
[0038]
c.锚头的拔出量，当水平索张拉时，锚头的拔出量会发生变化，也会导致索力的变化；锚头的拔出量与锚固点的位移共同改变索长，锚头的拔出量与锚固点的位移对索力的影响效果是一致的，当水平索两端的锚头的拔出量共增加δl，得到以下任意时刻锚头拔出量修正的索力的计算公式：
[0039][0040]
d.综合以上a、b、c因素
[0041]
当水平索的初始张拉力为f0，温度为t0，水平索两端的锚固点之间的距离为l0，在水平索初始张拉后的某一工况温度为t时，再次张拉水平索，水平索两端锚固点的相对位置增量为vx，锚头的拔出量为δl，则在该状态下水平索的索力为：
[0042][0043]
本发明的拱桥水平索索力的测量方法具有以下特点：
[0044]
1、本发明考虑了索力与索长、温度及锚头拔出量的关系；通过在水平索两端的锚固点安装位置测量仪器，以测量不同时刻锚固点的相对位置，计算水平索的长度变化量；通过在水平索上选取三处位置作为温度观测点，以测量水平索任意时刻的温度值，得到水平索任意时刻的平均温度，进而得到随温度变化而出现的索长变化；
[0045]
2、本发明的测量方法简单快捷，不需要借助特殊仪器，不需要专业人员进行测量，测量员利用全站仪等常规的测量仪器就能随时测量，而且精度较高，满足拱桥的施工需求。
附图说明
[0046]
图1是本发明的拱桥水平索索力的测量方法中进行步骤四时的状态图。
具体实施方式
[0047]
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
[0048]
请参阅图1，本发明的拱桥水平索索力的测量方法，包括以下步骤：
[0049]
步骤一，将水平索10的两端各自插入固定在拱结构100上的锚头1a中，完成水平索10的安装工作；
[0050]
步骤二，在水平索10两端的锚头1a附近的拱结构100上各自安装一个全站仪的观测棱镜，分别设为第一位移测点11和第二位移测点12，用以测量水平索10的两个锚固点之间的距离；
[0051]
步骤三，在水平索10上选取三处位置作为温度观测点1b，三处温度观测点1b分别是水平索10的中部和水平索10的两端，用以测量水平索10的温度；
[0052]
步骤四，根据施工要求利用水平索两端的千斤顶20初始张拉水平索10，得到水平索10的初始张拉力f0；
[0053]
步骤五，水平索初始张拉完成后，立刻通过两个全站仪的观测棱镜测量第一位移测点和第二位移测点之间的相对距离l0，同时测量水平索上三个温度测点的初始温度，并计算出三个温度测点的初始温度算术平均值t0；
[0054]
步骤六，在任意时刻测量水平索的索力时，通过两个全站仪的观测棱镜测量第一位移测点和第二位移测点之间的相对距离l，同时测量三个温度测点的温度，并计算出三个温度测点的温度算术平均值t；
[0055]
步骤七，通过以下公式(1)计算初始张拉后任意时刻水平索的索力f:
[0056][0057]
公式(1)中，vx为水平索两端锚固点的相对位置增量，vx＝l-l0；e为水平索的弹性模量；a为水平索的截面积；e和a均通过查询水平索材料的质保书参数得到；αs为水平索材料的温度膨胀系数，通过查询规范得到；
[0058]
步骤八，再次张拉水平索时，记录张拉时水平索锚头的拔出量δl；
[0059]
步骤九，通过以下公式(2)计算再次张拉时刻水平索的索力f：
[0060][0061]
公式(2)中，vx为水平索两端的锚固点的相对位置增量，vx＝l-l0；δl为水平索锚头的拔出量；e为水平索的弹性模量；a为水平索的截面积；e和a均通过查询水平索材料的质保书参数得到；αs为水平索材料的温度膨胀系数，通过查询规范得到。
[0062]
公式(1)和公式(2)是考虑以下几个对索力有影响的因素后推导出的：
[0063]
a.锚固点的位置，由于水平索在自重作用下的现状为悬链线，认为水平索索的形状近似二次抛物线，根据抛物线公式计算得到水平索的索长s：
[0064][0065]
上式中：
[0066]
fm为水平索的跨中法向挠度：
[0067][0068]
q为水平索的单位重量；
[0069]
t为水平索中心位置的拉力；
[0070]
l为水平索两端锚固点之间的距离；
[0071]
α为水平索的水平倾角；
[0072]
由以上两式得到水平索的索长s：
[0073]
[0074]
由于水平索的自重相对于索力非常小，因此忽略上式中的第二项则水平索的索长近似为s＝l；
[0075]
水平索的两个锚固点位置的变化量等效为索长的变化量，当锚固点位置的变化增量为vx，水平索的索力为：
[0076][0077]
b.温度的变化，温度变化时，索力会因为热胀冷缩随之发生变化，而索力的变化也会直观的体现为索长的变化；
[0078]
当温度的变化量为δt，索长的变化量为δl＝αssδt；
[0079]
导致水平索的索力变化量为δf＝δσa＝eaδε＝eaαsδt
[0080]
上式中：δσ为水平索的应力变化值；e为水平索的弹性模量；a为水平索的截面积；δε为水平索的应变变化值；αs为水平索材料的温度膨胀系数；
[0081]
c.锚头的拔出量，当水平索张拉时，锚头的拔出量会发生变化，也会导致索力的变化；锚头的拔出量与锚固点的位移共同改变索长，锚头的拔出量与锚固点的位移对索力的影响效果是一致的，当水平索两端的锚头的拔出量共增加δl，得到以下任意时刻锚头的拔出量修正的索力的计算公式：
[0082][0083]
d.综合以上a、b、c因素
[0084]
当水平索的初始张拉力为f0，温度为t0，水平索两端的锚固点之间的距离为l0，在水平索初始张拉后的某一工况温度为t时，再次张拉水平索，水平索两端锚固点的相对位置增量为vx，锚头的拔出量为δl，则在该状态下水平索的索力为：
[0085][0086]
现以清水塘大桥为例说明本发明的测量方法，该拱桥为中承式钢桁拱桥，共设四根水平索，该四根水平索两端锚固点的初始距离l0为477.805m，每根水平索的截面积a为10891mm2，水平索的弹性模量e为1.9
×
105mpa，水平索材料的温度膨胀系数αs取1.2
×
10-5
/℃。根据施工要求对每根水平索进行了初始张拉，同时测量了每根水平索的初始张拉力f0和初始温度值t0，并在初始张拉后的施工期间的时刻1、时刻2、时刻3时各自对每根水平索进行了再次张拉，并在时刻1、时刻2、时刻3时对每根水平索张拉时锚头的拔出量δl、两个锚固点的相对位置增量vx和每根水平索的温度t进行了测量，然后通过本发明的公式(2)计算出时刻1、时刻2、时刻3时每根水平索的索力，再与在时刻1、时刻2、时刻3时对每根水平索的实际张拉力进行对比，误差率小于1％，具体的测量值和计算值见下表1：
[0087]
表1
[0088][0089]
通过以上实施例证明本发明的测量方法精度较高，能为张拉水平索时施加的张拉力提供理论依据，满足现场施工需要。
[0090]
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

技术特征：
1.一种拱桥水平索索力的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，将水平索的两端各自插入固定在拱结构上的锚头，完成水平索的安装工作；步骤二，在水平索上选取三处位置作为温度观测点，三处温度观测点分别是水平索的中部和水平索的两端；步骤三，在水平索两端的锚头附近的拱结构上各自安装一个全站仪的观测棱镜，分别设为第一位移测点和第二位移测点；步骤四，利用水平索两端的千斤顶初始张拉水平索，得到水平索的初始张拉力f0；步骤五，水平索初始张拉完成后，立刻通过两个全站仪的观测棱镜配合全站仪测量第一位移测点和第二位移测点之间的相对距离l0；同时测量水平索上三个温度测点的温度，并计算出三个温度测点的温度算术平均值t0；步骤六，在任意时刻测量水平索的索力时，通过两个全站仪的观测棱镜测量第一位移测点和第二位移测点之间的相对距离l，同时测量三个温度测点的温度，并计算出三个温度测点的温度算术平均值t；步骤七，通过以下公式(1)计算初始张拉后任意时刻水平索的索力f：公式(1)中：vx为水平索两端锚固点的相对位置增量，vx＝l-l0；e为水平索的弹性模量；a为水平索的截面积；e和a均通过查询水平索材料的质保书参数得到；α
s
为水平索材料的温度膨胀系数，通过查询规范得到；步骤八，再次张拉水平索时，记录张拉时水平索锚头的拔出量δl；步骤九，通过以下公式(2)计算再次张拉时刻水平索的索力f：公式(2)中：vx＝l-l0；δl为水平索锚头的拔出量；e为水平索的弹性模量；a为水平索的截面积；e和a均通过查询水平索材料的质保书参数得到；α
s
为水平索材料的温度膨胀系数，通过查询规范得到。2.根据权利要求1所述的拱桥水平索索力的测量方法，其特征在于，进行步骤七和步骤九时，所述公式(1)和公式(2)是考虑以下几个对索力有影响的因素后推导出的：a.锚固点的位置，由于水平索在自重作用下的现状为悬链线，认为水平索索的形状近似二次抛物线，根据抛物线公式计算得到水平索的索长s：上式中：fm为水平索的跨中法向挠度：q为水平索的单位重量；t为水平索中心位置的拉力；
l为水平索两端锚固点之间的距离；α为水平索的水平倾角；由以上两式得到水平索的索长s：由于水平索的自重相对于索力非常小，因此忽略上式中的第二项则水平索的索长近似为s＝l；水平索的锚固点位置的变化量等效为索长的变化量，当锚固点位置的增量为vx，水平索的索力为：b.温度的变化，温度变化时，索力会因为热胀冷缩发生变化，而索力的变化也会直观的体现为索长的变化；当温度的变化量为δt，索长的变化量为δl＝α
s
sδt；导致水平索的索力变化量为δf＝δσa＝eaδε＝eaα
s
δt上式中：δσ为水平索的应力变化值；e为水平索的弹性模量；a为水平索的截面积；δε为水平索的应变变化值；α
s
为水平索材料的温度膨胀系数；c.锚头的拔出量，当水平索张拉时，锚头的拔出量会发生变化，也会导致索力的变化；锚头的拔出量与锚固点的位移共同改变索长，锚头的拔出量与锚固点的位移对索力的影响效果是一致的，假设水平索两端的锚头的拔出量共增加δl，得到以下任意时刻锚头拔出量修正的索力的计算公式：d.综合以上a、b、c因素当水平索的初始张拉力为f0，温度为t0，水平索两端的锚固点之间的距离为l0，在水平索初始张拉后的某一工况温度为t时，再次张拉水平索，水平索两端锚固点的相对位置增量为vx，锚头的拔出量为δl，则在该状态下水平索的索力为：

技术总结
本发明公开了一种拱桥水平索索力的测量方法，包括以下步骤：安装水平索；在水平索上选取三个温度观测点；在水平索两端的锚头附近的拱结构上各自安装一个全站仪的观测棱镜，分别设为第一位移测点和第二位移测点；初始张拉水平索得到水平索的初始张拉力；水平索初始张拉完成后，立刻通过全站仪测量第一位移测点和第二位移测点之间的相对距离；同时测量水平索上三个温度测点的温度；在任意时刻测量水平索的索力时，通过全站仪测量第一位移测点和第二位移测点之间的相对距离，同时测量三个温度测点的温度；计算初始张拉后任意时刻的索力；再次张拉水平索时，记录张拉时锚头的拔出量；计算再次张拉时刻的索力。本发明具有简单快捷，能随时测量的特点。随时测量的特点。随时测量的特点。


技术研发人员：汪来发 李业勋 刘小港 邓文彬 肖泽振 姜宁 王璇
受保护的技术使用者：中交第三航务工程局有限公司
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/21