HDPE管與拉索接觸相對(duì)長(zhǎng)度對(duì)索力的影響

周廣耀,朱祎鵬

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443000)

在工程領(lǐng)域中常常使用基于弦理論推導(dǎo)的索力-頻率關(guān)系公式來計(jì)算索力[1],此公式簡(jiǎn)單易用,但精度有限。為了獲得更為精確的轉(zhuǎn)換關(guān)系,學(xué)者們進(jìn)一步考慮了索股的剛度、垂度等因素對(duì)索力的影響,建立了相應(yīng)的修正公式。但常見的索振動(dòng)理論未考慮到拉索內(nèi)部不完全接觸的情況。為了提高振動(dòng)頻率法的適用性及精確度[2],本研究對(duì)拉索外套管的影響程度進(jìn)行了分析。

1 鋼絞線內(nèi)部接觸影響因素

1.1 HDPE管的環(huán)向約束作用

鋼絞線斜拉索由單根鋼絞線熱擠HDPE防護(hù)層加整體索外包HDPE套管,每根鋼絞線的外表面都帶有靜電噴涂環(huán)氧樹脂層,并用高熔點(diǎn)建筑樹脂包袱,不會(huì)降低鋼絞線的強(qiáng)度,可保障拉索的防腐蝕,整體索外包的HDPE套管對(duì)拉索的防銹蝕起到了不可忽視的作用,但其與索體有較大的空隙,故在實(shí)際施工中HDPE套管會(huì)直接搭在鋼絞線索體上,當(dāng)斜拉索張拉完成且斜拉索梁端安裝減振塊及套箍之后,靠近兩端預(yù)埋鋼管附近的鋼絞線被箍緊在一起,鋼絞線間的間隙變小,此時(shí)測(cè)試索力頻率為整體索的頻率,但因距離梁端距離過近,局部約束效果太大,要測(cè)得拉索基頻有一定的困難。

1.2 HDPE管的自重作用

鋼絞線不同層之間的接觸原理如圖1所示[3]。

圖1 套管與拉索的接觸

圖2 不同接觸時(shí)的頻率差值

圖3 不同接觸時(shí)的索力相對(duì)誤差

當(dāng)沒有外套管時(shí),拉索施加了預(yù)拉力,使拉索保持緊繃狀態(tài),鋼絞線成層分布,各層之間沒有接觸。層間距如果為h,在考慮外套管的情況下,如果下?lián)狭砍^h,則下層鋼絞線將繼續(xù)發(fā)生接觸[4-5]。

考慮到鋼絞線的實(shí)際接觸狀態(tài)分布特點(diǎn),為了簡(jiǎn)化分析,將鋼絞線的截面面積簡(jiǎn)化為等效的整根索,其力學(xué)行為相似[6]。假設(shè)拉索長(zhǎng)度不改變,在套管對(duì)拉索產(chǎn)生接觸時(shí),對(duì)套管和拉索的單位質(zhì)量進(jìn)行等效處理,能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算鋼絞線斜拉索的理論自振頻率。具體的拉索-頻率修正計(jì)算公式如下[7]：

(1)

2 理論驗(yàn)證

表1 材料物理參數(shù)

HDPE管的重力分布在Midas中設(shè)置為固定大小的節(jié)點(diǎn)力,對(duì)分布長(zhǎng)度進(jìn)行單一變量修正。根據(jù)施加節(jié)點(diǎn)力長(zhǎng)度的不同,對(duì)模型提取的頻率及實(shí)際公式所求索力的對(duì)比如下,可以看出,HDPE管對(duì)拉索的頻率影響在前3階并不明顯,但是高于前3階的振動(dòng)頻率,影響會(huì)隨著接觸部分的增大頻率誤差也隨之增大,且頻率數(shù)值會(huì)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)及線性相關(guān)關(guān)系[8]。

當(dāng)接觸的相對(duì)長(zhǎng)度不同時(shí),由20%、40%、60%、80%、100%進(jìn)行簡(jiǎn)單分析[9],將頻率代入計(jì)算公式(1)中,得到相對(duì)誤差索力在完全接觸時(shí)的最小值,索力測(cè)量值準(zhǔn)確度呈現(xiàn)正態(tài)分布情況,符合實(shí)際情況。HDPE管在實(shí)際情況中,兩端受到簡(jiǎn)單的約束,兩端長(zhǎng)度不對(duì)拉索產(chǎn)生擠壓力及自重力。

可以看出,在實(shí)際測(cè)量索力公式應(yīng)用中,拉索的相對(duì)質(zhì)量應(yīng)取HDOE管與拉索完全接觸的換算質(zhì)量[10]。

表2 拉索相對(duì)索力計(jì)算結(jié)果

相對(duì)誤差為對(duì)應(yīng)工況下理論索力值減去計(jì)算索力值的結(jié)果除以理論值的百分比。

3 結(jié)論

套管對(duì)拉索振動(dòng)頻率的影響主要有兩個(gè)因素：①套管的環(huán)向約束作用,尤其是在箍筋外的位置,約束效果更加明顯。②套管自身重量引起的鋼絞線擠壓接觸作用。后面測(cè)量頻率時(shí)需要綜合考慮這兩種因素的影響。研究結(jié)果表明,當(dāng)對(duì)拉索施加節(jié)點(diǎn)力(即HDPE管與拉索接觸)時(shí),振動(dòng)頻率小于未施加節(jié)點(diǎn)力外套管接觸時(shí)鋼絞線的自振頻率,這種情況下,拉索與HDPE管發(fā)生碰撞,不利于受力情況的發(fā)生。

分析了套管對(duì)拉索的影響因素,對(duì)常用的頻率法公式進(jìn)行擬合修正。通過施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的頻率數(shù)值證明內(nèi)部鋼絲與外部套管具有振動(dòng)同步性。在進(jìn)行索力檢測(cè)時(shí),通過參數(shù)識(shí)別技術(shù)可大大提高索力的測(cè)量準(zhǔn)確度。