斜拉橋是二次世界大戰(zhàn)后出現(xiàn)的新型橋型,由于其外型美觀,施工方便和造價(jià)經(jīng)濟(jì),現(xiàn)已成為大跨度橋梁的主要橋型。我國現(xiàn)已建大量的斜拉橋和懸索橋。僅近十年內(nèi)就有超過20余座跨徑400米以上的斜拉橋相繼建成，更有一批跨徑處于世界前列的斜拉橋在建設(shè)或籌建中。
纜索結(jié)構(gòu)體系是大跨徑橋梁的主要承重構(gòu)件，其安全性和耐久性對橋梁的正常使用和整體安全是極為重要的。由于纜索結(jié)構(gòu)體系是纜索承重橋梁的生命線，一旦因耐久性和安全性不足出現(xiàn)病害與劣化，其承接能力喪失會(huì)導(dǎo)致公路橋梁垮塌的惡性事故，造成惡劣的社會(huì)影響和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前已建成且在運(yùn)營中的多座橋梁已發(fā)生過大的振動(dòng)、嚴(yán)重的銹蝕或斷索事故，如廣州海印大橋斷索，四川綦江彩虹橋整體垮塌，四川宜賓小南門大橋吊桿斷裂等。還有一些橋梁已全橋換索或正準(zhǔn)備換索，如濟(jì)南黃河橋，四川犍為橋、上海恒豐路斜拉橋、廣東九江大橋、云南三達(dá)地橋等等。橋梁纜索體系耐久性和安全性不足的問題已引起橋梁工程界的高度關(guān)注，并積極在探索研究解決之中。如何監(jiān)測和評(píng)價(jià)斜拉橋拉索和吊索（桿）的安全性、耐久性，已成為主管部門和工程技術(shù)人員十分關(guān)注的問題。
拉索體系的損傷主要有銹蝕、疲勞斷絲、滑絲和斷裂等幾種，他們的檢測與監(jiān)測的技術(shù)也主要是針對上述損傷形式開展的。下面分別就目前通用的幾種檢測方法做一個(gè)簡單的介紹。
1 索體損傷檢測技術(shù)
1.1 人工檢測法
長期以來，人們對于大跨徑橋的索體的檢測主要采取人工檢測，主要是檢查索體是否遭受腐蝕，各緊固件是否松動(dòng)，定期對索體各部件涂刷防護(hù)漆，對已銹蝕的及時(shí)除銹，清查索腐蝕的鋼絲數(shù)量，判斷其腐蝕程度。對于第三代纜索體系（PE防護(hù)拉索）目前多采用目測方法，先觀測護(hù)套的表面，然后再根據(jù)表面的情況確定是否需要打開錨固區(qū)或在某些部位鑿開護(hù)套，使鋼絲外露以了解銹蝕、斷絲等情況，在必要時(shí)對部分鋼絲取樣，并進(jìn)行相關(guān)的物理和力學(xué)試驗(yàn)，以確定纜索的狀態(tài)。橋梁纜索結(jié)構(gòu)常規(guī)檢測的實(shí)際操作情況如圖1所示。
用常規(guī)檢測方法主要是根據(jù)拉索腐蝕的程度等級(jí)來提出是否需要更換此索，其依據(jù)見表1或者根據(jù)建設(shè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范 CJJ 99-2003》對纜索的安全性方面提出了定量的指標(biāo)：以斷絲面積2%或鋼絲總面積損失10%作為斜拉橋拉索是否需要換索的閾值；對于懸索橋吊桿的更換，則只規(guī)定對“需要更換者”，應(yīng)進(jìn)行力學(xué)分析、制定更換方案。
a、鑿開護(hù)套觀測拉索 b、楔入木楔的懸索橋主纜 c、目測拉索錨固端銹蝕狀況
圖1橋梁纜索結(jié)構(gòu)的常規(guī)檢測（目測）
表1 拉索腐蝕程度分級(jí)
1.2 磁漏檢測法
無損檢測對于構(gòu)件銹蝕、裂紋等缺陷的檢測其方法日趨成熟，在眾多的無損檢測方法中磁檢測原理是最佳的無損檢測方法之一。而磁漏法是無損檢測的主要手段，它通過測量被磁化的拉索表面泄露的磁場強(qiáng)度來判定缺陷的大小。一旦拉索的表面有損傷或斷絲，一部分磁場將從拉索中泄露出來，這一外泄的磁場可被傳感器檢測。當(dāng)拉索遇到里面或內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的材料間斷時(shí)，磁力線將會(huì)發(fā)生聚集（畸變）從而引起可被檢測的磁漏或磁場變化。
目前此方法廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋定位檢測和鋼絲繩的檢測，圖2示為檢測鋼絲繩商業(yè)化磁漏檢測儀器。由于斜拉橋拉索及懸索橋吊索外徑（含護(hù)套）可達(dá)到甚至超過200mm。因此，如采用圖2所示的磁漏檢測儀器，則其大尺寸和重量將使得檢測時(shí)必須借助專用機(jī)器人。我國近年也探索了利用爬升機(jī)器人檢測斜拉橋的拉索。
圖2 鋼絲繩的商業(yè)化漏磁檢測儀器
在國內(nèi)利用磁漏技術(shù)對斜拉索銹蝕、斷絲、磨損等檢測的研究進(jìn)行了多年，從結(jié)果看與鋼絲繩的檢測相比有下述特點(diǎn)：
1）纜索一般用防蝕材料包裹, 其端部用澆鑄材料錨固。因此，即使是纜索最外層的斷絲，其距磁敏元件也將有較大距離，而斷絲斷口向外擴(kuò)散的漏磁場強(qiáng)度從斷口處向外圍呈空間負(fù)指數(shù)衰減，因而磁敏元件能夠探測到的磁場強(qiáng)度將十分微弱；纜索內(nèi)層斷絲產(chǎn)生的可測磁場因外層鋼絲的屏蔽效應(yīng)而變得更加微弱，不易檢測。
2）由于纜索外層包了非透明PE材料，纜索中斷絲（內(nèi)層的或外層的）的檢測，不能直接觀測到，只能依靠儀器作一些定量和定性的分析，從而判斷缺陷在沿纜索軸線方向的位置和所處層次以及在截面上的分布狀況等。
根據(jù)磁漏技術(shù)的特點(diǎn)，該技術(shù)用于斜拉橋拉索及懸索橋吊索在錨固區(qū)外的部分的鋼絲銹蝕、斷絲等檢測是可行的，但對錨固區(qū)內(nèi)的檢測將難以進(jìn)行。
1.3 放射線檢測法
采用放射線法可以探測索體的多種損傷，射線主要包括X射線和γ射線，放射線法可以檢測索體內(nèi)部損傷和缺陷。X射線的檢測原理是：當(dāng)射線通過被檢測物體時(shí)，有缺陷部位與無缺陷部位對射線吸收能力不同，一般情況是透過有缺陷部位的射線強(qiáng)度高于無缺陷部位射線強(qiáng)度，因而可以通過檢測透過被檢物體后的射線強(qiáng)度的差異，來判斷被檢物體中是否存在缺陷。放射法不僅可以檢測損傷的存在，還可以以三維空間坐標(biāo)定位損傷。射線檢測裝置主要由射線源、膠片和攝相裝置組成，為了屏蔽對人體的輻射，射線裝置往往比較大，但攜帶式X射線裝置可以用于現(xiàn)場拉索的損傷檢測。
表面的缺陷也會(huì)對底片上的圖像有影響，但通過現(xiàn)場對表面缺陷的觀察，可以剔除圖像上表面的缺陷，較準(zhǔn)確地得到索體及錨頭內(nèi)部的斷絲以及滑絲等損傷情況。
1.4超聲波測試檢測
美日等國曾在上世紀(jì)末對采用超聲波檢測斜拉索錨固區(qū)內(nèi)的鋼絲斷裂的技術(shù)進(jìn)行了研究，并應(yīng)用于美國Cochrane橋。圖3所示為在實(shí)橋采用超聲波檢測斜拉索錨固區(qū)內(nèi)鋼絲斷裂的情況。據(jù)報(bào)道，當(dāng)頻率在5~10MHz時(shí)，超聲波可檢測錨固區(qū)2~5m長度內(nèi)纜索的斷絲。顯然這項(xiàng)測技術(shù)不失為一種選擇，但在檢測斜拉橋拉索及錨固系統(tǒng)和懸索橋吊索系統(tǒng)時(shí)要使結(jié)果理想，必須事先進(jìn)行嚴(yán)格標(biāo)定，盡管理論上可測定索股的非規(guī)則性和斷面損失，但實(shí)踐中還有較大困難；另一方面，超聲波測試技術(shù)對錨固區(qū)外纜索的檢測仍有較大難度。
圖3 采用超聲波檢測Cochrane橋拉索錨固區(qū)內(nèi)的鋼絲斷裂
1.5 磁伸傳感技術(shù)檢測法
磁伸傳感技術(shù)采用兩個(gè)磁伸傳感器進(jìn)行測試，其中一個(gè)作為發(fā)射器，另一個(gè)作為接收器，兩者均由一個(gè)線圈和一個(gè)偏磁場構(gòu)成，如圖4所示。
磁伸技術(shù)可用于纜索的斷絲、銹蝕和其它原因引起的斷面損失的檢測。國外已對49絲拉索進(jìn)行過試驗(yàn)研究，證實(shí)了其有效性。對長為100m，直徑F15mm的鋼鉸線進(jìn)行的試驗(yàn)表明磁伸傳感可檢測2%以上的斷面損失。但與磁漏傳感技術(shù)相似對錨固區(qū)內(nèi)的檢測仍不易進(jìn)行。
圖4 纜索檢測的磁伸傳感技術(shù)示意圖
1.6 電反射技術(shù)
電反射技術(shù)（包括電時(shí)域反射/ETDR和電頻域反射技術(shù)/EFDR）：電時(shí)域反射系統(tǒng)又稱為“閉環(huán)”雷達(dá)，并在輸電線的檢測中廣為應(yīng)用，同時(shí)在巖土工程中亦有應(yīng)用。電時(shí)域反射系統(tǒng)的工作原理是：系統(tǒng)對電纜發(fā)送高頻電脈沖，電纜沿線阻抗的非連續(xù)和非匹配將會(huì)反射部分脈沖，而系統(tǒng)可將對該反射脈沖進(jìn)行記錄，并根據(jù)阻抗的變化情況分析電纜沿線材料的物理特性。電頻域反射技術(shù)將反射信號(hào)在頻域進(jìn)行處理，其分析比時(shí)域結(jié)果將更為簡潔和明確，并更易除去噪聲的影響。對斜拉橋拉索及懸索橋吊索進(jìn)行檢測時(shí)，電反射系統(tǒng)可利用纜索本身的鋼鉸線或平行鋼絲索作為電纜，同時(shí)并行其布置另一條附件的電纜作為地線，如圖5所示。
a、實(shí)際纜索 b、理想化的纜索
圖5 纜索電反射檢測技術(shù)示意圖（可檢式纜索的一種模式）
目前，產(chǎn)品化的電反射測試系統(tǒng)已能獲得纜索斷面損失在7%以上的損傷數(shù)據(jù)，隨著技術(shù)的進(jìn)行，電反射系統(tǒng)的測試精度還將逐步提高。由美國國家自然科學(xué)基金資助的一項(xiàng)相關(guān)研究表明，電反射系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地區(qū)分纜索的表面腐蝕和坑蝕兩種不同的損傷及其位置。由此可知電反射系統(tǒng)對于纜索表面銹蝕、坑蝕、斷絲等損傷的檢測是完整和可行的。經(jīng)過事先的標(biāo)定，電反射系統(tǒng)還可對（鐵磁材料）纜索的應(yīng)變進(jìn)行測量?？梢婋姺瓷浼夹g(shù)是一種適合融入纜索制作的檢測技術(shù)，其實(shí)施需與纜索生產(chǎn)相結(jié)合較為實(shí)際，但這對纜索體熱擠PE護(hù)套時(shí)要求很高，以現(xiàn)行的擠出工藝和設(shè)備則還有不少的技術(shù)問題需解決。
此外無損檢測還有磁彈性傳感器技術(shù)；脈沖渦電流技術(shù)；非線性聲振技術(shù)；聚能探地雷達(dá)技術(shù)等。但這眾多的檢測技術(shù)使用起來都有各自的工況和使用條件，就纜索檢測的工況和使用條件分析，采用上述哪一種技術(shù)檢測都不能完全覆蓋，必須復(fù)合解決。
2 索體損傷監(jiān)測技術(shù)
2.1 聲發(fā)射監(jiān)測法
聲發(fā)射監(jiān)測是一種“被動(dòng)”型監(jiān)測，其基本原理是：當(dāng)固體材料內(nèi)部缺陷的發(fā)生和擴(kuò)展，以彈性波的形式釋放能量，并向四周傳播，缺陷便成為聲發(fā)射源。對于索體的檢測就是當(dāng)索體處于高拉應(yīng)力的纜索鋼絲出現(xiàn)裂紋、腐蝕或斷絲時(shí)，其局部高應(yīng)力的釋放將產(chǎn)生特定的應(yīng)力波，這種應(yīng)力波可以被聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)捕捉到，并用于分析其表征的物理過程。在使用時(shí)，聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)必須不間斷地工作，一旦出現(xiàn)某種應(yīng)力波（聲波）出現(xiàn)，則將其記錄下來。圖6為聲發(fā)射技術(shù)在實(shí)橋纜索狀態(tài)監(jiān)測中安裝的情況。但從檢測效果看，彈性波在混凝土中衰減很快，故聲發(fā)射方法不適用于粘結(jié)性纜索的監(jiān)測。
a、用于纜索的AEM傳感器 b、斜拉索上的AEM傳感器 c、錨固區(qū)的AEM傳感器
圖6 聲發(fā)射技術(shù)在橋梁纜索狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用
2.2 振動(dòng)法
振動(dòng)法既可以用于拉索內(nèi)力的檢測，也可以用于拉索內(nèi)力的監(jiān)測。振動(dòng)測試法是目前應(yīng)用最廣的索力測試方法，振動(dòng)測試法的前提條件是索纜的長度、線密度、邊界條件清楚、纜索不過短、過長、過粗或有中間支撐等。在這些前提條件下，只要使用得當(dāng)，且在測試前對索力和頻率的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，則振動(dòng)法能準(zhǔn)確地測定索纜的靜張力。為突破傳統(tǒng)振動(dòng)法的使用限制，振動(dòng)法本身也在不斷發(fā)展。振動(dòng)法的發(fā)展還包括拾振技術(shù)（如采用激光、電磁感應(yīng)等方式進(jìn)行非接觸式的振動(dòng)測試）和信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步等。
振動(dòng)測試采用的傳感器主要有兩類，一類是加速度傳感器，圖7所示為安裝在斜拉索上進(jìn)行振動(dòng)測試的情況。另一類是壓力傳感器，主要通過在纜索端部安裝穿心式壓力傳感器來實(shí)現(xiàn)。目前適合纜索使用的壓力傳感器有鋼鉉式和應(yīng)變式兩種，其中鋼鉉式壓力傳感器長期穩(wěn)定性較好，但只能用于測試?yán)|索靜張力；應(yīng)變式壓力傳感器長期穩(wěn)定性差，但對纜索靜張力和動(dòng)張力均可測試。隨著新橋建設(shè)中進(jìn)行健康監(jiān)測系統(tǒng)配置的趨勢走強(qiáng)，新建纜索承重橋梁中將有一部分可能安裝這類傳感器，這對確保大橋的安全是有重要意義的。但是，對過去已經(jīng)建成斜拉橋和懸索橋的纜索進(jìn)行索力測試，采用壓力傳感器法顯然不易實(shí)現(xiàn)也不經(jīng)濟(jì)；而加速度傳感器法是安裝在索上，既可用于舊橋也可用于新橋顯然就要現(xiàn)實(shí)得多。
圖7 斜拉索振動(dòng)測試（纜索靜張力）
以上介紹了對橋梁纜索體系檢測和監(jiān)控的一些常用方法。它是一個(gè)復(fù)雜的過程，影響因素較多，目前人們都只是在進(jìn)行研究和試驗(yàn)，希望找到一種理想、可靠的檢測方法。因此這些常用的無損檢測技術(shù)和監(jiān)測技術(shù)都還不完善，還不能對病害拉索體系進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。只能通過組合的方式組成一個(gè)系統(tǒng)來解決一些問題。
3 結(jié)論和展望
由以上可見它們測力的原理不同，使用的儀器不同，測量的結(jié)果也不同，同一根索用不同的方法檢測，測出的結(jié)果往往差異較大。橋梁的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力也很復(fù)雜。橋梁工作幾年后，現(xiàn)實(shí)的狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀態(tài)，成橋狀態(tài)發(fā)生了很大的變化，索力會(huì)重新分布。如何根據(jù)索力檢測結(jié)果對索纜的安全性進(jìn)行準(zhǔn)確分析，是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題。索力應(yīng)力增高，是結(jié)構(gòu)變形引起的還是鋼絲斷面減少引起的。鋼絲斷面減少是疲勞短絲引起的還是銹蝕引起的，往往很難判斷。很難分清楚。尤其是當(dāng)索纜銹蝕相當(dāng)嚴(yán)重，但還未發(fā)生斷絲的情況下，它的檢測結(jié)果往往給人以虛假的安全感，令人擔(dān)心。即使知道有了斷絲，索纜的有效斷面有了縮小，要弄清斷絲的原因，也只能采用最原始的辦法，把錨固區(qū)打開直接觀測斷絲情況。采用上述方法，雖然直接可靠操作性強(qiáng)。但是要打開索纜的防護(hù)層（包括水泥沙漿或者硫磺沙漿；金屬外套或者PE外套），費(fèi)時(shí)、費(fèi)事、工期長，對交通影響大；打開部位重新恢復(fù)后的可靠度也值得考慮。
因此對橋梁纜索的檢測和監(jiān)控和是一個(gè)復(fù)雜的過程，影響因素較多，目前的無損檢測技術(shù)沒有一種可以同時(shí)適合錨固區(qū)內(nèi)和錨固區(qū)外纜索的檢測，只能通過組合的方式組成一個(gè)系統(tǒng)來解決，對這個(gè)系統(tǒng)所涉及技術(shù)、使用條件、工藝要求、數(shù)據(jù)的處理和分析以及結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性都需要進(jìn)行深入的研究和試驗(yàn)，以便對纜索能否安全運(yùn)行作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。而且在什么時(shí)候進(jìn)行檢測和監(jiān)測，這不僅需要花費(fèi)大量的人力物力進(jìn)行多次論證，其結(jié)果往往還不能令人滿意。
為了徹底解決這些問題，現(xiàn)在對拉索的檢測和監(jiān)測問題已經(jīng)著手進(jìn)一步研究和試驗(yàn)。其目的就是希望拉索能隨時(shí)向我們報(bào)告它的病害情況，讓我們隨時(shí)可判斷拉索的使用壽命，做到及時(shí)維護(hù)和更換，只有這樣才能及時(shí)避免發(fā)生橋梁跨塌的惡性事件。可見不久的將來拉索發(fā)展的趨勢必將是可控，在線檢測的智能拉索。
