斜拉橋拉索損傷檢測和監(jiān)測方法

楊立國

摘 要：拉索是斜拉橋的關(guān)鍵受力構(gòu)件，一旦有部分拉索發(fā)生損傷而喪失承載能力，將對整個橋梁產(chǎn)生重大影響，甚至可能導(dǎo)致整座橋梁垮塌，因此研究拉索的損傷檢測和監(jiān)測技術(shù)意義重大。介紹了幾種斜拉橋拉索損傷檢測和監(jiān)測方法，包括人工目測法，射線檢測法，模態(tài)測試法等。簡述了每種拉索損傷檢測方法的基本原理，簡要回顧了每種方法的主要研究進(jìn)展，并作了簡要的評述。

關(guān)鍵詞：損傷檢測 斜拉橋 拉索 健康監(jiān)測

中圖分類號：U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（b）-0050-05

Damage Detection and Monitoring Method for Cables in Cable-stayed Bridge

Yang Liguo

（Institute of Disaster Prevention，Sanhe Heibei，065201，China）

Abstract：Cable is the key component of cable-stayed bridge. Once a cable is damaged， the loss of its carrying capacity will have great influence on the entire bridge and may even lead to collapse of the whole bridge. Therefore， studying damage detection and monitoring method for cables is of great significance. In this paper， several methods of damage detection and monitoring of cables in cable-stayed bridges are introduced， including artificial detection method ， ray detection method， modal testing method and so on. Basic principle and research status of each method was introduced， and some concise remarks are made.

Key Words：Damage detection；Cable-stayed bridge；Cables；Health monitoring

重大工程結(jié)構(gòu)如大型橋梁、超高層建筑、大型水壩、大型隧道以及核電工程設(shè)施等，它們是社會財富的重要組成部分，社會的正常運行對這些結(jié)構(gòu)的依賴越來越強。結(jié)構(gòu)在長期運營使用過程中，要承受荷載作用（如車輛、設(shè)備、水壓、風(fēng)、地震或爆炸等）和環(huán)境的侵蝕（如混凝土碳化、鋼材銹蝕、冰凍、溫差等），這些因素將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷。如果關(guān)鍵受力構(gòu)件損傷積累到一定程度而沒被發(fā)現(xiàn)，那么損傷將會迅速擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的垮塌。近幾十年，由于未能及時發(fā)現(xiàn)損傷而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)垮塌的事故很多，其中橋梁垮塌事故也不少，如1967年西弗吉尼亞州的Silver橋垮塌，1996年廣東韶關(guān)特大橋梁坍塌，1999年重慶市綦江縣的彩虹橋倒塌等。因此，我們需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)常性檢測或長期監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)隱患，避免出現(xiàn)重大安全事故。

斜拉橋是我國大跨徑橋梁中最常見的橋型之一。到目前為止，我國已建成各種類型的斜拉橋100多座。世界10大著名斜拉橋中我國占8座，尤其是蘇通長江大橋主跨1 088 m，為世界斜拉橋第一跨。因而，對斜拉橋進(jìn)行損傷檢測或健康監(jiān)測，保證斜拉橋在其設(shè)計使用年限內(nèi)正常運營已經(jīng)成為了不可回避的課題。拉索是斜拉橋的關(guān)鍵受力構(gòu)件，一旦有部分拉索發(fā)生損傷而喪失承載能力，將對整個橋梁產(chǎn)生重大影響，甚至可能導(dǎo)致整座橋梁垮塌。因此，對拉索進(jìn)行損傷診斷研究具有重要的意義。

1 斜拉橋拉索損傷檢測及監(jiān)測方法

目前，對拉索進(jìn)行損傷檢測和監(jiān)測的方法很多，有人工目測法，射線檢測法，磁漏檢測法，磁致伸縮導(dǎo)波檢測法，索力檢測法，聲發(fā)射監(jiān)測法，模態(tài)測試法和光纖布拉格光柵傳感器監(jiān)測法等，以上方法各有優(yōu)缺點，且某些方法還有待深入研究。

1.1 人工目測法

早期，人們對斜拉橋拉索的檢測主要采取人工目測法，主要檢查內(nèi)容有：觀察斜拉索護(hù)層的外觀是否有破損或開裂，然后根據(jù)實際情況決定是否要打開護(hù)層，進(jìn)一步檢查拉索索體是否有斷絲和銹蝕的狀況；檢查錨固端和緊固件有無松脫、變形或銹蝕等情況。檢測人員利用目測法對拉索進(jìn)行檢測時，要用設(shè)備將檢測人員送到高空，效率低、存在高空墜落的危險、檢測成本高。

檢測人員也在橋面上通過高分辨率的望遠(yuǎn)鏡對拉索表面進(jìn)行觀察，判斷拉索安全狀況。該方法成本較低，但檢測效率低，精度較差，只能作為輔助檢測手段[1]。

近年來，人們開始研究拉索檢測機器人，利用機器人攜帶攝像頭對拉索損傷狀況進(jìn)行檢測，效率較高，成本較低。但該方法也只能對拉索外部護(hù)層進(jìn)行檢測，不能檢測出內(nèi)部斷絲和腐蝕情況。

1.2 射線檢測法

射線檢測在日常生產(chǎn)生活中已經(jīng)有著非常廣泛的應(yīng)用，如質(zhì)量檢測（鑄造焊接、工藝缺陷檢測）、測量厚度、物品檢查（機場、車站、海關(guān)檢查）等。放射線法也可以對拉索的內(nèi)部損傷和缺陷進(jìn)行檢測，工程檢測中應(yīng)用的射線主要有兩種：X射線和γ射線。X射線的檢測原理是：當(dāng)X射線穿過拉索時，如果拉索局部區(qū)域存在缺陷，它將改變拉索對射線的衰減，引起透射射線強度的變化，通過檢測透射線強度，就可以確定拉索中是否存在損傷以及損傷的位置、大小。

早在20世紀(jì)80年代，國外已經(jīng)采用射線檢測拉索的錨固區(qū)，但該方法檢測成本高、耗時長，因而未被廣泛采用[2]。2004年，Telang 等[3]采用X射線對拉索進(jìn)行了檢測試驗，結(jié)果表明，X射線能檢測到拉索中所有的缺陷，但是拉索內(nèi)部材質(zhì)較為復(fù)雜，圖像解釋起來非常困難。

應(yīng)用射線檢測法拉索檢測，能夠檢測到拉索錨固區(qū)和索體的全部內(nèi)部缺陷，但由于射線檢測法存在圖像解釋困難，檢測效率低，造價高，輻射污染的問題，因此在未取得進(jìn)一步研究進(jìn)展之前，并不適合將之大規(guī)模應(yīng)用于橋梁拉索損傷檢測。

1.3 磁漏檢測法

磁漏檢測法是無損檢測技術(shù)，它是通過檢測被磁化的斜拉索表面泄露出的磁場強度來判定缺陷的大小。磁漏檢測法的原理：利用由銜鐵和永久磁鐵組成的磁化器將索體磁化至飽和狀態(tài)，拉索內(nèi)部斷絲、腐蝕等缺陷處會形成漏磁場，沿拉索軸向利用磁敏感元件掃描獲取缺陷漏磁場信號，從而實現(xiàn)對拉索缺陷的檢測。

國外對漏磁檢測技術(shù)的研究很早，早在1933年，Zuschlug就提出了磁敏傳感器測量漏磁場的思想，20世紀(jì)60～20世紀(jì)70年代，美國、英國已經(jīng)開始應(yīng)用磁漏監(jiān)測技術(shù)對管材進(jìn)行了損傷檢測[4]。我國從20世紀(jì)90年代初才開始對漏磁檢測技術(shù)進(jìn)行研究，也取得了一些成果。 就拉索損傷檢測方面而言，賁安然等[5]通過建立三維有限元模型，研究了拉索斷口寬度、缺陷埋藏深度等參數(shù)對漏磁場強度的影響，得到了漏磁場強度隨上述參數(shù)的變化規(guī)律，從而為解釋拉索檢測信號和確定斷絲的數(shù)量提供依據(jù)。此外，賁安然等[6]還提出一種采用有限元法對拉索漏磁檢測磁化器的各參數(shù)進(jìn)行設(shè)計的方法，并對按上述方法設(shè)計的磁化器進(jìn)行了試驗驗證，兩者結(jié)果完全相符。

由于拉索結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，拉索檢測與鋼絲繩檢測相比有直徑大，鋼絲與鋼絲之間存在較大空氣隙，外部包聚乙烯護(hù)套的特點。因此，磁化器要具有足夠強的磁化能力，檢測元件要有較大的提離距離。除此之外，上述特點還增加了檢測信號的解釋難度。

1.4 磁致伸縮導(dǎo)波檢測法

磁致伸縮效應(yīng)是指當(dāng)鐵磁性材料受外加磁場力作用時，它的形狀和尺寸大小會發(fā)生變化的現(xiàn)象，或者鐵磁物體受到恒定磁場作用下，當(dāng)它的形狀和尺寸發(fā)生變化時，瞬間會引起內(nèi)部磁場發(fā)生變化的現(xiàn)象。其中，前者為磁致伸縮正效應(yīng)，又被稱為焦耳效應(yīng)，是1842年由英國物理學(xué)家焦耳發(fā)現(xiàn)的[7]。后者為磁致伸縮逆效應(yīng)，又被稱作維拉里效應(yīng)，是1865年由意大利物理學(xué)家維拉里發(fā)現(xiàn)的[8]。磁致伸縮傳感器與被測拉索間是非接觸的，并且可以有一定提離距離，因此可以對有護(hù)套的拉索進(jìn)行損傷檢測。

目前，國內(nèi)外基于磁致伸縮效應(yīng)的導(dǎo)波無損檢測技術(shù)主要集中在磁致伸縮傳感器技術(shù)、導(dǎo)波信號處理、檢測實驗研究和儀器開發(fā)及其應(yīng)用等方面[9]。鄒易清等[10]對磁致伸縮導(dǎo)波技術(shù)在橋梁纜索損傷檢測的研究進(jìn)展進(jìn)行了全面地綜述。

1.5 索力監(jiān)測法

斜拉橋某拉索發(fā)生損傷會引起本身以及其他拉索索力的變化，因此我們可以通過測量索力來進(jìn)行拉索的健康監(jiān)測。目前索力的監(jiān)測方法有多種，如壓力傳感器測定法、頻率法、磁通量傳感器等。拉索自振頻率易于測定并且有足夠的精度，拉索的拉力通過弦振動理論（T=4 m L2f2，其中f為拉索一階頻率，L為拉索長度，m為單位長度的質(zhì)量）計算得到，同時還要考慮拉索的剛度、垂度和邊界條件對索力計算的影響。磁通量傳感器是通過材料磁導(dǎo)率隨應(yīng)力變化規(guī)律的關(guān)系來計算索力，因此在使用前必須先獲得拉索相應(yīng)材質(zhì)應(yīng)力與磁導(dǎo)率之間的對應(yīng)關(guān)系。美國的Wang M.L[11-14]對磁通量傳感器進(jìn)行了較多研究，2004年以后國內(nèi)也陸續(xù)有學(xué)者對磁通量傳感器進(jìn)行了應(yīng)用研究。目前，磁通量傳感器已經(jīng)用于國內(nèi)的個別橋梁的拉索監(jiān)測，如湛江海灣橋和宜賓長江大橋斜[15]。

到目前，國內(nèi)很多學(xué)者研究拉索損傷對索力的影響。楊光琦[16]和楊亮亮[17]通過建立斜拉橋的有限元模型，研究了不同位置的拉索斷裂對斜拉索索力的影響。倪云龍[18]對蕪湖長江大橋建立三維有限元模型，通過拉索面積折減來模擬拉索損傷，研究了拉索面積折減10%、30%、50%、100%的情況下斜拉索索力的變化規(guī)律。胡建[19]建立了黃河勝利橋有限元模型和黃河勝利橋1∶150的試驗?zāi)Ｐ?，分析了不同位置拉索的損傷對其他拉索索力的影響。索力數(shù)據(jù)能夠在一定程度上判斷纜索是否完好，但是無法判斷纜索缺陷類型和缺陷位置等具體情況。

1.6 聲發(fā)射監(jiān)測法

聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種被動檢測技術(shù)，能夠?qū)崟r反應(yīng)材料內(nèi)部狀態(tài)。聲發(fā)射的基本原理是：當(dāng)材料內(nèi)部發(fā)生損傷，會產(chǎn)生瞬時彈性波向四周擴(kuò)散傳播，損傷部位就是聲發(fā)射源。聲發(fā)射技術(shù)具有高靈敏性和實時性的特點。

20世紀(jì)90年代，國外開始進(jìn)行應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測拉索損傷的研究。Mohammad R[20]在實驗室對吊桿和拉索的鋼絲斷裂進(jìn)行試驗研究，將聲發(fā)射檢測技術(shù)與其他檢測方法進(jìn)行了比較，試驗結(jié)果表明，聲發(fā)射檢測技術(shù)能夠?qū)λ髦袉蝹€鋼絲斷裂進(jìn)行有效捕捉，并制作了一種可以置于索中的裝置，可以對鋼絲的變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，為工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。Paulson PO[21]研究了應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對斜拉索和懸索橋主纜進(jìn)行長期持續(xù)監(jiān)測的方法，結(jié)果表明，拉索斷絲損傷所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號具有能量高、頻帶寬和持續(xù)時間短的特點，因此將斷絲信號與噪聲信號分離開來比較容易，從而利用聲發(fā)射技術(shù)能監(jiān)測拉索損傷全過程。

國內(nèi)也有一些學(xué)者應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行拉索損傷監(jiān)測的研究。丁穗坤[22]通過試驗方法對拉索腐蝕損傷聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行研究，并且通過數(shù)值模擬對限制聲發(fā)射技術(shù)最重要的因素—— 波型效應(yīng)進(jìn)行了深入地分析和研究。李冬生等[23]通過對鋼絞線進(jìn)行拉伸試驗，獲得了整個損傷過程的聲發(fā)射特征參數(shù)。試驗結(jié)果表明：通過持續(xù)時間、計數(shù)、時間的相關(guān)點圖、幅值和能量來綜合表征損傷，不僅能對全過程損傷進(jìn)行跟蹤，而且還可以準(zhǔn)確找到斷絲位置以及判斷出斷絲信號和非斷絲信號。鄧揚等[24]通過有限元軟件仿真獲得拉索損傷聲發(fā)射仿真信號，運用小波包分析技術(shù)對拉索損傷聲發(fā)射的仿真信號進(jìn)行了特征提取。結(jié)果表明：選取少數(shù)特征頻帶并選擇適當(dāng)小波包分解層次，小波包能量譜就能精確地反映聲發(fā)射信號的特征信息；基于小波包能量譜的特征參數(shù)對拉索損傷敏感，并可以在強噪聲下實現(xiàn)對拉索不同損傷類型的判別。李冬生等[25]對多齡期斜拉索進(jìn)行了疲勞損傷監(jiān)測試驗，運用聲發(fā)射技術(shù)對它的動態(tài)損傷過程進(jìn)行了監(jiān)測，獲得了斜拉索整個損傷過程的聲發(fā)射特征參數(shù)，進(jìn)而得到了多齡期斜拉索疲勞損傷演化規(guī)律； 然后，對損傷過程各個階段聲發(fā)射波形進(jìn)行小波分析，得到特征波形，并運用FFT分析其頻率分布范圍，進(jìn)一步分析了損傷的形成原因，實現(xiàn)了對多齡期斜拉索損傷聲發(fā)射源類型的確定。

1.7 模態(tài)測試法

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有特性，結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)包括固有頻率、振型和阻尼。模態(tài)參數(shù)是結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量等物理參量的函數(shù)，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時，結(jié)構(gòu)的物理參量會發(fā)生改變，那么結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)也會隨之改變。因此，我們可以通過結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的變化來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的損傷識別。

張戌社等[26]通過數(shù)值仿真計算，探討了應(yīng)變模態(tài)法對于斜拉橋拉索的損傷識別能力，并且利用應(yīng)變模態(tài)差準(zhǔn)確地識別出了斜拉索損傷的位置。趙玲等[27]通過對潤揚長江大橋的數(shù)值模擬，提出了綜合運用斜拉橋豎彎振型頻率變化、主梁模態(tài)曲率變化和拉索索力變化來識別拉索損傷位置的方法。譚冬梅等[28]以結(jié)構(gòu)損傷和完好狀況下的自振頻率歸一化的頻率差作為損傷標(biāo)識量，以此建立拉索損傷的模糊模式識別子集，再利用模糊模式識別方法對拉索損傷位置和程度進(jìn)行識別。楊杰等[29]對潤揚長江大橋斜拉橋進(jìn)行了520種工況的拉索損傷動力計算，定義了歸一化固有頻率， 并且分別分析了拉索損傷位置和損傷程度對歸一化固有頻率的影響，并通過建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)， 分別采用不同工況組的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和識別， 對該方法進(jìn)行了驗證。董曉馬等[30]提出了基于柔度差矩陣斜拉橋拉索損傷識別方法，以潤揚大橋為試驗對象模擬4種不同的損傷工況驗證該方法的適用性。張治國等[31]以模態(tài)頻率、位移振型模態(tài)、曲率模態(tài)3種指標(biāo)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)，建立9個BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對斜拉橋拉索損傷程度和損傷位置進(jìn)行損傷識別研究。鄭婷婷等[32]基于ANSYS有限元模型，采用RBF網(wǎng)絡(luò)，模擬了斜拉索的損傷情況，以不同損傷程度下自振頻率和局部模態(tài)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練與測試輸入樣本，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出來指示損傷位置和損傷程度，并與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別效果進(jìn)行比較。董曉馬等[33]提出了基于單元模態(tài)應(yīng)變能變化率斜拉橋拉索損傷識別的實用方法，并以國內(nèi)某重點斜拉橋為試驗對象模擬3種不同的損傷工況情況，研究該方法的適用性。結(jié)果表明，單元模態(tài)應(yīng)變能變化率指標(biāo)對于單位置和多位置的損傷都有較好的效果。楊亮亮等[34]以某特大料拉橋為工程背景，該文以某特大料拉橋為工程背景，建立了橋梁動力有限元計算模型。通過拉索有效面積的變化來模擬拉索的損傷，研究拉索不同程度和不同位置的損傷對斜拉橋動力特性的影響。結(jié)果表明，斜拉橋拉索損傷對豎向彎曲振型影響較大，而對側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)振型的影響較小。長拉索損傷對斜拉橋低階振型影響較大，短拉索則對斜拉橋高階振型的影響較大。趙翔[35]對潤揚大橋建立有限元模型，利用模態(tài)曲率進(jìn)行拉索的損傷識別。朱鴻雯[36]運用樂音準(zhǔn)則法對斜拉橋進(jìn)行了損傷檢測研究，把頻率差作為拉索損傷檢測的指標(biāo)，成功檢測出拉索的損傷。

1.8 布拉格光纖光柵傳感器監(jiān)測法

布拉格光纖光柵技術(shù)是通過對光柵布拉格波長的檢測來實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)溫度值和應(yīng)變值的絕對測量。拉索發(fā)生損傷會引起拉索應(yīng)變的變化，通過監(jiān)測光柵布拉格波長的變化，我們能對拉索的狀態(tài)進(jìn)行評定。布拉格光纖光柵傳感器具有測量線性度高，抗電磁干擾能力強，傳感精度高，體積小，耐高溫等優(yōu)點，適合斜拉橋拉索的健康監(jiān)測。應(yīng)用光纖光柵傳感器對斜拉橋拉索進(jìn)行健康監(jiān)測有兩種形式，一種是直接在普通鋼拉索上粘貼裸光纖光柵，適合已有的橋梁拉索的健康監(jiān)測，另一種是在鋼拉索中直接加入FRP-OFBG筋，適合新建斜拉橋拉索健康監(jiān)測。

1978年Hill制作了第一根光纖光柵， 直到20世紀(jì)90年代人們才逐漸認(rèn)識到光纖光柵傳感器的優(yōu)點，并在土木工程中廣泛應(yīng)用。1999年以來我國對光纖光柵傳感器進(jìn)行了廣泛地研究和應(yīng)用。歐進(jìn)萍等[37-40]對布拉格光纖光柵傳感器的機理進(jìn)行研究，并且對應(yīng)用光纖光柵傳感器進(jìn)行拉索的健康監(jiān)測的若干技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)地研究。張鵬等[41]提出了直接把FRP-OFBG筋或光纖光柵智能鋼絞線加入拉索中的辦法來測量鋼絞線拉應(yīng)變應(yīng)力，并對這種拉索進(jìn)行試驗研究，試驗結(jié)果表明該方法可行。莊勁松等[42]對泗陽大橋工程中的光纖光柵智能拉索進(jìn)行了研究，解決了橋梁拉索適時智能檢測索力的問題。王丹生等[43]介紹了布拉格光纖光柵傳感器在國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的研究和應(yīng)用，探討了在應(yīng)用過程中存在的問題，并對光纖光柵傳感器未來的發(fā)展進(jìn)行展望。

2 結(jié)語

近年來，斜拉橋拉索的安全性已經(jīng)引起了科研人員的高度重視，人們已經(jīng)從射線、磁性方法、超聲波、索力、聲發(fā)射、振動測試和光纖光柵傳感器等多個角度對拉索的損傷監(jiān)測和狀態(tài)評估進(jìn)行了深入地研究，已取得很多的科研成果，并且部分成果已經(jīng)應(yīng)用到實際工程。但有效的檢測或監(jiān)測技術(shù)尚不成熟，有些方法還停留在數(shù)值模擬或試驗研究階段，要找到簡便、快捷且有效的手段來解決拉索損傷診斷的問題還有待進(jìn)一步研究。

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