斜浅谈拉桥病害分析与监测
2015-06-24
引言
斜拉桥是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。其可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料。加强和防范斜拉桥的病害，对最大限度的延长桥梁寿命至关重要。
1 斜拉桥病害与成因概述
斜拉桥按照主要承重构件可分为斜拉系统，索塔，主梁，下面对此逐条阐述。
1.1 斜拉系统病害
斜拉桥主要受力部件之一的斜拉索，需要通过塔和梁的锚固系统的传力才能实现其功能，他们共同工作，任一构件失效，此部分即失效。在此参照相关文献，把斜拉索和相应塔、梁上的锚固系统统称为斜拉系统。
斜拉索的病害主要表现：a.拉索回缩、拉索钢丝滑丝导致拉索索力退化。此问题主要原因是锚固系统构造不当，施工误差，温度影响等。b.拉索腐蚀。产生原因为防护措施失效。c.拉索振动。斜拉索暴露在自然环境中，风、雨等激励下，斜拉索会表现处明显的振动，振动会增加斜拉索的张力、并加剧斜拉索和锚具的疲劳破坏，此外如果斜拉索的振动频率与主桥结构的基频接近，还会引起整体的振动耦合。此类病害下文还会重点分析。
斜拉桥索梁、索塔锚固区，受力集中，结构复杂，在恒载、活载和其它荷载的作用下，其病害问题应引起高度重视。锚固系统的病害主要表现：a.锚固装置疲劳。斜拉索暴露在自然界中，在各种荷载的作用下，斜拉索索力值是一个变化值，由此引起锚固装置的疲劳损伤不可忽视，尤其是当锚固装置本身就有因焊接等原因的缺陷时更需重点注意。b.锚头锈蚀。主要表现为下锚头，由于长期处于潮湿环境造成。
1.2 索塔病害
作用于斜拉桥主梁的恒载和活载通过拉索传递给索塔，因此索塔是通过拉索对主梁起弹性支承作用的重要构件。作用在索塔上的力除索塔自身外，还有拉索索力的垂直分力引起的轴向力、拉索的水平分力引起的弯矩和剪力，此外，温度变化、日照温差、风荷载、地震力、混凝土收缩徐变等都对索塔内力产生影响。索塔根据材料类型可分为钢筋混凝土和钢索塔。对于最常见的钢筋混凝土索塔，在各种荷载作用下主要表现为拉索锚固区局部裂缝和塔根处的裂缝，形成原因主要是基本荷载和温度的影响。在存在下横梁结构的桥塔中，可能还会出现横梁裂缝，这主要是因为桥塔刚度不可忽略。
1.3 主梁的病害
对于常用的混凝土主梁，主要是梁体的裂缝。这些裂缝大部分是由施工误差、混凝土收缩、温度变化、局部锚固应力过大等因素诱发。当然也有因为设计问题产生的，如抗裂性不足，产生受弯裂缝和受剪斜裂缝等。对于钢梁或者钢- 混结合梁，主要是钢结构因为制造过程、焊接等引起的缺陷造成的疲劳、脆性等问题。特别的，对于结合梁，混凝土的收缩徐变引起的桥面裂缝和钢- 混结合部的疲劳；对于钢桥，桥面铺装的病害应引起足够重视。
2 斜拉桥健康监测和风险评估的研究现状
2.1 桥梁健康监测系统研究的意义因为桥梁施工、运营中总会出现各种病害，各种病害对结构的影响不可忽视。尤其是最近几年的垮桥事故频繁发生，提醒我们应该用合理的方法对桥梁的健康状况进行检测，并对桥梁结构的目前运营状况进行评估和风险评价。
桥梁健康监测指的是：从建造、运营状态的桥梁结构中获取并处理数据，评估结构的主要性能指标(如可靠性、耐久性等)的方法。它结合了无损检测和结构特性分析，目的是为了诊断结构中是否有损伤发生，判断损伤的位置，估计损伤的程度以及损伤对结构将要造成的后果。可以说，桥梁健康检测就像桥梁的医生，对桥梁的健康状况进行评价，制定“治疗”方案。
一般地，桥梁健康监测系统包括三个子系统:传感器与数据采集子系统、结构分析子系统、数据管理子系统和评估决策子系统。如果建立在线的远程健康监测系统，则还应包括网络传输子系统。
2.2 损伤识别的方法归类
对于大量的现场数据，需要一定的评定方法。结构的健康监测系统必须具备识别结构损伤的能力，结构损伤识别是健康监测系统中的核心技术，健康监测系统的性能在很大程度上取决于结构损伤识别技术的优劣。笔者查阅了大量文献，对当前比较常用的损伤评定方法进行分类如下：
2.2.1 基于结构固有频率的损伤识别方法自振频率是结构刚度、整体特性的反映，在不同点对结构的频率进行测量，对其间的构件局部损伤进行推断。此类方法要求测量精度高、干扰小。在桥梁结构上应用较少。
2.2.2 基于模态振形的损伤识别方法此类方法测量数据主要为结构的振形，通过对结构损伤前后的振形进行比较，以此来推断结构损伤部位和损伤程度。
2.2.3 基于柔度矩阵和刚度矩阵的损伤识别方法，此方法主要通过结构对荷载的响应反推的和结构刚度有关的矩阵，来确定结构损伤情况。
2.2.4 基于模型修正的损伤识别方法。该方法首先要建立结构仿真模型，通过对模型的参数进行修改，使计算结果逼近测量数据。修改参数需要一定的方法确定，此处不再展开。
2.2.5 基于神经网络的损伤识别方法。该方法通过已测数据和损伤建立神经网络的损伤评定系统，对新测的数据进行损伤评定，并反复更新修正，提高了对复杂数据的识别能力。
2.2.6 基于小波分析的损伤识别方法该方法可实现对非稳态的数据进行处理，可与其他方法结合使用。
2.3 健康检测系统在斜拉桥型应用的思考
在对斜拉桥病害各种损伤识别方法初步认识的基础上，笔者认为斜拉桥健康监测中应该注意几点：
2.3.1 斜拉桥的病害形式多样，不同的损伤需要各异的方法识别，需要多种损伤识别方法综合应用。如：在基于模型修正的损伤识别方法中，最好从现场对斜拉桥的病害进行一个初步了解。
2.3.2 健康检测要抓住重点，应该对可能出现损伤的部位进行分级，比如：重要、一般、次要。因为桥梁数据采集系统的来的数据量非常大，有时候需要对部分数据重点处理或舍弃。同样以在基于模型修正的损伤识别方法为例，对重点关心的部位的数据重点考察，给予更大权重，更符合桥梁本身的受力特性，安全、合理。
2.3.3 健康监测系统是个综合了多学科领域的复杂体系，对新技术的吸纳能力也很强，简单的从传感器数据到计算机这一环，就可分为有线、光无线、声波无线等多种传输方法，应广泛了解相关领域发展的前沿情况，合理应用。
3 结论与展望
通过前文的论述和分析，笔者进一步有以下总结：
3.1 随着服役桥梁病害的逐步出现，斜拉桥病害研究在最近十几年中有了较大进步，在理论和实践方面都有深入的研究，尤其是对于斜拉索的振颤引起的疲劳病害等有了足够的认识和理解。
3.2 通过桥梁结构健康监测及安全预警系统的运行，建设管理单位、设计单位和桥梁监测单位可以随时掌握桥梁结构的内力状态及损伤情况。由于系统能够在桥梁结构危险萌芽阶段发出预警，这对于保障桥梁安全运营具有重要意义。
3.3 健康监测，不仅通过对结构运营状况下内力、病害等情况的了解，可以反映结构实际情况，并对决策提供参考意见，而且对某种桥型的设计上也提供了实际的有价值的参考。
3.4 对于健康监测系统的数据，根据运营现状采取合理的方式进行维修加固，是否进行维修、采取何种维修方式、什么规模的维修，等问题都可以在可靠度分析的基础上，通过经济、社会评估后做出决定。
3.5 在设计之初，应充分考虑到桥梁运营维护过程中的问题，比如某些稀索体系的斜拉桥，换索时必须封闭交通，从而设计中最好采用换索方便的密索体系。在确定维修加固方案时，经济比选的基准期也应是桥梁全寿命。
3.6 斜拉桥是现代大跨径桥梁研究及应用的重要方面，在对其进行理论研究、计算分析、施工组织设计的同时，应该加大对斜拉桥养护维修工作的投入。通过对病害类型的归纳和病害成因的分析研究，应针对性的采取防治和处置措施，避免或减小病害对桥梁运营带来的损失。
