斜拉橋斷索危險(xiǎn)性的健康監(jiān)測

張益翔 王旭東 張震

摘要：對于斜拉索系統(tǒng)病害損傷，從其誘因及損傷表現(xiàn)形式來分析，可以大致分為兩類：一類為由自然環(huán)境作用因素引起的，表現(xiàn)為斜拉索化學(xué)腐蝕行為損傷；一類則為由外界載荷作用（風(fēng)載荷、車輛載荷等）引起的，表現(xiàn)為物理力學(xué)行為（主要表現(xiàn)為斜拉索的振動(dòng)）損傷。

關(guān)鍵詞：大跨徑斜拉橋；斷索分析；健康監(jiān)測

引言

作為斜拉橋主要的三個(gè)部分，索塔，主梁，斜拉索。其中索塔和主梁一般情況下都能滿足耐久性的要求，但是在運(yùn)營的過程中，斜拉索常常由于維護(hù)不當(dāng)、車禍等人為的因素以及地震、腐蝕等自然因素，使得橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生損傷。一旦有一點(diǎn)局部損傷就需要換掉整根拉索，一根拉索局部損傷了就需要換掉對稱的兩根拉索，耗時(shí)耗力。從上述來看，斜拉索是整個(gè)斜拉橋的薄弱環(huán)節(jié)，索橋同壽命也是很有道理的，所以非常有必要對斜拉索進(jìn)行健康監(jiān)測。

1.斜拉索系統(tǒng)主要病害

1.1 索體護(hù)套損傷。在各種拉索損傷類型中，斜拉索防護(hù)層破損最為普遍。斜拉索防護(hù)層已有最初的砂漿涂層變化成現(xiàn)在的具有高密度聚乙烯聚合物材料（HDPE）的保護(hù)層。拉索經(jīng)過多年使用后，其 PE 護(hù)套都會(huì)出現(xiàn)不同程度的開裂、老化、損傷，較為嚴(yán)重時(shí)甚至破壞失去效應(yīng)。由于斜拉索的振動(dòng)、撞擊等因素影響，使得錨頭防護(hù)罩的松動(dòng)、脫落甚至破損，嚴(yán)重的甚至直接破壞。

1.2 索內(nèi)鋼絲腐蝕破壞。當(dāng)斜拉索防護(hù)層處于完好狀態(tài)時(shí)，斜拉索內(nèi)部鋼絲（鋼絞線）腐蝕狀況輕微，基本上屬于正常完好狀態(tài)。但是鋼絲斜拉索的護(hù)套一旦開裂，護(hù)套內(nèi)的平行鋼絲將直接面臨腐蝕的威脅。當(dāng)斜拉索防護(hù)層發(fā)生損傷或者破壞失效后，外界環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)（如雨水和空氣中的有害氣體混合成腐蝕溶液）進(jìn)入，從而導(dǎo)致斜拉索內(nèi)部鋼絲或者鋼絞線直接或間接地暴露于腐蝕介質(zhì)環(huán)境中。

1.3 拉索錨具損傷。對于斜拉索橋來講，其斜拉索上的錨頭的作用非常重要。在每一個(gè)斜拉索橋中都有兩個(gè)錨頭，一個(gè)是位于橋面上塔端處的上錨頭，一個(gè)是位于梁端處的下錨頭，它們兩個(gè)錨頭共同對橋在傳力過程中必不可少的。因?yàn)槠渲匾院艽?，并且所處的位置很特殊，所以這塊也是斜拉索橋受損害的部件中最容易發(fā)生的位置。

由于錨頭基本上由金屬材料制造生成，且長期暴露于大氣環(huán)境中，從而錨頭不可避免地會(huì)遭受環(huán)境侵蝕，出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。塔端的上錨頭腐蝕是因?yàn)樗?nèi)潮濕的環(huán)境和保護(hù)罩密封失效造成的，塔端的錨頭是朝上的，索塔內(nèi)易出現(xiàn)。漏雨?，F(xiàn)象，雨水有時(shí)會(huì)淋在保護(hù)罩上造成積水，保護(hù)罩的密封失效后，雨水和潮濕的空氣進(jìn)入，造成錨頭的腐蝕。

1.4 拉索振動(dòng)引起的損傷。斜拉索發(fā)生振動(dòng)的原因主要是外界風(fēng)載荷結(jié)構(gòu)作用以及斜拉橋主梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)兩方面因素引發(fā)斜拉索的振動(dòng)。

這樣斜拉索在過程中產(chǎn)生一定跨度的震動(dòng)，由于是在風(fēng)雨天氣里，當(dāng)橋身在風(fēng)雨中受到風(fēng)力和雨量的雙重作用下發(fā)生不同程度的晃動(dòng)，使得斜拉索受力增大和斜拉索之間的摩擦增多，相互撞擊致使損害加劇。

1.5 拉索防水系統(tǒng)損壞。當(dāng)在下雨天時(shí)，雨水會(huì)從拉索和主梁的頂端順著拉索護(hù)套往下流，一直到不銹鋼阻水圈處，然后通過阻水圈和拉索之間的縫隙到達(dá)預(yù)埋管。如果減振橡膠圈老化失效，或者端口的蓋帽密封不嚴(yán)，那么很容易導(dǎo)致下錨頭積水，從而使得錨具和索體結(jié)合部位會(huì)被腐蝕。另一方面，如果預(yù)埋管的安裝不精確，那么誤差很容易導(dǎo)致拉索的偏心，使得索體與內(nèi)置減震器無法緊密接合在一起，造成減震器無法發(fā)揮最佳的減震效果，間接地加深了拉索振動(dòng)對橋梁的危險(xiǎn)程度。

2.索力檢測法

柔性索部分的張莉大小，是控制所結(jié)構(gòu)安全的重要因素。為了消除溫度、雨雪、風(fēng)等因素對索力的影響，在整個(gè)使用期限內(nèi)對索力狀況必須有準(zhǔn)確的了解，及時(shí)對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行評估。

靜力檢測法包括油壓表讀數(shù)法、壓力傳感器測法、靜態(tài)線形法、彈性磁學(xué)法、量測應(yīng)變法等等，動(dòng)力檢測法包括波動(dòng)法、振動(dòng)法等。下面是這些方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

振動(dòng)法是應(yīng)用最廣泛的方法，該方法測定索力適用于已張拉完成的索，該設(shè)備可重復(fù)使用，儀器輕巧化，攜帶安裝方便，測定結(jié)果可行。振動(dòng)法通常是將加速度傳感器固定在拉索上，然后收集在環(huán)境隨機(jī)激勵(lì)或人工激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過濾波、擴(kuò)大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、頻譜分析，根據(jù)圖來確定拉索的固有頻率，然后由斜拉索的自振頻率來確定拉索的張力。在合適的條件下，振動(dòng)法能準(zhǔn)確的測出拉索的張力，索力公式為

T=4ML2n2f2n

其中：T為索的拉力（N）；M為索單位長度的質(zhì)量（kg/m）；L為纜索的長度（m）；fn為第 n 階自振頻率。

3.結(jié)論

本文首先對拉索的主要病害進(jìn)行了介紹，詳細(xì)闡述了這些病害的發(fā)生原因和產(chǎn)生的后果，接著我們介紹了拉索檢測的三種方法，即外觀檢查、斷絲無損檢測、索力檢測三方面。最后，結(jié)合理論和我們的分析對斜拉橋進(jìn)行健康監(jiān)測研究，研究較為可行的監(jiān)測方案，通過對索力的健康監(jiān)測，能有效的發(fā)現(xiàn)和處理病害，防止橋梁出現(xiàn)突發(fā)的事故，保證橋梁的正常運(yùn)營。測定拉索的頻率有很多種方法，由此衍生出如果是經(jīng)驗(yàn)豐富的人員可以使測出結(jié)果的時(shí)間大大縮短，拉索的測定很復(fù)雜，只依靠一種檢測方式是無法對整個(gè)情況進(jìn)行了解，只能組合一套系統(tǒng)，才能完整的把拉索的情況摸清楚，才能更好的進(jìn)行維護(hù)。（作者單位：重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院）

參考文獻(xiàn)

[1]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社.2001

[2]欒坤鵬.既有混凝土斜拉橋健康監(jiān)測評估方法的研究[D].重慶.重慶交通大學(xué)學(xué)位論文.2011

[3]荊龍江.預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋損傷識(shí)別理論及應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué).2007

[4]侯立群.大型斜拉橋基于健康監(jiān)測的模型修正、損傷診斷與預(yù)警方法[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué).2009

[5]唐亞鳴，張河.大型橋梁拉索損傷與健康監(jiān)測[J].橋梁建設(shè).2002.5