斜淺談拉橋病害分析與監(jiān)測
2015-06-24
引言
斜拉橋是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，是由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種結(jié)構(gòu)體系。其可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁。其可使梁體內(nèi)彎矩減小，降低建筑高度，減輕了結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省了材料。加強(qiáng)和防范斜拉橋的病害，對最大限度的延長橋梁壽命至關(guān)重要。
1 斜拉橋病害與成因概述
斜拉橋按照主要承重構(gòu)件可分為斜拉系統(tǒng)，索塔，主梁，下面對此逐條闡述。
1.1 斜拉系統(tǒng)病害
斜拉橋主要受力部件之一的斜拉索，需要通過塔和梁的錨固系統(tǒng)的傳力才能實(shí)現(xiàn)其功能，他們共同工作，任一構(gòu)件失效，此部分即失效。在此參照相關(guān)文獻(xiàn)，把斜拉索和相應(yīng)塔、梁上的錨固系統(tǒng)統(tǒng)稱為斜拉系統(tǒng)。
斜拉索的病害主要表現(xiàn)：a.拉索回縮、拉索鋼絲滑絲導(dǎo)致拉索索力退化。此問題主要原因是錨固系統(tǒng)構(gòu)造不當(dāng)，施工誤差，溫度影響等。b.拉索腐蝕。產(chǎn)生原因?yàn)榉雷o(hù)措施失效。c.拉索振動。斜拉索暴露在自然環(huán)境中，風(fēng)、雨等激勵下，斜拉索會表現(xiàn)處明顯的振動，振動會增加斜拉索的張力、并加劇斜拉索和錨具的疲勞破壞，此外如果斜拉索的振動頻率與主橋結(jié)構(gòu)的基頻接近，還會引起整體的振動耦合。此類病害下文還會重點(diǎn)分析。
斜拉橋索梁、索塔錨固區(qū)，受力集中，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在恒載、活載和其它荷載的作用下，其病害問題應(yīng)引起高度重視。錨固系統(tǒng)的病害主要表現(xiàn)：a.錨固裝置疲勞。斜拉索暴露在自然界中，在各種荷載的作用下，斜拉索索力值是一個變化值，由此引起錨固裝置的疲勞損傷不可忽視，尤其是當(dāng)錨固裝置本身就有因焊接等原因的缺陷時(shí)更需重點(diǎn)注意。b.錨頭銹蝕。主要表現(xiàn)為下錨頭，由于長期處于潮濕環(huán)境造成。
1.2 索塔病害
作用于斜拉橋主梁的恒載和活載通過拉索傳遞給索塔，因此索塔是通過拉索對主梁起彈性支承作用的重要構(gòu)件。作用在索塔上的力除索塔自身外，還有拉索索力的垂直分力引起的軸向力、拉索的水平分力引起的彎矩和剪力，此外，溫度變化、日照溫差、風(fēng)荷載、地震力、混凝土收縮徐變等都對索塔內(nèi)力產(chǎn)生影響。索塔根據(jù)材料類型可分為鋼筋混凝土和鋼索塔。對于最常見的鋼筋混凝土索塔，在各種荷載作用下主要表現(xiàn)為拉索錨固區(qū)局部裂縫和塔根處的裂縫，形成原因主要是基本荷載和溫度的影響。在存在下橫梁結(jié)構(gòu)的橋塔中，可能還會出現(xiàn)橫梁裂縫，這主要是因?yàn)闃蛩偠炔豢珊雎浴?br />
1.3 主梁的病害
對于常用的混凝土主梁，主要是梁體的裂縫。這些裂縫大部分是由施工誤差、混凝土收縮、溫度變化、局部錨固應(yīng)力過大等因素誘發(fā)。當(dāng)然也有因?yàn)樵O(shè)計(jì)問題產(chǎn)生的，如抗裂性不足，產(chǎn)生受彎裂縫和受剪斜裂縫等。對于鋼梁或者鋼- 混結(jié)合梁，主要是鋼結(jié)構(gòu)因?yàn)橹圃爝^程、焊接等引起的缺陷造成的疲勞、脆性等問題。特別的，對于結(jié)合梁，混凝土的收縮徐變引起的橋面裂縫和鋼- 混結(jié)合部的疲勞；對于鋼橋，橋面鋪裝的病害應(yīng)引起足夠重視。
2 斜拉橋健康監(jiān)測和風(fēng)險(xiǎn)評估的研究現(xiàn)狀
2.1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)研究的意義因?yàn)闃蛄菏┕ぁ⑦\(yùn)營中總會出現(xiàn)各種病害，各種病害對結(jié)構(gòu)的影響不可忽視。尤其是最近幾年的垮橋事故頻繁發(fā)生，提醒我們應(yīng)該用合理的方法對橋梁的健康狀況進(jìn)行檢測，并對橋梁結(jié)構(gòu)的目前運(yùn)營狀況進(jìn)行評估和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。
橋梁健康監(jiān)測指的是：從建造、運(yùn)營狀態(tài)的橋梁結(jié)構(gòu)中獲取并處理數(shù)據(jù)，評估結(jié)構(gòu)的主要性能指標(biāo)(如可靠性、耐久性等)的方法。它結(jié)合了無損檢測和結(jié)構(gòu)特性分析，目的是為了診斷結(jié)構(gòu)中是否有損傷發(fā)生，判斷損傷的位置，估計(jì)損傷的程度以及損傷對結(jié)構(gòu)將要造成的后果。可以說，橋梁健康檢測就像橋梁的醫(yī)生，對橋梁的健康狀況進(jìn)行評價(jià)，制定“治療”方案。
一般地，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng):傳感器與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和評估決策子系統(tǒng)。如果建立在線的遠(yuǎn)程健康監(jiān)測系統(tǒng)，則還應(yīng)包括網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)。
2.2 損傷識別的方法歸類
對于大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，需要一定的評定方法。結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)必須具備識別結(jié)構(gòu)損傷的能力，結(jié)構(gòu)損傷識別是健康監(jiān)測系統(tǒng)中的核心技術(shù)，健康監(jiān)測系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)的優(yōu)劣。筆者查閱了大量文獻(xiàn)，對當(dāng)前比較常用的損傷評定方法進(jìn)行分類如下：
2.2.1 基于結(jié)構(gòu)固有頻率的損傷識別方法自振頻率是結(jié)構(gòu)剛度、整體特性的反映，在不同點(diǎn)對結(jié)構(gòu)的頻率進(jìn)行測量，對其間的構(gòu)件局部損傷進(jìn)行推斷。此類方法要求測量精度高、干擾小。在橋梁結(jié)構(gòu)上應(yīng)用較少。
2.2.2 基于模態(tài)振形的損傷識別方法此類方法測量數(shù)據(jù)主要為結(jié)構(gòu)的振形，通過對結(jié)構(gòu)損傷前后的振形進(jìn)行比較，以此來推斷結(jié)構(gòu)損傷部位和損傷程度。
2.2.3 基于柔度矩陣和剛度矩陣的損傷識別方法，此方法主要通過結(jié)構(gòu)對荷載的響應(yīng)反推的和結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)的矩陣，來確定結(jié)構(gòu)損傷情況。
2.2.4 基于模型修正的損傷識別方法。該方法首先要建立結(jié)構(gòu)仿真模型，通過對模型的參數(shù)進(jìn)行修改，使計(jì)算結(jié)果逼近測量數(shù)據(jù)。修改參數(shù)需要一定的方法確定，此處不再展開。
2.2.5 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的損傷識別方法。該方法通過已測數(shù)據(jù)和損傷建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的損傷評定系統(tǒng)，對新測的數(shù)據(jù)進(jìn)行損傷評定，并反復(fù)更新修正，提高了對復(fù)雜數(shù)據(jù)的識別能力。
2.2.6 基于小波分析的損傷識別方法該方法可實(shí)現(xiàn)對非穩(wěn)態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可與其他方法結(jié)合使用。
2.3 健康檢測系統(tǒng)在斜拉橋型應(yīng)用的思考
在對斜拉橋病害各種損傷識別方法初步認(rèn)識的基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為斜拉橋健康監(jiān)測中應(yīng)該注意幾點(diǎn)：
2.3.1 斜拉橋的病害形式多樣，不同的損傷需要各異的方法識別，需要多種損傷識別方法綜合應(yīng)用。如：在基于模型修正的損傷識別方法中，最好從現(xiàn)場對斜拉橋的病害進(jìn)行一個初步了解。
2.3.2 健康檢測要抓住重點(diǎn)，應(yīng)該對可能出現(xiàn)損傷的部位進(jìn)行分級，比如：重要、一般、次要。因?yàn)闃蛄簲?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的來的數(shù)據(jù)量非常大，有時(shí)候需要對部分?jǐn)?shù)據(jù)重點(diǎn)處理或舍棄。同樣以在基于模型修正的損傷識別方法為例，對重點(diǎn)關(guān)心的部位的數(shù)據(jù)重點(diǎn)考察，給予更大權(quán)重，更符合橋梁本身的受力特性，安全、合理。
2.3.3 健康監(jiān)測系統(tǒng)是個綜合了多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜體系，對新技術(shù)的吸納能力也很強(qiáng)，簡單的從傳感器數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)這一環(huán)，就可分為有線、光無線、聲波無線等多種傳輸方法，應(yīng)廣泛了解相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的前沿情況，合理應(yīng)用。
3 結(jié)論與展望
通過前文的論述和分析，筆者進(jìn)一步有以下總結(jié)：
3.1 隨著服役橋梁病害的逐步出現(xiàn)，斜拉橋病害研究在最近十幾年中有了較大進(jìn)步，在理論和實(shí)踐方面都有深入的研究，尤其是對于斜拉索的振顫引起的疲勞病害等有了足夠的認(rèn)識和理解。
3.2 通過橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及安全預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行，建設(shè)管理單位、設(shè)計(jì)單位和橋梁監(jiān)測單位可以隨時(shí)掌握橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)及損傷情況。由于系統(tǒng)能夠在橋梁結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)萌芽階段發(fā)出預(yù)警，這對于保障橋梁安全運(yùn)營具有重要意義。
3.3 健康監(jiān)測，不僅通過對結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀況下內(nèi)力、病害等情況的了解，可以反映結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，并對決策提供參考意見，而且對某種橋型的設(shè)計(jì)上也提供了實(shí)際的有價(jià)值的參考。
3.4 對于健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，根據(jù)運(yùn)營現(xiàn)狀采取合理的方式進(jìn)行維修加固，是否進(jìn)行維修、采取何種維修方式、什么規(guī)模的維修，等問題都可以在可靠度分析的基礎(chǔ)上，通過經(jīng)濟(jì)、社會評估后做出決定。
3.5 在設(shè)計(jì)之初，應(yīng)充分考慮到橋梁運(yùn)營維護(hù)過程中的問題，比如某些稀索體系的斜拉橋，換索時(shí)必須封閉交通，從而設(shè)計(jì)中最好采用換索方便的密索體系。在確定維修加固方案時(shí)，經(jīng)濟(jì)比選的基準(zhǔn)期也應(yīng)是橋梁全壽命。
3.6 斜拉橋是現(xiàn)代大跨徑橋梁研究及應(yīng)用的重要方面，在對其進(jìn)行理論研究、計(jì)算分析、施工組織設(shè)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)該加大對斜拉橋養(yǎng)護(hù)維修工作的投入。通過對病害類型的歸納和病害成因的分析研究，應(yīng)針對性的采取防治和處置措施，避免或減小病害對橋梁運(yùn)營帶來的損失。
