基于檢監(jiān)測數(shù)據(jù)的索承橋拉吊索評估指標體系的研究

張立奎，楊 洋，徐一超

(1.安徽省交通控股集團有限公司養(yǎng)護管理中心，安徽 合肥 230000；2.在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室，江蘇 南京 211112)

1 引 言

拉索是斜拉橋的主要承載結(jié)構(gòu)，拉索索力的監(jiān)測對斜拉橋安全的影響舉足輕重。然而，目前我國對斜拉橋拉索的監(jiān)測，僅僅對于已經(jīng)裝上傳感器的拉索。大多數(shù)沒有安裝傳感器的斜拉索，尚未能實時有效的監(jiān)測其拉索狀態(tài)的變化，只能依賴于人工定期巡檢等方法。拉索的健康狀態(tài)不能得到保障，從而導(dǎo)致斜拉橋的使用壽命大打折扣。因此，對橋梁結(jié)構(gòu)進行安全有效的實時檢測是十分必要的。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可以彌補人工測試的及時性，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)隱蔽部位的監(jiān)測，滿足結(jié)構(gòu)全天候監(jiān)測和評價的要求。

2 拉索測試方法研究現(xiàn)狀

目前，在斜拉索的拉力測試中,常用的測試方法有千斤頂壓力表的測量方法，壓力傳感器的測量方法，磁通量的測量方法和振動頻率的測量方法。

振動頻率法是利用精密的振動選擇器，在振動條件下獲得拉索振動信號。拉索的激發(fā)模式可以是人為激發(fā)，儀器激發(fā)或環(huán)境隨機振動，然后拾取相對應(yīng)的振動信號。振動信號經(jīng)過濾波、放大、頻譜分析等一系列措施處理。索力計算是用譜圖分析索的振動頻率，并將得到的頻率代入索力與振動頻率的理論關(guān)系中。其具有有接觸測量和非接觸測量兩種類型。

2.1 接觸式測量

接觸式測量是指將加速度傳感器安裝在斜拉橋拉索上相應(yīng)的位置，并使拉索在環(huán)境或人為激勵下產(chǎn)生振動。拉索的振動通過相關(guān)的儀器采集，并通過相應(yīng)的軟件處理分析得到振動頻率。利用拉索振動頻率和索力之間的關(guān)系，就可計算得到相應(yīng)的拉索索力。這種方法的優(yōu)點是獲得的基頻精度更高，但其缺點是要通過繁瑣的布線來測量基頻，降低了效率。并且經(jīng)常受制于現(xiàn)場的實測條件，傳感器不能正常安裝在拉索上。且安裝位置的正確與否，也會在測量結(jié)果中引起一些誤差。

2.2 非接觸式測量

拉索振動頻率的非接觸式測量是一種利用激光技術(shù)的遠程檢測方法，這種方法是通過激光發(fā)射和接收裝置監(jiān)測拉索的隨機振動，并且利用相應(yīng)的程序?qū)鞯恼駝宇l率進行分析。然后，拉索索力由索力與振動頻率的關(guān)系計算得出。該方法屬于無損檢測，不需要進行傳感器的布置，不需要在拉索上進行復(fù)雜的布線，具有較好的實用性。因此，它也是比接觸測量更加方便的無線檢測方法。同時，它也是一種遠程檢測方法，在測試長拉索上安裝傳感器較為困難位置的振動頻率時，這種方法的優(yōu)勢將顯而易見。非接觸測量也有一些局限性，它只能滿足工程上實時測量的需要，不能長期對斜拉索實施頻率監(jiān)測。

振動頻率法測索力具有設(shè)備可重復(fù)使用的優(yōu)點，并且儀器體積小，易于攜帶，測量結(jié)果相對精確，因此它已成為最常用的索力測試方法。但是，頻率法測出的索力并不是百分百精確的，它還有一些缺點。主要原因如下:(1)拉索在現(xiàn)實條件下會因自身重量不可忽視，而自身的重量必然會產(chǎn)生垂度，下垂會影響拉索的剛度，從而導(dǎo)致索力計算中產(chǎn)生誤差。(2)拉索的抗彎剛度在計算時往往被忽視，然而實際中拉索是具有一定的抗彎剛度，特別是對于短索的索力計算。例如，懸索橋和下承式拱橋的吊桿等剛度不能忽略。(3)現(xiàn)階段拉索的索力計算公式所采用的邊界條件只有固支或簡支，但是拉索實際的邊界條件遠比這復(fù)雜的多，不僅僅是單一的簡支或固支，而是介于簡支和固支之間的復(fù)合邊界。(4)當前大多數(shù)拉索都具有阻尼器，這大大增加了拉索的振動頻率，從而導(dǎo)致通過振動方法測得的索力有較大的誤差。

3 拉索的評價指標體系研究現(xiàn)狀

為了確保斜拉橋在服役期間良好的運行，拉索是其中的關(guān)鍵。為此，許多學(xué)者對拉索狀態(tài)評價進行了深入的研究。李枝軍等提出了用最大熵譜代替?zhèn)鹘y(tǒng)譜來識別工作狀態(tài)下拉索的固有頻率和獲得拉索索力的方法，并提出了用模糊聚類理論對拉索索力測試結(jié)果進行分類和評價的方法。結(jié)果顯示拉索索力的測試時間能夠通過最大嫡譜法進行有效的縮短，對于運營狀態(tài)下拉索索力的測試和實時監(jiān)測有較好的適應(yīng)性，大跨斜拉橋拉索索力的分類與安全性評估采用模糊聚類分析法效果顯著。朱勁松和肖汝誠從拉索斷絲率的角度對拉索退化進行研究，全面考慮組成拉索的鋼絲之間的相互影響和本構(gòu)行為，最終以拉索在運營條件下的安全系數(shù)為落腳點，實現(xiàn)了對拉索的安全性分析。Nagarajaiah等研究了一種基于復(fù)雜度追蹤的盲源分離算法的拉索時變索力辨識方法，為斜拉索時變索力的監(jiān)測提供了一種自動化、經(jīng)濟和方便的方法。在此基礎(chǔ)上相關(guān)學(xué)者提出了疲勞極限狀態(tài)的拉索可靠度計算方法和拉索疲勞腐蝕抗力衰減模型。楊儀以G325九江大橋?qū)崢驗橐劳?，制作了?∶50的試驗?zāi)Ｐ停囼炦^程是分別斷開模型中每一根拉索，記錄索力變化數(shù)據(jù)，采用SOM算法和優(yōu)化灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)初值法研究了索力之間的關(guān)聯(lián)度。然后，研究了對拉索間的關(guān)聯(lián)影響矩陣的，得出結(jié)論是離索塔越遠的斜拉索對其他拉索的影響越大。上述的拉索評價指標體系，雖然有定量的指標作為拉索運營期間的安全性評定標準，但是整體評價指標較少，沒有與拉索的養(yǎng)護管理評價體系有效結(jié)合，不能較好的反映拉索的整體性能。因此，亟待研究一種基于檢監(jiān)測一體化的拉索索力評估指標體系，對拉索進行整體的、全面的評估，更好地為其運營維護提供依據(jù)。

4 基于檢監(jiān)測數(shù)據(jù)的索力狀態(tài)評估方法

結(jié)合橋梁檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)，在人工檢測和健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了大跨度索承橋梁多源信息局部評價模型。同時，將評估指標分為定性指標和定量指標，確定各指標的評估標準，以橋梁技術(shù)狀況評分和監(jiān)測指標報警次數(shù)作為性能指標建立基于構(gòu)件的橋梁預(yù)防性養(yǎng)護體系，對橋梁養(yǎng)護維修、管理系統(tǒng)進行了標準化進行研究。

在對健康監(jiān)測系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)進行評價的基礎(chǔ)上，以觸發(fā)橙色、紅色報警次數(shù)為評估準則(每10 min最多判定為一次有效報警)，每觸發(fā)一次橙色報警記為10分×月(暫定)，紅色報警記為100分×月。如：對于索力監(jiān)測(傳感器總數(shù)為N)，所選時間段為M個月，若觸發(fā)橙色報警為K次，則索力分項的評分為=max(100-10×K/M/N，0)

從報警指標體系設(shè)定的目標定位來看，其主要期望實現(xiàn)對異常事件(地震、臺風(fēng)、船撞等)及結(jié)構(gòu)損傷(突發(fā)性損傷和累積性損傷)做出及時準確的報警，以對橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所處的狀態(tài)進行區(qū)分。如常見的三級報警(如黃、橙、紅)，即是將結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的狀態(tài)區(qū)分為四種狀態(tài)：安全狀態(tài)、異常狀態(tài)、疑似危險狀態(tài)、危險狀態(tài)。當結(jié)構(gòu)響應(yīng)低于黃色報警水平時，表示結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)；當結(jié)構(gòu)響應(yīng)位于黃色與橙色報警水平之間時，表示結(jié)構(gòu)處于異常狀態(tài)；當結(jié)構(gòu)響應(yīng)位于橙色與紅色報警水平之間時，表示結(jié)構(gòu)處于疑似危險狀態(tài)；當結(jié)構(gòu)響應(yīng)高于紅色報警水平時，表示結(jié)構(gòu)處于危險狀態(tài)。

根據(jù)《公路懸索橋設(shè)計規(guī)范》和《大跨徑懸索橋和斜拉橋養(yǎng)護規(guī)范》上的橋梁養(yǎng)護管理要求，得到索力與對應(yīng)的養(yǎng)護管理要求見表1。

表1 拉索索力及對應(yīng)養(yǎng)護管理要求

結(jié)合近年年來索力監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，制定報警值如下：索力數(shù)據(jù)一般沒有明顯異常，所以設(shè)置平均索力的1.06倍作為黃色預(yù)警值；當索力>SLdsg時，可能發(fā)生結(jié)構(gòu)附屬設(shè)施的損傷，所以取索力=SLdsg作為橙色報警值；當索力>SLmax時，可能發(fā)生斷索從而導(dǎo)致橋梁主體結(jié)構(gòu)的損傷，所以取索力=SLmax作為紅色報警值。

5 結(jié) 論

綜上所述，傳統(tǒng)的人工檢測有一定的局限性，無法評定材料、結(jié)構(gòu)的損傷程度，無法在一些極端情況中及時發(fā)現(xiàn)安全問題，無法實時評估橋梁的安全性能，以上局限性導(dǎo)致了橋梁的養(yǎng)護管理缺乏時效性。因此，對橋梁結(jié)構(gòu)進行安全有效的實時檢查至關(guān)重要，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可以彌補人工檢查的時效性的問題，并且實現(xiàn)結(jié)構(gòu)隱蔽部位的監(jiān)測，可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)全天候的監(jiān)測與評估。所以，檢監(jiān)測一體化評估體系的研究也就顯得至關(guān)重要。