斜拉橋病害分析與監(jiān)測
2018-04-16
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構體系。其可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁。其可使梁體內彎矩減小，降低建筑高度，減輕了結構重量，節(jié)省了材料。加強和防范斜拉橋的病害，對最大限度的延長橋梁壽命至關重要。
1 斜拉橋病害與成因概述
斜拉橋按照主要承重構件可分為斜拉系統(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)的傳力才能實現其功能，他們共同工作，任一構件失效，此部分即失效。在此參照相關文獻，把斜拉索和相應塔、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：a.拉索回縮、拉索鋼絲滑絲導致拉索索力退化。此問題主要原因是錨固系統(tǒng)構造不當，施工誤差，溫度影響等。b.拉索腐蝕。產生原因為防護措施失效。c.拉索振動。斜拉索暴露在自然環(huán)境中，風、雨等激勵下，斜拉索會表現處明顯的振動，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構的基頻接近，還會引起整體的振動耦合。此類病害下文還會重點分析。
斜拉橋索梁、索塔錨固區(qū)，受力集中，結構復雜，在恒載、活載和其它荷載的作用下，其病害問題應引起高度重視。錨固系統(tǒng)的病害主要表現：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，尤其是當錨固裝置本身就有因焊接等原因的缺陷時更需重點注意。b.錨頭銹蝕。主要表現為下錨頭，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、風荷載、地震力、混凝土收縮徐變等都對索塔內力產生影響。索塔根據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。在存在下橫梁結構的橋塔中，可能還會出現橫梁裂縫，這主要是因為橋塔剛度不可忽略。
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、局部錨固應力過大等因素誘發(fā)。當然也有因為設計問題產生的，如抗裂性不足，產生受彎裂縫和受剪斜裂縫等。對于鋼梁或者鋼- 混結合梁，主要是鋼結構因為制造過程、焊接等引起的缺陷造成的疲勞、脆性等問題。特別的，對于結合梁，混凝土的收縮徐變引起的橋面裂縫和鋼- 混結合部的疲勞；對于鋼橋，橋面鋪裝的病害應引起足夠重視。
2 斜拉橋健康監(jiān)測和風險評估的研究現狀
2.1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)研究的意義因為橋梁施工、運營中總會出現各種病害，各種病害對結構的影響不可忽視。尤其是最近幾年的垮橋事故頻繁發(fā)生，提醒我們應該用合理的方法對橋梁的健康狀況進行檢測，并對橋梁結構的目前運營狀況進行評估和風險評價。
橋梁健康監(jiān)測指的是：從建造、運營狀態(tài)的橋梁結構中獲取并處理數據，評估結構的主要性能指標(如可靠性、耐久性等)的方法。它結合了無損檢測和結構特性分析，目的是為了診斷結構中是否有損傷發(fā)生，判斷損傷的位置，估計損傷的程度以及損傷對結構將要造成的后果?？梢哉f，橋梁健康檢測就像橋梁的醫(yī)生，對橋梁的健康狀況進行評價，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):傳感器與數據采集子系統(tǒng)、結構分析子系統(tǒng)、數據管理子系統(tǒng)和評估決策子系統(tǒng)。如果建立在線的遠程健康監(jiān)測系統(tǒng)，則還應包括網絡傳輸子系統(tǒng)。
2.2 損傷識別的方法歸類
對于大量的現場數據，需要一定的評定方法。結構的健康監(jiān)測系統(tǒng)必須具備識別結構損傷的能力，結構損傷識別是健康監(jiān)測系統(tǒng)中的核心技術，健康監(jiān)測系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于結構損傷識別技術的優(yōu)劣。筆者查閱了大量文獻，對當前比較常用的損傷評定方法進行分類如下：
2.2.1 基于結構固有頻率的損傷識別方法自振頻率是結構剛度、整體特性的反映，在不同點對結構的頻率進行測量，對其間的構件局部損傷進行推斷。此類方法要求測量精度高、干擾小。在橋梁結構上應用較少。
2.2.2 基于模態(tài)振形的損傷識別方法此類方法測量數據主要為結構的振形，通過對結構損傷前后的振形進行比較，以此來推斷結構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，此方法主要通過結構對荷載的響應反推的和結構剛度有關的矩陣，來確定結構損傷情況。
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構仿真模型，通過對模型的參數進行修改，使計算結果逼近測量數據。修改參數需要一定的方法確定，此處不再展開。
2.2.5 基于神經網絡的損傷識別方法。該方法通過已測數據和損傷建立神經網絡的損傷評定系統(tǒng)，對新測的數據進行損傷評定，并反復更新修正，提高了對復雜數據的識別能力。
2.2.6 基于小波分析的損傷識別方法該方法可實現對非穩(wěn)態(tài)的數據進行處理，可與其他方法結合使用。
2.3 健康檢測系統(tǒng)在斜拉橋型應用的思考
在對斜拉橋病害各種損傷識別方法初步認識的基礎上，筆者認為斜拉橋健康監(jiān)測中應該注意幾點：
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用。如：在基于模型修正的損傷識別方法中，最好從現場對斜拉橋的病害進行一個初步了解。
2.3.2 健康檢測要抓住重點，應該對可能出現損傷的部位進行分級，比如：重要、一般、次要。因為橋梁數據采集系統(tǒng)的來的數據量非常大，有時候需要對部分數據重點處理或舍棄。同樣以在基于模型修正的損傷識別方法為例，對重點關心的部位的數據重點考察，給予更大權重，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)是個綜合了多學科領域的復雜體系，對新技術的吸納能力也很強，簡單的從傳感器數據到計算機這一環(huán)，就可分為有線、光無線、聲波無線等多種傳輸方法，應廣泛了解相關領域發(fā)展的前沿情況，合理應用。
3 結論與展望
通過前文的論述和分析，筆者進一步有以下總結：
3.1 隨著服役橋梁病害的逐步出現，斜拉橋病害研究在最近十幾年中有了較大進步，在理論和實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識和理解。
3.2 通過橋梁結構健康監(jiān)測及安全預警系統(tǒng)的運行，建設管理單位、設計單位和橋梁監(jiān)測單位可以隨時掌握橋梁結構的內力狀態(tài)及損傷情況。由于系統(tǒng)能夠在橋梁結構危險萌芽階段發(fā)出預警，這對于保障橋梁安全運營具有重要意義。
3.3 健康監(jiān)測，不僅通過對結構運營狀況下內力、病害等情況的了解，可以反映結構實際情況，并對決策提供參考意見，而且對某種橋型的設計上也提供了實際的有價值的參考。
3.4 對于健康監(jiān)測系統(tǒng)的數據，根據運營現狀采取合理的方式進行維修加固，是否進行維修、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上，通過經濟、社會評估后做出決定。
3.5 在設計之初，應充分考慮到橋梁運營維護過程中的問題，比如某些稀索體系的斜拉橋，換索時必須封閉交通，從而設計中最好采用換索方便的密索體系。在確定維修加固方案時，經濟比選的基準期也應是橋梁全壽命。
3.6 斜拉橋是現代大跨徑橋梁研究及應用的重要方面，在對其進行理論研究、計算分析、施工組織設計的同時，應該加大對斜拉橋養(yǎng)護維修工作的投入。通過對病害類型的歸納和病害成因的分析研究，應針對性的采取防治和處置措施，避免或減小病害對橋梁運營帶來的損失。
參考文獻：
[1]王國鼎，袁海慶，陳開利. 橋梁檢測與加固［M］. 北京：人民交通出版社，2003．
[2]范立礎. 橋梁工程（上冊）［M］北京：人民交通出版社，2001．
