斜拉桥检测技术的几点探讨
2018-05-07
1 概述
我国交通运输事业的飞速发展，为道路和桥梁的建设提供了良好的机遇，建成了不同结构形式的大跨径悬索桥、斜拉桥、拱桥、连续刚构桥等等，目前在役桥梁的总数已达80万座以上，标志着我国桥梁技术已进入世界先进行列。然而桥梁所处环境是比较恶劣，受到许多人为的、天然灾害的影响，以及桥梁管理的不足、人力和物力的有限，使桥梁老化、损伤情况较为严重。为了适应交通的需求，充分利用现有的桥梁，能安全地为社会服务，就需要对桥梁、特别是对年久失修的桥梁进行评估，了解桥梁工作状况，并预测其承载能力。这包括对桥梁的质量检测、结构检算，必要时再进行荷载试验，总称为桥梁检测与评估，目的是了解桥梁存在的各种病害，取得关键部位的受力的应力（应变）、变形、位移或沉降等重要数据，经过计算分析与研究确定病害的原因，桥梁结构实际承载能力以及剩余寿命，为桥梁养护提供依据。通常对桥梁结构检测项目包括：桥面系的检测、钢筋混凝土与预应力混凝土梁或钢梁的检测、圬工和钢筋混凝土拱及拱上建筑的检测、桥梁支座的检测、桥梁下部结构的检测、桥梁水文及调治结构的检测、结构裂缝的检测等等。桥梁结构检算是根据桥梁结构的相关规范，设计依据或竣工资料，也可以根据检测结果对桥梁结构主要控制截面、结构薄弱部位进行检算，来评定桥梁结构承载能力及其适用条件。桥梁荷载试验是对桥梁结构进行直接加载测试的一项科学试验工作，是基于桥梁检测和结构计算结论，通过对桥梁进行直接荷载试验，以获取实测资料，分析评定桥梁承载能力。
2 斜索索力的检测
斜拉桥的结构主要由三大部分组成，斜索通过索搭将斜拉桥梁上的恒载和活载传到墩或台的基础上。斜索检测包括索力的检测、锚固区的检测、索塔塔顶位移的检测、主梁标高的测量、典型部位日变化跟踪观测等等。斜索索力的检测是这类包含柔性构件结构检测的特点之一，通过准确地测取索力，可以充分掌握全桥结构的受力状态。斜拉桥成桥后索力的检测方法有：频率法、磁通量法和光纤光栅法。光纤光栅法所用的传感器是在光纤的纤芯范围，采用紫外光对光纤侧面进行曝光或其它方法写入，使该段范围内的折射率沿光纤轴线发生周期性变化，再通过周期性变化栅格的反射波长的移动，来感应外界物理量的变化，这种测量技术的特点是尺寸小、线性度高且重复性好、抗电磁干扰和抗腐蚀能力强、绝对测量和响应速度都很快等优点。是结构健康监测的理想的，一种有较高的精度的技术。不过目前这种方法并未大范围推广应用，普及率，从而价格太高。
磁通量法是一种测定索力、监测斜索锈蚀程度的非破坏性方法。这种方法的使用是预先将作为传感器的磁通环套在斜索上，通过测定磁通量变化，根据索力与磁通量之间的关系来推算索力。磁通量法所用的传感器材料是电磁是，由两层线圈组成，因此不会影响索的任何力学和物理特性，除了温度之外几乎不受其他干扰因素影响，相对别的检测方法精度较高。缺点是对于没有预埋传感器的斜索测量是不能应用的。此外传感器和测试仪器价格很高，一般大跨度斜拉桥的斜索都有上百根，甚至好几百根，若每根索都安装磁通量传感器，成本太大。目前有一种新型的磁通量传感器，是由两个半环合成，检测索力时可以随时随地扣在斜索的外面进行，这就可以大减小检测工作的成本。但半环合成磁通量传感器灵敏度非常低，而且很不稳定，尚处于研制阶段，没有实际工程价值。
频率法检测索力是在人工或环境激励下，利用加速度传感器拾取斜索的随机振动信号，即时域图；再通过FFT将时域图转化为斜索的频谱图，确定斜索的各阶自振频率；根据索力与自振频率之间的对应关系到实测的索力。频率法测量索力是一种间接方法，其精度取决于高灵敏度拾振技术以及准确的索力与频率关系。检测时将加速度传感器简单地固定在斜索上，能同时进行单根或多根索力的检测。因为不需要预埋传感器，不仅适用于施工中的桥梁，也适用于成桥检测和长期监测，尤其是事先没有预埋其它传感器的旧桥的检测，几乎是唯一的选择。不用预埋加速度传感器，可重复使用，成本较低，精度也较好的，因此是当今使用最为广泛的索力检测手段。 利用振动频率法求索力，可以确保斜索的安全。因为斜拉桥实际的索力只是斜索极限强度的40%左右，只要斜索不发生锈蚀，锚固区不出现松动、损伤等现象，斜索一般是不会发生问题的。但若要充分了解斜索的工作状态，还远远不够。已有的研究工作指出，斜索的刚度、垂度、仰角以及风力、雨雪等因素对自振频率都有影响，要正确地掌握斜索的索力，还应考虑消除这些因素的影响。
3 索塔塔顶位移的检测
斜拉桥所受的交通荷载、主梁自重及置于桥面各种设施的重量，都是通过斜索传递给索塔的来承担的。斜拉桥的索塔除了根部与地基刚性固结之外，再无其他约束。索塔的自重的所有的斜索索力则是索塔的荷载。索力的作用是沿索的轴线方向，其水平分力则是使索塔产生水平位移。通常索塔的平衡是利用塔轴线对称的两侧索力来维持。由于建筑材料的不均匀、施工过程中的误差等因素，很难保证索塔两侧索力的完全对称，从而造成索塔的偏移。于是索塔塔顶的定位则是确保索塔是否出现了偏移的重要措施。特别是考虑到索塔的长细比，尽管索塔具有一定的刚度，但仍然是一个细杆构件。根据结构分析，索塔可以看作是一悬臂构件，塔的位移是最显著的。
斜索索力的变化对索塔水平位移的影响不能小觑。另外，不论是钢塔还是混凝土塔，受温度的影响都是比较大的。国内大部分的气温在冬夏之差、昼夜之差，白天的阴阳面之差，都会对索塔产生温度效应。再进一步考虑到风和雨雪的影响，索塔塔顶实际上在不停地摆动。应用目前已有的测量仪器，如全站仪、GPS等设备，对索塔塔顶位移的检测是完全没有问题的。但是只有设法消除这些综合因素，测出的塔位移才是索塔的真实受力状态。
已有的研究表明，在实际检测中可以通过典型时段，对塔顶进行连续的跟踪的测量，同时监测温度、风力和风向等环境资料，有条件的话最好还能进行相应斜索的索力检测，然后归纳出塔顶位移和这些因素之间的关系式，最终给出索塔塔顶位移真实的检测值。
4 结构营运期间的仿真计算
桥梁结构仿真技术的应用日臻广泛，已在桥梁工程中的设计、施工监控和检测中必不可少的重要环节。斜拉桥的仿真计算是在于建立一个能够全面、正确反映桥梁结构真实性态的完整的有限元仿真模型，根据斜拉桥的结构特点和力学特性，进行计算分析，以代替一部分实际的工作，减轻一部分实际工程的工作量。
斜拉桥仿真模型建立的过程中，计算模式和计算理论的选择应该能够准确模拟承载构件的空间位置、尺寸、材料特性以及连接形式和荷载作用等因素。然后进行大规模的全桥结构效应分析计算，得到相对详尽、精确和可靠的分析结果。在建模过程中单元的合理选取和划分、边界条件的正确模拟都是如实反应桥梁实际状态的要点。基于有限元仿真模型的结构理论计算结构和斜拉桥实际检测结果的对比分析，可以相互验证，找出存在的错误，为今后修正更准确地建模提供依据，为以后的检测工作提供指导作用，以达到替代一部分的斜拉桥检测工作的目的。
结构营运期间的斜拉桥仿真计算，除了考虑正确建模之外，还应兼顾斜拉桥的动态因素。在斜拉桥正常使用中，由于荷载与环境因素的作用，主梁标高、索塔位置都不是确定不动的，因此在仿真计算时，有限元分析的各单元结点的坐标应根据实际工作状态而有所调整。另外随着时间的流逝，材料也会逐步老化、损伤，分析时也应考虑到材料性能的衰退。诸如此类的原因要求仿真计算必须与实际检测结合起来，才能真正准确地反映斜拉桥的受力状态。
表1是某斜拉桥在1997年到2002年5次标高测量的结果。按照动态建模的思路，在这五个时间段计算的有限元数据中，这17结点的坐标应该按实际检测的值代入，才是桥梁真实的结构尺寸。
除此之外，在建模过程中应考虑的动态参数还有索塔（特别是塔顶的坐标），索力等等。只有综合了这些因素，才能确保仿真分析得出的结论有实际有意义。
5 研究展望
通过对斜拉桥实际受力状态的检测，可以为桥梁使用的安全可靠及维修加固提供科学的依据和积累、必要的技术资料。另外通过建立斜拉桥的健康档案数据库，也能为进一步完善、发展桥梁结构的设计计算理论。
随着科学技术的发展，各种桥梁的设计、施工以及建筑材料的性能都在不断提高，但安全仍然是一个不容忽视问题。例如斜索的寿命是斜拉桥安全的关键之一。人们最关心是斜索如何防腐，以及锚固区的结构损伤和抗疲劳性能。近年来斜索防腐措施虽有不断改进，锚固区结构的设计与施工方法也在提高，但桥梁结构毕竟还是要长期经历风雨。所以说只有通过索力检测来了解斜索的安全，还是最为可靠。同样对于全结构的检测，仍是将来保证桥梁安全的重要措施。
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