陳 鑫，朱勁松，葉仲韜，伊建軍

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430034；3.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室，湖北 武漢 430034)

懸索橋索夾螺桿軸力是保障索夾抗滑移能力的關(guān)鍵因素。受材料性能、張拉工藝及運營環(huán)境的影響，索夾螺桿軸力往往存在不同程度的損失，造成索夾滑移，對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和承載力產(chǎn)生不利影響[1]。

目前，常規(guī)的螺桿軸力識別方法主要有扭矩法[2]、反拉法[3]、應(yīng)變法[4]，但受測試精度、檢測效率及適用范圍的限制，這些方法均難以在懸索橋螺桿軸力識別中推廣應(yīng)用。超聲法具有操作簡單、檢測速度快、識別精度高、適用范圍廣等優(yōu)點，近年來在應(yīng)力識別中得到廣泛應(yīng)用[5-7]。聲彈性理論是超聲法用于材料應(yīng)力識別的重要理論之一。Chen等[8-9]最先將聲彈性效應(yīng)用于桿類構(gòu)件的軸向應(yīng)力檢測，提出桿中應(yīng)力的增大會造成波速下降。Rizzo等[10-11]進(jìn)一步分析了拉力對鋼絞線中超聲傳播特性的影響。Loveday等[12-13]采用半解析有限元方法分析了鋼軌中的聲彈性效應(yīng)，從理論上驗證了聲彈性效應(yīng)在材料應(yīng)力識別中的有效性。劉飛等[14-15]采用有限元特征頻率法計算了板、桿類構(gòu)件的聲彈性常數(shù)頻散曲線，并分析了聲彈敏感模態(tài)與最優(yōu)激勵頻率。Pei等[16]研究垂直于傳播方向的應(yīng)力對Lamb波傳播的影響，提出高階Lamb波的聲彈性效應(yīng)更為顯著。丁旭[17]、Liu[18]等分別研制了適用于螺栓、鋼絞線線軸力識別的電磁超聲測量系統(tǒng)。何文[19-20]、賈雪[21]、許西寧[22]、Chaki[23]等基于聲彈性理論有效識別螺栓、鋼軌和鋼絞線中的軸向應(yīng)力。張闖[24]、馬子奇[25]等將聲彈性效應(yīng)用于金屬板材及高速列車底架的殘余應(yīng)力檢測，均取得了不錯的效果。但由于聲彈性是一種弱效應(yīng)，其識別精度受測試質(zhì)量、螺桿間的幾何、材料參數(shù)等因素影響較大。目前，對于螺桿軸力超聲識別方法影響因素的分析仍有待進(jìn)一步研究。聲彈性理論在多領(lǐng)域的成功應(yīng)用驗證了其可靠性和適用性，但該方法在懸索橋索夾螺桿軸力識別中的應(yīng)用仍研究較少。

本文基于聲彈性理論，通過標(biāo)定應(yīng)力系數(shù)和溫度系數(shù)建立螺桿軸力計算公式，進(jìn)行懸索橋索夾螺桿軸力識別，分析了標(biāo)定螺桿與待測螺桿間的無應(yīng)力聲時差異和應(yīng)力系數(shù)差異對軸力識別精度的影響，并將該螺桿軸力識別方法用于實橋螺桿張拉效率和施工階段螺桿軸力損失識別。

1 螺桿軸力識別方法

根據(jù)聲彈性效應(yīng)[21]，螺桿軸力與縱波波速存在線性對應(yīng)關(guān)系，即：

式（4）中的非線性項遠(yuǎn)小于線性項，可忽略不計。令

2 試 驗

2.1 試驗概況

采用中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司研制的螺桿軸力測試系統(tǒng)對螺桿軸力進(jìn)行測試。待測螺桿采用楊泗港長江大橋索夾螺桿，螺桿設(shè)計軸力P=750 kN，長L=1 080 mm，直徑D=48.75 mm，彈性模量E=209 GPa，密度ρ=7 830 kg/m3。將待測螺桿固定在MTS 1 000 kN萬能試驗機上進(jìn)行逐級張拉，每級荷載為50 kN，最大張拉力為950 kN，壓電超聲傳感器位于待測螺桿端部，同時在螺桿表面布置2個溫度傳感器。激勵荷載為0.1 μs的窄帶脈沖，信號采樣率為80 MHz。試驗裝置如圖1所示。

2.2 螺桿軸力識別

令基準(zhǔn)溫度T0=20 ℃，按照100 kN的步徑荷載將螺桿從0張拉至900 kN，實測不同軸力下的聲時和溫度進(jìn)行線性擬合，得到螺桿應(yīng)力系數(shù)Ks=0.768 6 mm·μs-1，溫度系數(shù)Kt=2.37×10-3℃-1。將Ks、Kt代入式（7），得到螺桿軸力計算公式。

同時，將螺桿按照100 kN的步徑荷載將螺桿從150 kN張拉至950 kN，實測不同軸力下的聲時和溫度，計算不同軸力下的聲時差，代入軸力計算公式（7），進(jìn)行軸力識別，識別結(jié)果如表1所示。

表1 螺桿軸力識別結(jié)果Tab. 1 Identification results of bolt axial force

由表1可知，螺桿軸力識別誤差均在1.1%以內(nèi)，螺桿聲彈性效應(yīng)明顯，通過標(biāo)定螺桿應(yīng)力系數(shù)和溫度系數(shù)建立螺桿軸力計算公式可有效識別螺桿軸力。

3 影響因素分析

3.1 無應(yīng)力聲時的影響

根據(jù)式（7），對螺桿應(yīng)力系數(shù)和溫度系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定后，通過實測聲時變化量即可識別螺桿軸力。對于運營期懸索橋，索夾螺桿已張拉完畢，無法得到待測螺桿的實測無應(yīng)力聲時，因此，實橋檢測時往往把標(biāo)定螺桿的無應(yīng)力聲時與待測螺桿實測聲時差值作為聲時變化量。然而，標(biāo)定螺桿與待測螺桿不可避免地存在傳感器耦合狀態(tài)及幾何、材料參數(shù)差異，使得標(biāo)定螺桿無應(yīng)力聲時與待測螺桿無應(yīng)力聲時往往存在偏差，影響軸力識別精度。

3.1.1 傳感器耦合狀態(tài)差異

為分析傳感器耦合狀態(tài)差異引起的無應(yīng)力聲時偏差對軸力識別的影響，在同一螺桿中進(jìn)行9次無應(yīng)力聲時測試，每次試驗前均重新調(diào)整傳感器耦合狀態(tài)。不同耦合狀態(tài)下的螺桿無應(yīng)力聲時如表2所示。

表2 不同耦合狀態(tài)下的螺桿無應(yīng)力聲時Tab. 2 Acoustic time without stess under different coupling states

由表2可知，由于傳感器耦合狀態(tài)差異，同一螺桿無應(yīng)力聲時差異明顯。9次試驗中，螺桿無應(yīng)力聲時最大相差0.134 2 μs。根據(jù)前文分析，聲時變化1 μs引起的軸力變化為355.1 kN左右。最不利情況下，該無應(yīng)力聲時偏差引起的軸力識別誤差約為47.7 kN。

3.1.2 螺桿幾何及材料參數(shù)差異

為分析螺桿幾何及材料參數(shù)差異引起的無應(yīng)力聲時偏差對軸力識別的影響，選取5根典型螺桿，進(jìn)行無應(yīng)力聲時測試，每根螺桿分別進(jìn)行5次重復(fù)試驗，取5次重復(fù)試驗的平均聲時作為螺桿的無應(yīng)力聲時。不同螺桿的無應(yīng)力聲時如表3所示。

表3 不同螺桿無應(yīng)力聲時Tab. 3 Acoustic time without stess for different bolts

由表3可知，由于螺桿幾何及材料參數(shù)差異，不同螺桿的無應(yīng)力聲時差異明顯。采用各螺桿平均無應(yīng)力聲時作為代表值時，無應(yīng)力聲時最大偏差0.123 1 μs。根據(jù)前文分析，聲時變化1 μs 引起的軸力變化為355.1 kN左右，則該無應(yīng)力聲時偏差引起的軸力識別誤差約為43.7 kN。

3.2 應(yīng)力系數(shù)差異的影響

由于標(biāo)定螺桿與待測螺桿不可避免存在幾何、材料參數(shù)差異，使得標(biāo)定螺桿與待測螺桿的應(yīng)力系數(shù)存在差異，從而影響軸力識別精度。為分析由于螺桿幾何及材料參數(shù)差異引起的應(yīng)力系數(shù)偏差對軸力識別的影響，對5根典型螺桿進(jìn)行應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定，不同螺桿應(yīng)力系數(shù)如表4所示。

表4 不同螺桿應(yīng)力系數(shù)Tab. 4 Stress coefficients of different bolts

由表4可知，由于螺桿幾何及材料參數(shù)差異，不同螺桿應(yīng)力系數(shù)差異明顯。采用各螺桿平均應(yīng)力系數(shù)作為代表值時，應(yīng)力系數(shù)最大偏差0.037 mm·μs-1，偏差率達(dá)到4.75%，則由于螺桿幾何、材料參數(shù)差異引起的應(yīng)力系數(shù)偏差對軸力識別精度的影響為4.75%。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

武漢楊泗港長江大橋主跨1 700 m，是世界上最大跨度的雙層懸索橋。大橋主跨采用騎跨式吊索，邊跨未設(shè)計吊索，吊索索夾均采用左右對半的結(jié)構(gòu)形式，螺桿從索夾上下部穿過，通過張拉螺桿保證索夾具有足夠的抗滑移性能。螺桿設(shè)計軸力為750 kN，安裝張拉力為1 070 kN，螺桿幾何及材料參數(shù)與標(biāo)定試驗一致。

為提高索夾螺桿張拉施工質(zhì)量，保證索夾具有足夠的抗滑移性能，在大橋梁段吊裝過程中，對典型索夾螺桿進(jìn)行檢測，檢測工作照如圖2所示。

圖2 檢測工作照Fig. 2 Inspection work photo

4.2 螺桿張拉效率

索夾螺桿采用索夾拉伸器及配套的拉伸泵進(jìn)行張拉，在張拉到設(shè)計噸位時，將螺母擰緊，將拉伸泵卸載，完成螺桿的張拉。在螺母擰緊、拉伸泵卸載后，由于螺桿回縮，螺桿軸力存在不可避免的損失，實橋中往往采用高于設(shè)計軸力的張拉力來保證螺桿軸力達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。為保證張拉完畢后螺桿中的真實軸力達(dá)到設(shè)計要求，應(yīng)提高螺母擰緊程度，以降低螺桿回縮引起的軸力損失，但由于螺母擰緊程度缺乏衡量標(biāo)準(zhǔn)，使得張拉完成后螺桿中的真實軸力離散性較大，存在一定的安全隱患。

為控制螺桿張拉完成后螺母的擰緊程度，定義螺桿張拉完成后的真實軸力與設(shè)計張拉力的比值作為張拉效率W，結(jié)合式（7），張拉效率W可由式（8）表示。

由式（8）計算螺桿張拉效率，如圖3所示。

圖3 螺桿張拉效率Fig. 3 Tensioning efficiency of bolts

由圖3可知：在未控制螺母擰緊程度前，螺母擰緊較為隨意，螺桿軸力張拉效率較低，各螺桿張拉效率離散性較大，1#～6#螺桿張拉效率在49.10%～76.50%之間。通過提高螺母擰緊程度，螺桿軸力張拉效率提升顯著，所有螺桿張拉效率均達(dá)到94.00%以上，較未控制螺母擰緊程度相比，最大增加了95.93%?；趯崪y聲時計算螺桿張拉效率，可有效控制螺母擰緊程度，降低螺桿回縮引起的軸力損失。

4.3 梁段吊裝過程中的螺桿軸力損失

主纜直徑隨著梁段的吊裝逐漸減小，使得螺桿軸力存在不同程度的損失。為分析實橋索夾螺桿軸力損失情況，對張拉完畢的S6#、S7#、S8#、X6#、X7#、X#共6個索夾螺桿軸力進(jìn)行檢測。為保證識別精度，均采用實測待測螺桿無應(yīng)力聲時進(jìn)行軸力識別，檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同索夾螺桿軸力檢測結(jié)果Fig. 4 Detection results of different cable clamps

由圖4可知：索夾螺桿軸力損失嚴(yán)重，除S8#索夾外，其余索夾螺桿平均軸力均低于設(shè)計軸力。X6#索夾螺桿平均軸力最低，為424.32 kN，僅達(dá)到設(shè)計軸力的56.58%。所有檢測螺桿中，軸力最低值為139.96 kN，僅達(dá)到設(shè)計軸力的18.66%。

5 結(jié) 論

1）懸索橋索夾螺桿聲彈性效應(yīng)明顯，螺桿軸力識別誤差均在1.1%以內(nèi)，通過標(biāo)定螺桿應(yīng)力系數(shù)和溫度系數(shù)建立螺桿軸力計算公式，可有效識別螺桿軸力。

2）傳感器耦合狀態(tài)和螺桿幾何、材料參數(shù)差異均會影響螺桿無應(yīng)力聲時，從而影響螺桿軸力識別精度。最不利情況下，傳感器耦合狀態(tài)引起的軸力識別偏差為47.7 kN；螺桿幾何、材料參數(shù)差異引起的軸力識別偏差為43.7 kN。

3）不同螺桿應(yīng)力系數(shù)存在差異，標(biāo)定螺桿與待測螺桿應(yīng)力系數(shù)差異引起的軸力識別偏差為4.75%。

4）實橋螺桿張拉效率受螺母擰緊程度的影響較大。通過實測聲時計算螺桿張拉效率來控制螺母擰緊程度，螺桿張拉效率達(dá)到94.00%以上，較未控制螺母擰緊程度前最大增加了95.93%。索夾螺桿軸力隨梁段重量的增加損失嚴(yán)重，實測索夾平均軸力最低為424.32 kN，僅達(dá)到設(shè)計軸力的56.58%，在梁段施工過程中應(yīng)及時對索夾螺桿進(jìn)行補張拉，確保施工安全。