斜拉橋檢測技術(shù)的幾點探討
2018-05-07
1 概述
我國交通運輸事業(yè)的飛速發(fā)展，為道路和橋梁的建設(shè)提供了良好的機遇，建成了不同結(jié)構(gòu)形式的大跨徑懸索橋、斜拉橋、拱橋、連續(xù)剛構(gòu)橋等等，目前在役橋梁的總數(shù)已達80萬座以上，標志著我國橋梁技術(shù)已進入世界先進行列。然而橋梁所處環(huán)境是比較惡劣，受到許多人為的、天然災(zāi)害的影響，以及橋梁管理的不足、人力和物力的有限，使橋梁老化、損傷情況較為嚴重。為了適應(yīng)交通的需求，充分利用現(xiàn)有的橋梁，能安全地為社會服務(wù)，就需要對橋梁、特別是對年久失修的橋梁進行評估，了解橋梁工作狀況，并預(yù)測其承載能力。這包括對橋梁的質(zhì)量檢測、結(jié)構(gòu)檢算，必要時再進行荷載試驗，總稱為橋梁檢測與評估，目的是了解橋梁存在的各種病害，取得關(guān)鍵部位的受力的應(yīng)力（應(yīng)變）、變形、位移或沉降等重要數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算分析與研究確定病害的原因，橋梁結(jié)構(gòu)實際承載能力以及剩余壽命，為橋梁養(yǎng)護提供依據(jù)。通常對橋梁結(jié)構(gòu)檢測項目包括：橋面系的檢測、鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土梁或鋼梁的檢測、圬工和鋼筋混凝土拱及拱上建筑的檢測、橋梁支座的檢測、橋梁下部結(jié)構(gòu)的檢測、橋梁水文及調(diào)治結(jié)構(gòu)的檢測、結(jié)構(gòu)裂縫的檢測等等。橋梁結(jié)構(gòu)檢算是根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)范，設(shè)計依據(jù)或竣工資料，也可以根據(jù)檢測結(jié)果對橋梁結(jié)構(gòu)主要控制截面、結(jié)構(gòu)薄弱部位進行檢算，來評定橋梁結(jié)構(gòu)承載能力及其適用條件。橋梁荷載試驗是對橋梁結(jié)構(gòu)進行直接加載測試的一項科學(xué)試驗工作，是基于橋梁檢測和結(jié)構(gòu)計算結(jié)論，通過對橋梁進行直接荷載試驗，以獲取實測資料，分析評定橋梁承載能力。
2 斜索索力的檢測
斜拉橋的結(jié)構(gòu)主要由三大部分組成，斜索通過索搭將斜拉橋梁上的恒載和活載傳到墩或臺的基礎(chǔ)上。斜索檢測包括索力的檢測、錨固區(qū)的檢測、索塔塔頂位移的檢測、主梁標高的測量、典型部位日變化跟蹤觀測等等。斜索索力的檢測是這類包含柔性構(gòu)件結(jié)構(gòu)檢測的特點之一，通過準確地測取索力，可以充分掌握全橋結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。斜拉橋成橋后索力的檢測方法有：頻率法、磁通量法和光纖光柵法。光纖光柵法所用的傳感器是在光纖的纖芯范圍，采用紫外光對光纖側(cè)面進行曝光或其它方法寫入，使該段范圍內(nèi)的折射率沿光纖軸線發(fā)生周期性變化，再通過周期性變化柵格的反射波長的移動，來感應(yīng)外界物理量的變化，這種測量技術(shù)的特點是尺寸小、線性度高且重復(fù)性好、抗電磁干擾和抗腐蝕能力強、絕對測量和響應(yīng)速度都很快等優(yōu)點。是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的理想的，一種有較高的精度的技術(shù)。不過目前這種方法并未大范圍推廣應(yīng)用，普及率，從而價格太高。
磁通量法是一種測定索力、監(jiān)測斜索銹蝕程度的非破壞性方法。這種方法的使用是預(yù)先將作為傳感器的磁通環(huán)套在斜索上，通過測定磁通量變化，根據(jù)索力與磁通量之間的關(guān)系來推算索力。磁通量法所用的傳感器材料是電磁是，由兩層線圈組成，因此不會影響索的任何力學(xué)和物理特性，除了溫度之外幾乎不受其他干擾因素影響，相對別的檢測方法精度較高。缺點是對于沒有預(yù)埋傳感器的斜索測量是不能應(yīng)用的。此外傳感器和測試儀器價格很高，一般大跨度斜拉橋的斜索都有上百根，甚至好幾百根，若每根索都安裝磁通量傳感器，成本太大。目前有一種新型的磁通量傳感器，是由兩個半環(huán)合成，檢測索力時可以隨時隨地扣在斜索的外面進行，這就可以大減小檢測工作的成本。但半環(huán)合成磁通量傳感器靈敏度非常低，而且很不穩(wěn)定，尚處于研制階段，沒有實際工程價值。
頻率法檢測索力是在人工或環(huán)境激勵下，利用加速度傳感器拾取斜索的隨機振動信號，即時域圖；再通過FFT將時域圖轉(zhuǎn)化為斜索的頻譜圖，確定斜索的各階自振頻率；根據(jù)索力與自振頻率之間的對應(yīng)關(guān)系到實測的索力。頻率法測量索力是一種間接方法，其精度取決于高靈敏度拾振技術(shù)以及準確的索力與頻率關(guān)系。檢測時將加速度傳感器簡單地固定在斜索上，能同時進行單根或多根索力的檢測。因為不需要預(yù)埋傳感器，不僅適用于施工中的橋梁，也適用于成橋檢測和長期監(jiān)測，尤其是事先沒有預(yù)埋其它傳感器的舊橋的檢測，幾乎是唯一的選擇。不用預(yù)埋加速度傳感器，可重復(fù)使用，成本較低，精度也較好的，因此是當(dāng)今使用最為廣泛的索力檢測手段。 利用振動頻率法求索力，可以確保斜索的安全。因為斜拉橋?qū)嶋H的索力只是斜索極限強度的40%左右，只要斜索不發(fā)生銹蝕，錨固區(qū)不出現(xiàn)松動、損傷等現(xiàn)象，斜索一般是不會發(fā)生問題的。但若要充分了解斜索的工作狀態(tài)，還遠遠不夠。已有的研究工作指出，斜索的剛度、垂度、仰角以及風(fēng)力、雨雪等因素對自振頻率都有影響，要正確地掌握斜索的索力，還應(yīng)考慮消除這些因素的影響。
3 索塔塔頂位移的檢測
斜拉橋所受的交通荷載、主梁自重及置于橋面各種設(shè)施的重量，都是通過斜索傳遞給索塔的來承擔(dān)的。斜拉橋的索塔除了根部與地基剛性固結(jié)之外，再無其他約束。索塔的自重的所有的斜索索力則是索塔的荷載。索力的作用是沿索的軸線方向，其水平分力則是使索塔產(chǎn)生水平位移。通常索塔的平衡是利用塔軸線對稱的兩側(cè)索力來維持。由于建筑材料的不均勻、施工過程中的誤差等因素，很難保證索塔兩側(cè)索力的完全對稱，從而造成索塔的偏移。于是索塔塔頂?shù)亩ㄎ粍t是確保索塔是否出現(xiàn)了偏移的重要措施。特別是考慮到索塔的長細比，盡管索塔具有一定的剛度，但仍然是一個細桿構(gòu)件。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，索塔可以看作是一懸臂構(gòu)件，塔的位移是最顯著的。
斜索索力的變化對索塔水平位移的影響不能小覷。另外，不論是鋼塔還是混凝土塔，受溫度的影響都是比較大的。國內(nèi)大部分的氣溫在冬夏之差、晝夜之差，白天的陰陽面之差，都會對索塔產(chǎn)生溫度效應(yīng)。再進一步考慮到風(fēng)和雨雪的影響，索塔塔頂實際上在不停地擺動。應(yīng)用目前已有的測量儀器，如全站儀、GPS等設(shè)備，對索塔塔頂位移的檢測是完全沒有問題的。但是只有設(shè)法消除這些綜合因素，測出的塔位移才是索塔的真實受力狀態(tài)。
已有的研究表明，在實際檢測中可以通過典型時段，對塔頂進行連續(xù)的跟蹤的測量，同時監(jiān)測溫度、風(fēng)力和風(fēng)向等環(huán)境資料，有條件的話最好還能進行相應(yīng)斜索的索力檢測，然后歸納出塔頂位移和這些因素之間的關(guān)系式，最終給出索塔塔頂位移真實的檢測值。
4 結(jié)構(gòu)營運期間的仿真計算
橋梁結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)的應(yīng)用日臻廣泛，已在橋梁工程中的設(shè)計、施工監(jiān)控和檢測中必不可少的重要環(huán)節(jié)。斜拉橋的仿真計算是在于建立一個能夠全面、正確反映橋梁結(jié)構(gòu)真實性態(tài)的完整的有限元仿真模型，根據(jù)斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點和力學(xué)特性，進行計算分析，以代替一部分實際的工作，減輕一部分實際工程的工作量。
斜拉橋仿真模型建立的過程中，計算模式和計算理論的選擇應(yīng)該能夠準確模擬承載構(gòu)件的空間位置、尺寸、材料特性以及連接形式和荷載作用等因素。然后進行大規(guī)模的全橋結(jié)構(gòu)效應(yīng)分析計算，得到相對詳盡、精確和可靠的分析結(jié)果。在建模過程中單元的合理選取和劃分、邊界條件的正確模擬都是如實反應(yīng)橋梁實際狀態(tài)的要點。基于有限元仿真模型的結(jié)構(gòu)理論計算結(jié)構(gòu)和斜拉橋?qū)嶋H檢測結(jié)果的對比分析，可以相互驗證，找出存在的錯誤，為今后修正更準確地建模提供依據(jù)，為以后的檢測工作提供指導(dǎo)作用，以達到替代一部分的斜拉橋檢測工作的目的。
結(jié)構(gòu)營運期間的斜拉橋仿真計算，除了考慮正確建模之外，還應(yīng)兼顧斜拉橋的動態(tài)因素。在斜拉橋正常使用中，由于荷載與環(huán)境因素的作用，主梁標高、索塔位置都不是確定不動的，因此在仿真計算時，有限元分析的各單元結(jié)點的坐標應(yīng)根據(jù)實際工作狀態(tài)而有所調(diào)整。另外隨著時間的流逝，材料也會逐步老化、損傷，分析時也應(yīng)考慮到材料性能的衰退。諸如此類的原因要求仿真計算必須與實際檢測結(jié)合起來，才能真正準確地反映斜拉橋的受力狀態(tài)。
表1是某斜拉橋在1997年到2002年5次標高測量的結(jié)果。按照動態(tài)建模的思路，在這五個時間段計算的有限元數(shù)據(jù)中，這17結(jié)點的坐標應(yīng)該按實際檢測的值代入，才是橋梁真實的結(jié)構(gòu)尺寸。
除此之外，在建模過程中應(yīng)考慮的動態(tài)參數(shù)還有索塔（特別是塔頂?shù)淖鴺耍?，索力等等。只有綜合了這些因素，才能確保仿真分析得出的結(jié)論有實際有意義。
5 研究展望
通過對斜拉橋?qū)嶋H受力狀態(tài)的檢測，可以為橋梁使用的安全可靠及維修加固提供科學(xué)的依據(jù)和積累、必要的技術(shù)資料。另外通過建立斜拉橋的健康檔案數(shù)據(jù)庫，也能為進一步完善、發(fā)展橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算理論。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種橋梁的設(shè)計、施工以及建筑材料的性能都在不斷提高，但安全仍然是一個不容忽視問題。例如斜索的壽命是斜拉橋安全的關(guān)鍵之一。人們最關(guān)心是斜索如何防腐，以及錨固區(qū)的結(jié)構(gòu)損傷和抗疲勞性能。近年來斜索防腐措施雖有不斷改進，錨固區(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工方法也在提高，但橋梁結(jié)構(gòu)畢竟還是要長期經(jīng)歷風(fēng)雨。所以說只有通過索力檢測來了解斜索的安全，還是最為可靠。同樣對于全結(jié)構(gòu)的檢測，仍是將來保證橋梁安全的重要措施。
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