斜拉橋檢測(cè)技術(shù)的幾點(diǎn)探討
2018-05-07
1 概述
我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的飛速發(fā)展，為道路和橋梁的建設(shè)提供了良好的機(jī)遇，建成了不同結(jié)構(gòu)形式的大跨徑懸索橋、斜拉橋、拱橋、連續(xù)剛構(gòu)橋等等，目前在役橋梁的總數(shù)已達(dá)80萬(wàn)座以上，標(biāo)志著我國(guó)橋梁技術(shù)已進(jìn)入世界先進(jìn)行列。然而橋梁所處環(huán)境是比較惡劣，受到許多人為的、天然災(zāi)害的影響，以及橋梁管理的不足、人力和物力的有限，使橋梁老化、損傷情況較為嚴(yán)重。為了適應(yīng)交通的需求，充分利用現(xiàn)有的橋梁，能安全地為社會(huì)服務(wù)，就需要對(duì)橋梁、特別是對(duì)年久失修的橋梁進(jìn)行評(píng)估，了解橋梁工作狀況，并預(yù)測(cè)其承載能力。這包括對(duì)橋梁的質(zhì)量檢測(cè)、結(jié)構(gòu)檢算，必要時(shí)再進(jìn)行荷載試驗(yàn)，總稱為橋梁檢測(cè)與評(píng)估，目的是了解橋梁存在的各種病害，取得關(guān)鍵部位的受力的應(yīng)力（應(yīng)變）、變形、位移或沉降等重要數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析與研究確定病害的原因，橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力以及剩余壽命，為橋梁養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。通常對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)項(xiàng)目包括：橋面系的檢測(cè)、鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土梁或鋼梁的檢測(cè)、圬工和鋼筋混凝土拱及拱上建筑的檢測(cè)、橋梁支座的檢測(cè)、橋梁下部結(jié)構(gòu)的檢測(cè)、橋梁水文及調(diào)治結(jié)構(gòu)的檢測(cè)、結(jié)構(gòu)裂縫的檢測(cè)等等。橋梁結(jié)構(gòu)檢算是根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)范，設(shè)計(jì)依據(jù)或竣工資料，也可以根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)主要控制截面、結(jié)構(gòu)薄弱部位進(jìn)行檢算，來(lái)評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)承載能力及其適用條件。橋梁荷載試驗(yàn)是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接加載測(cè)試的一項(xiàng)科學(xué)試驗(yàn)工作，是基于橋梁檢測(cè)和結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)論，通過(guò)對(duì)橋梁進(jìn)行直接荷載試驗(yàn)，以獲取實(shí)測(cè)資料，分析評(píng)定橋梁承載能力。
2 斜索索力的檢測(cè)
斜拉橋的結(jié)構(gòu)主要由三大部分組成，斜索通過(guò)索搭將斜拉橋梁上的恒載和活載傳到墩或臺(tái)的基礎(chǔ)上。斜索檢測(cè)包括索力的檢測(cè)、錨固區(qū)的檢測(cè)、索塔塔頂位移的檢測(cè)、主梁標(biāo)高的測(cè)量、典型部位日變化跟蹤觀測(cè)等等。斜索索力的檢測(cè)是這類包含柔性構(gòu)件結(jié)構(gòu)檢測(cè)的特點(diǎn)之一，通過(guò)準(zhǔn)確地測(cè)取索力，可以充分掌握全橋結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。斜拉橋成橋后索力的檢測(cè)方法有：頻率法、磁通量法和光纖光柵法。光纖光柵法所用的傳感器是在光纖的纖芯范圍，采用紫外光對(duì)光纖側(cè)面進(jìn)行曝光或其它方法寫入，使該段范圍內(nèi)的折射率沿光纖軸線發(fā)生周期性變化，再通過(guò)周期性變化柵格的反射波長(zhǎng)的移動(dòng)，來(lái)感應(yīng)外界物理量的變化，這種測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)是尺寸小、線性度高且重復(fù)性好、抗電磁干擾和抗腐蝕能力強(qiáng)、絕對(duì)測(cè)量和響應(yīng)速度都很快等優(yōu)點(diǎn)。是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的理想的，一種有較高的精度的技術(shù)。不過(guò)目前這種方法并未大范圍推廣應(yīng)用，普及率，從而價(jià)格太高。
磁通量法是一種測(cè)定索力、監(jiān)測(cè)斜索銹蝕程度的非破壞性方法。這種方法的使用是預(yù)先將作為傳感器的磁通環(huán)套在斜索上，通過(guò)測(cè)定磁通量變化，根據(jù)索力與磁通量之間的關(guān)系來(lái)推算索力。磁通量法所用的傳感器材料是電磁是，由兩層線圈組成，因此不會(huì)影響索的任何力學(xué)和物理特性，除了溫度之外幾乎不受其他干擾因素影響，相對(duì)別的檢測(cè)方法精度較高。缺點(diǎn)是對(duì)于沒(méi)有預(yù)埋傳感器的斜索測(cè)量是不能應(yīng)用的。此外傳感器和測(cè)試儀器價(jià)格很高，一般大跨度斜拉橋的斜索都有上百根，甚至好幾百根，若每根索都安裝磁通量傳感器，成本太大。目前有一種新型的磁通量傳感器，是由兩個(gè)半環(huán)合成，檢測(cè)索力時(shí)可以隨時(shí)隨地扣在斜索的外面進(jìn)行，這就可以大減小檢測(cè)工作的成本。但半環(huán)合成磁通量傳感器靈敏度非常低，而且很不穩(wěn)定，尚處于研制階段，沒(méi)有實(shí)際工程價(jià)值。
頻率法檢測(cè)索力是在人工或環(huán)境激勵(lì)下，利用加速度傳感器拾取斜索的隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)，即時(shí)域圖；再通過(guò)FFT將時(shí)域圖轉(zhuǎn)化為斜索的頻譜圖，確定斜索的各階自振頻率；根據(jù)索力與自振頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系到實(shí)測(cè)的索力。頻率法測(cè)量索力是一種間接方法，其精度取決于高靈敏度拾振技術(shù)以及準(zhǔn)確的索力與頻率關(guān)系。檢測(cè)時(shí)將加速度傳感器簡(jiǎn)單地固定在斜索上，能同時(shí)進(jìn)行單根或多根索力的檢測(cè)。因?yàn)椴恍枰A(yù)埋傳感器，不僅適用于施工中的橋梁，也適用于成橋檢測(cè)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，尤其是事先沒(méi)有預(yù)埋其它傳感器的舊橋的檢測(cè)，幾乎是唯一的選擇。不用預(yù)埋加速度傳感器，可重復(fù)使用，成本較低，精度也較好的，因此是當(dāng)今使用最為廣泛的索力檢測(cè)手段。 利用振動(dòng)頻率法求索力，可以確保斜索的安全。因?yàn)樾崩瓨驅(qū)嶋H的索力只是斜索極限強(qiáng)度的40%左右，只要斜索不發(fā)生銹蝕，錨固區(qū)不出現(xiàn)松動(dòng)、損傷等現(xiàn)象，斜索一般是不會(huì)發(fā)生問(wèn)題的。但若要充分了解斜索的工作狀態(tài)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。已有的研究工作指出，斜索的剛度、垂度、仰角以及風(fēng)力、雨雪等因素對(duì)自振頻率都有影響，要正確地掌握斜索的索力，還應(yīng)考慮消除這些因素的影響。
3 索塔塔頂位移的檢測(cè)
斜拉橋所受的交通荷載、主梁自重及置于橋面各種設(shè)施的重量，都是通過(guò)斜索傳遞給索塔的來(lái)承擔(dān)的。斜拉橋的索塔除了根部與地基剛性固結(jié)之外，再無(wú)其他約束。索塔的自重的所有的斜索索力則是索塔的荷載。索力的作用是沿索的軸線方向，其水平分力則是使索塔產(chǎn)生水平位移。通常索塔的平衡是利用塔軸線對(duì)稱的兩側(cè)索力來(lái)維持。由于建筑材料的不均勻、施工過(guò)程中的誤差等因素，很難保證索塔兩側(cè)索力的完全對(duì)稱，從而造成索塔的偏移。于是索塔塔頂?shù)亩ㄎ粍t是確保索塔是否出現(xiàn)了偏移的重要措施。特別是考慮到索塔的長(zhǎng)細(xì)比，盡管索塔具有一定的剛度，但仍然是一個(gè)細(xì)桿構(gòu)件。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，索塔可以看作是一懸臂構(gòu)件，塔的位移是最顯著的。
斜索索力的變化對(duì)索塔水平位移的影響不能小覷。另外，不論是鋼塔還是混凝土塔，受溫度的影響都是比較大的。國(guó)內(nèi)大部分的氣溫在冬夏之差、晝夜之差，白天的陰陽(yáng)面之差，都會(huì)對(duì)索塔產(chǎn)生溫度效應(yīng)。再進(jìn)一步考慮到風(fēng)和雨雪的影響，索塔塔頂實(shí)際上在不停地?cái)[動(dòng)。應(yīng)用目前已有的測(cè)量?jī)x器，如全站儀、GPS等設(shè)備，對(duì)索塔塔頂位移的檢測(cè)是完全沒(méi)有問(wèn)題的。但是只有設(shè)法消除這些綜合因素，測(cè)出的塔位移才是索塔的真實(shí)受力狀態(tài)。
已有的研究表明，在實(shí)際檢測(cè)中可以通過(guò)典型時(shí)段，對(duì)塔頂進(jìn)行連續(xù)的跟蹤的測(cè)量，同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、風(fēng)力和風(fēng)向等環(huán)境資料，有條件的話最好還能進(jìn)行相應(yīng)斜索的索力檢測(cè)，然后歸納出塔頂位移和這些因素之間的關(guān)系式，最終給出索塔塔頂位移真實(shí)的檢測(cè)值。
4 結(jié)構(gòu)營(yíng)運(yùn)期間的仿真計(jì)算
橋梁結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)的應(yīng)用日臻廣泛，已在橋梁工程中的設(shè)計(jì)、施工監(jiān)控和檢測(cè)中必不可少的重要環(huán)節(jié)。斜拉橋的仿真計(jì)算是在于建立一個(gè)能夠全面、正確反映橋梁結(jié)構(gòu)真實(shí)性態(tài)的完整的有限元仿真模型，根據(jù)斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)特性，進(jìn)行計(jì)算分析，以代替一部分實(shí)際的工作，減輕一部分實(shí)際工程的工作量。
斜拉橋仿真模型建立的過(guò)程中，計(jì)算模式和計(jì)算理論的選擇應(yīng)該能夠準(zhǔn)確模擬承載構(gòu)件的空間位置、尺寸、材料特性以及連接形式和荷載作用等因素。然后進(jìn)行大規(guī)模的全橋結(jié)構(gòu)效應(yīng)分析計(jì)算，得到相對(duì)詳盡、精確和可靠的分析結(jié)果。在建模過(guò)程中單元的合理選取和劃分、邊界條件的正確模擬都是如實(shí)反應(yīng)橋梁實(shí)際狀態(tài)的要點(diǎn)?；谟邢拊抡婺Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)理論計(jì)算結(jié)構(gòu)和斜拉橋?qū)嶋H檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，可以相互驗(yàn)證，找出存在的錯(cuò)誤，為今后修正更準(zhǔn)確地建模提供依據(jù)，為以后的檢測(cè)工作提供指導(dǎo)作用，以達(dá)到替代一部分的斜拉橋檢測(cè)工作的目的。
結(jié)構(gòu)營(yíng)運(yùn)期間的斜拉橋仿真計(jì)算，除了考慮正確建模之外，還應(yīng)兼顧斜拉橋的動(dòng)態(tài)因素。在斜拉橋正常使用中，由于荷載與環(huán)境因素的作用，主梁標(biāo)高、索塔位置都不是確定不動(dòng)的，因此在仿真計(jì)算時(shí)，有限元分析的各單元結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)而有所調(diào)整。另外隨著時(shí)間的流逝，材料也會(huì)逐步老化、損傷，分析時(shí)也應(yīng)考慮到材料性能的衰退。諸如此類的原因要求仿真計(jì)算必須與實(shí)際檢測(cè)結(jié)合起來(lái)，才能真正準(zhǔn)確地反映斜拉橋的受力狀態(tài)。
表1是某斜拉橋在1997年到2002年5次標(biāo)高測(cè)量的結(jié)果。按照動(dòng)態(tài)建模的思路，在這五個(gè)時(shí)間段計(jì)算的有限元數(shù)據(jù)中，這17結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)應(yīng)該按實(shí)際檢測(cè)的值代入，才是橋梁真實(shí)的結(jié)構(gòu)尺寸。
除此之外，在建模過(guò)程中應(yīng)考慮的動(dòng)態(tài)參數(shù)還有索塔（特別是塔頂?shù)淖鴺?biāo)），索力等等。只有綜合了這些因素，才能確保仿真分析得出的結(jié)論有實(shí)際有意義。
5 研究展望
通過(guò)對(duì)斜拉橋?qū)嶋H受力狀態(tài)的檢測(cè)，可以為橋梁使用的安全可靠及維修加固提供科學(xué)的依據(jù)和積累、必要的技術(shù)資料。另外通過(guò)建立斜拉橋的健康檔案數(shù)據(jù)庫(kù)，也能為進(jìn)一步完善、發(fā)展橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種橋梁的設(shè)計(jì)、施工以及建筑材料的性能都在不斷提高，但安全仍然是一個(gè)不容忽視問(wèn)題。例如斜索的壽命是斜拉橋安全的關(guān)鍵之一。人們最關(guān)心是斜索如何防腐，以及錨固區(qū)的結(jié)構(gòu)損傷和抗疲勞性能。近年來(lái)斜索防腐措施雖有不斷改進(jìn)，錨固區(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工方法也在提高，但橋梁結(jié)構(gòu)畢竟還是要長(zhǎng)期經(jīng)歷風(fēng)雨。所以說(shuō)只有通過(guò)索力檢測(cè)來(lái)了解斜索的安全，還是最為可靠。同樣對(duì)于全結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，仍是將來(lái)保證橋梁安全的重要措施。
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