基于損傷分析的斜拉索監(jiān)測(cè)傳感器布設(shè)研究

楊春霞，王澤仁，程麗榮，晉民杰

( 太原科技大學(xué)交通與物流學(xué)院，太原 030024)

斜拉索是斜拉橋的主要受力構(gòu)件，為保證其抗腐蝕性，需在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行防腐處理，如在單根鋼絞線(xiàn)或鋼絲外涂環(huán)氧樹(shù)脂、鍍鋅及熱擠聚乙烯(PE)護(hù)層等，在多根防腐鋼絞線(xiàn)外套高密度聚乙烯(HDPE)護(hù)套管。然而，在實(shí)際工程中，護(hù)套容易在運(yùn)輸、施工及檢測(cè)中破損，加上風(fēng)雨激振、荷載、溫度、環(huán)境等聯(lián)合作用，護(hù)套老化處或缺陷處迅速劣化，導(dǎo)致鋼絲或鋼絞線(xiàn)銹蝕。斜拉索銹蝕乃至鋼絲斷裂使得受力面積變小，單根拉索應(yīng)力增加。斜拉索是高次超靜定結(jié)構(gòu)，某一根或幾根拉索應(yīng)力增加將導(dǎo)致索力重新分布及主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)改變。因此，對(duì)斜拉索進(jìn)行監(jiān)測(cè)是斜拉橋健康監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容[1]。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外斜拉橋健康監(jiān)測(cè)研究主要集中在以下領(lǐng)域[2-5]：新型傳感、傳輸和系統(tǒng)集成技術(shù)的研發(fā)，數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法研究。針對(duì)索力監(jiān)測(cè)[6-8]，也相應(yīng)體現(xiàn)在上述兩個(gè)領(lǐng)域，一方面是磁通量傳感器、光纖傳感器、振動(dòng)法等在索力測(cè)量方面的研究和應(yīng)用；另一方面是利用索力變化進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別。上述研究大多沒(méi)考慮拉索自身?yè)p傷對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，對(duì)索力監(jiān)測(cè)位置的布置也僅僅停留在經(jīng)驗(yàn)上，考慮到長(zhǎng)索受到的振動(dòng)較大，短索受到的拉力較大，所以傳感器應(yīng)布設(shè)在長(zhǎng)索和短索上[9]。

上述對(duì)拉索監(jiān)測(cè)的思考是靜態(tài)的，本文從動(dòng)態(tài)方面進(jìn)行分析，通過(guò)有限元模型，分析每根拉索銹蝕對(duì)拉索系統(tǒng)及橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，確定相對(duì)敏感的拉索。在此位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能讓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加適應(yīng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境和實(shí)用。

1 斜拉橋有限元建模

本橋?yàn)殡p塔三跨雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，橋跨布置為195+480+195=870 m,橋面寬17.8 m.標(biāo)準(zhǔn)段主梁采用T型截面，寬5.78 m，高2.5 m.標(biāo)準(zhǔn)段橫梁采用T型截面，寬4 m，高1.1 m.索塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),單箱單室截面,承臺(tái)以上塔高121 m.斜拉索為熱擠聚乙烯低松弛高強(qiáng)鋼絲拉索，直徑為7 mm，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1670 MPA.主橋各塔共布置27對(duì)索，其中，型號(hào)PESH7-265為3對(duì)，型號(hào)PESH7-211為2對(duì)，型號(hào)PESH7-199為6對(duì)，型號(hào)PESH7-187為5對(duì)，型號(hào)PESH7-139為5對(duì)，型號(hào)PESH7-151為6對(duì)；全橋共216根斜拉索。主梁、橫梁混凝土標(biāo)號(hào)為C55，索塔混凝土標(biāo)號(hào)為C50，橋墩混凝土標(biāo)號(hào)為C40.主筋采用HRB335，其它采用R235(Q235)鋼筋。 預(yù)應(yīng)力鋼鉸線(xiàn)為高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼鉸線(xiàn)，公稱(chēng)直徑15.24 mm，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860 MPa.

利用Midas Civil建立斜拉橋的平面桿系有限元模型，主梁和索塔采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，斜拉索采用只受拉桁架單元模擬。索塔與承臺(tái)為彈性連接，主梁與橋臺(tái)為彈性連接中的剛性連接。靜力學(xué)分析時(shí)，荷載考慮自重、二期恒載、溫度荷載、制動(dòng)力、風(fēng)荷載和船撞力等。斜拉橋有限元分析三維視圖如圖1所示。

圖1 雙塔三跨雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋有限元模型
Fig.1 The finite element model of double tower three-span double-cable prestressed concrete cable-stayed bridge

2 損傷敏感分析

2.1 拉索損傷對(duì)周邊拉索索力產(chǎn)生的影響

雙索面斜拉橋具有對(duì)稱(chēng)性，因此，在對(duì)單根拉索損傷進(jìn)行分析時(shí)，選擇左側(cè)橋塔單面索，索編號(hào)分別為1-27,29-55，共54根索。銹蝕損傷用拉索面積折減來(lái)表示，因?yàn)樵诂F(xiàn)有斜拉橋檢測(cè)規(guī)范中，拉索銹蝕面積損傷超過(guò)10%就要進(jìn)行換索，因此不考慮面積折減大于10%的情況，考慮面積折減1%，5%和10%三種情況。

首先，分析單根拉索不同程度損傷對(duì)周邊拉索索力產(chǎn)生的影響。以拉索1、拉索4、拉索7為例，損傷1%、5%和10%以后，周邊拉索索力增幅最大的前10拉索情況見(jiàn)表1-表3.從表可知，拉索1損傷后，同一側(cè)附近拉索索力增加，且基本符合靠得越近索力增加越大的規(guī)律，另外，橋的同一側(cè)，另一個(gè)橋塔同側(cè)56、57號(hào)索索力也增加了。53、54、55與1、2、3對(duì)稱(chēng)。損傷程度越厲害，周邊拉索索力增加程度越大，比如拉索1損傷10%時(shí)，拉索3索力增加最大，達(dá)到0.0762%.拉索4和拉索7基本符合類(lèi)似的規(guī)律，部分拉索序號(hào)有所變化，但總體趨勢(shì)不變。

表1 拉索1損傷后周邊拉索索力增幅情況
Tab.1 The increase of the cable force of the surrounding cables after 1 cable damage

拉索序號(hào)損傷0.01/%拉索序號(hào)損傷0.05/%拉索序號(hào)損傷0.1/%30.007 530.037 730.076 220.007 420.037 220.075 140.006 640.033 340.067 350.005 950.029 650.059 960.005 260.026 060.052 570.004 370.021 970.044 280.003 680.018 480.037 1560.003 0560.015 0560.030 590.002 890.013 990.028 21110.002 51110.012 81110.026 0

受篇幅影響，不能詳細(xì)給出54根拉索損傷模擬結(jié)果，下面通過(guò)圖2說(shuō)明各拉索損傷10%時(shí)，周邊拉索索力的變化情況。通過(guò)兩個(gè)指標(biāo)來(lái)描述索力變化，一個(gè)是max,反映某拉索變化時(shí)，周邊拉索索力最大增加程度；一個(gè)是avg,反映周邊拉索索力增加前10位的平均值。橫坐標(biāo)為拉索編號(hào)。

表2 拉索4損傷后周邊拉索索力增幅情況
Tab.2 The increase of the cable force of the surrounding cables after 4 cable damage

拉索序號(hào)損傷0.01/%拉索序號(hào)損傷0.05/%拉索序號(hào)損傷0.1/%10.003 510.017 510.034 8 20.002 8 20.013 5 20.026 1 50.002 2 50.009 8 50.017 2 60.001 8560.008 2560.016 4 30.001 6 60.008 1 60.014 0 560.001 630.007 4 570.014 0 570.001 4 570.007 0 30.012 6 70.001 4 580.006 1 580.012 3 580.001 2 70.006 1 1110.011 5 1110.001 2 1110.005 8 70.010 4

表3 拉索7損傷后周邊拉索索力增幅情況 Tab.3 The increase of the cable force of the surrounding cables after 7 cable damage

拉索序號(hào)損傷0.01/%拉索序號(hào)損傷0.05/%拉索序號(hào)損傷0.1/%10.003 210.016 1 10.032 1 20.003 0 20.015 120.030 030.002 530.012 030.023 750.001 850.008 550.015 980.001 780.007 980.014 140.001 340.006 340.011 890.001 2560.005 7 560.011 3560.001 190.005 2570.009 660.001 01150.004 81150.009 31150.001 0570.004 890.008 9

從圖2可以看出，拉索最大增加程度呈W形，拉索損傷后引發(fā)周邊索力增加程度最大的拉索為27號(hào)索(0.4665%)，位于塔內(nèi)側(cè)，其次為29號(hào)(0.4598%)等。這說(shuō)明索塔周邊的拉索損傷更容易引起索力增加，這與現(xiàn)階段認(rèn)為短索受力不利是一致的。除了短索外，出現(xiàn)了左右兩個(gè)波峰，頂點(diǎn)所代表索分別為17號(hào)索和39號(hào)索。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，12-16號(hào)索采用的是187號(hào)索，17-19號(hào)索采用的是151號(hào)索，17號(hào)索位于變化點(diǎn)，對(duì)索力變化更為敏感。因此，在傳感器布置時(shí)，應(yīng)該考慮拉索型號(hào)變化的拉索，特別是從粗變到細(xì)的階段。W形狀之外的其他區(qū)域變化不大。平均值趨勢(shì)和最大值趨勢(shì)大致相同，但沒(méi)有最大值變化明顯，說(shuō)明最大值變化更為敏感，在監(jiān)測(cè)中需重點(diǎn)關(guān)注。

圖2 單根拉索損傷導(dǎo)致周邊拉索索力變化情況
Fig.2 The variation of the surrounding cables tension caused by a single cable damage

本案例中，選擇變化程度在0.3%以上的幾根拉索為敏感拉索，分別是17、25、26、27、28、29、30、39，在傳感器布設(shè)時(shí)需要重點(diǎn)考慮它們。

2.2 拉索損傷對(duì)主梁縱向位移影響分析

拉索銹蝕，索力重新分布后，主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力也會(huì)發(fā)生變化，因此需進(jìn)一步分析主梁豎向位移。圖3為成橋狀態(tài)變形圖，從中可以看出，當(dāng)拉索截面折減后，豎向位移最大處位于中間區(qū)域，有時(shí)在158號(hào)節(jié)點(diǎn)，有時(shí)在159號(hào)或160號(hào)節(jié)點(diǎn)。

圖3 拉索損傷對(duì)主梁縱向位移的影響
Fig.3 The influence of cable damage on the longitudinal displacement of the main girder

圖4為拉索1、拉索17和拉索27各損傷1%，5%，10%對(duì)豎向位移的影響。對(duì)拉索1，因銹蝕引起面積折減達(dá)到1%時(shí)，橋梁中間豎向位移增加0.01%左右，折減5%時(shí)，豎向位移增加0.045%左右，折減10%時(shí)，豎向位移增加0.09%左右。對(duì)同一拉索，面積折減越多，豎向位移增加越大，拉索17和拉索27有同樣的趨勢(shì)。拉索27離左邊索塔最近，因此，面積折減造成的豎向位移影響要小于拉索17和拉索1.

圖4 拉索1、17、27面積折減對(duì)豎向位移產(chǎn)生的影響
Fig.4 Influence of area reduction of cables 1,17 and 27 on vertical displacement

受篇幅影響，不能詳細(xì)給出54根拉索損傷模擬結(jié)果，下面通過(guò)圖5說(shuō)明各拉索損傷10%時(shí)，橋梁豎向最大位移增加程度情況。從圖看出，以左側(cè)索塔為界，左邊拉索1-27號(hào)拉索面積折減，會(huì)使得豎向位移增加，右邊拉索29-55號(hào)面積折減，會(huì)使得豎向位移減少。變化較多的點(diǎn)在拉索8、9、10和拉索45、46、47.索力監(jiān)測(cè)應(yīng)該多關(guān)注這些拉索。

圖5 單根拉索面積折減10%對(duì)橋梁豎向位移產(chǎn)生的影響
Fig.5 The influence of 10% reduction of single cable area on the vertical displacement of bridge

3 索力傳感器布設(shè)

位于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最前端的是傳感器系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、有效性有著重要影響。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否可靠、有效及實(shí)用是由傳感器系統(tǒng)的合理選型與優(yōu)化設(shè)計(jì)決定的。從作用監(jiān)測(cè)方面，橋梁傳感器包括風(fēng)速風(fēng)向傳感器、環(huán)境溫度濕度傳感器、結(jié)構(gòu)溫度傳感器等；從響應(yīng)監(jiān)測(cè)方面，包括位移監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、斜拉索索力監(jiān)測(cè)等。目前索力測(cè)試方法有光纖光柵智能索、磁彈索力儀、壓力傳感器、振動(dòng)法等，各方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)橋梁在建或在役的情況和主要投資額進(jìn)行選擇。本文主要研究斜拉索索力監(jiān)測(cè)傳感器的布設(shè)。

索力監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般布置在短索和長(zhǎng)索，主要考慮短索拉力大，長(zhǎng)索振動(dòng)大。但根據(jù)前文有限元分析結(jié)果，實(shí)際情況要更復(fù)雜一些?？紤]拉索銹蝕損傷對(duì)周邊索力產(chǎn)生的影響，較為敏感的拉索為17、25、26、27、29、30、39，其中，拉索25、26、27、30為索塔附近的短索，拉索17和拉索39則為拉索直徑變小的臨界點(diǎn)。事實(shí)上大型斜拉橋拉索的直徑并非一致，而是根據(jù)受力情況在不同位置選擇直徑不同的拉索，因此要特別注意拉索直徑變化的地方?？紤]拉索損傷對(duì)橋梁豎向位移的影響，變化較多的點(diǎn)在拉索8、9、10和拉索45、46、47，這幾根拉索既不是短索也不是長(zhǎng)索，而是拉索直徑有變化的地方，因此，也應(yīng)該布設(shè)索力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)因?yàn)槔?、2號(hào)和拉索54、55最長(zhǎng)，即使這幾根拉索面積折減引起的變化小于其他拉索，但也要考慮振動(dòng)影響。綜合考慮，文中所述案例應(yīng)該在拉索1、2、8、9、10、17、25、26、27、29、30、39、45、46、47、54、55上布置索力監(jiān)測(cè)傳感器。文中所述僅為左邊索塔的一面，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，應(yīng)該在右邊索塔和橋梁的另外一面的相應(yīng)拉索處布置索力傳感器。

4 結(jié) 論

斜拉橋索力監(jiān)測(cè)是斜拉橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要部分?，F(xiàn)階段索力監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般布置在短索和長(zhǎng)索，這種布設(shè)方法沒(méi)有考慮到拉索銹蝕以及拉索直徑變化對(duì)橋梁整體安全產(chǎn)生的影響。通過(guò)本文的研究表明，拉索的損傷對(duì)周邊拉索索力及主梁縱向位移產(chǎn)生極大的影響。因此在進(jìn)行傳感器布局的時(shí)候應(yīng)該布置在引起拉索損傷的敏感部位，比如拉索直徑變化的地方，但也要考慮振動(dòng)影響。在敏感拉索處布置傳感器，能反映拉索銹蝕對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，是對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。