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淺談斜拉橋病害分析與監測
2018-04-23 
   0 引言

   斜拉橋是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁,是由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種結構體系。其可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續梁。其可使梁體內彎矩減小,降低建筑高度,減輕了結構重量,節省了材料。加強和防范斜拉橋的病害,對最大限度的延長橋梁壽命至關重要。

   1 斜拉橋病害與成因概述

   斜拉橋按照主要承重構件可分為斜拉系統,索塔,主梁,下面對此逐條闡述。

   1.1 斜拉系統病害

   斜拉橋主要受力部件之一的斜拉索,需要通過塔和梁的錨固系統的傳力才能實現其功能,他們共同工作,任一構件失效,此部分即失效。在此參照相關文獻,把斜拉索和相應塔、梁上的錨固系統統稱為斜拉系統。

   斜拉索的病害主要表現:a.拉索回縮、拉索鋼絲滑絲導致拉索索力退化。此問題主要原因是錨固系統構造不當,施工誤差,溫度影響等。b.拉索腐蝕。產生原因為防護措施失效。c.拉索振動。斜拉索暴露在自然環境中,風、雨等激勵下,斜拉索會表現處明顯的振動,振動會增加斜拉索的張力、并加劇斜拉索和錨具的疲勞破壞,此外如果斜拉索的振動頻率與主橋結構的基頻接近,還會引起整體的振動耦合。此類病害下文還會重點分析。

   斜拉橋索梁、索塔錨固區,受力集中,結構復雜,在恒載、活載和其它荷載的作用下,其病害問題應引起高度重視。錨固系統的病害主要表現:a.錨固裝置疲勞。斜拉索暴露在自然界中,在各種荷載的作用下,斜拉索索力值是一個變化值,由此引起錨固裝置的疲勞損傷不可忽視,尤其是當錨固裝置本身就有因焊接等原因的缺陷時更需重點注意。b.錨頭銹蝕。主要表現為下錨頭,由于長期處于潮濕環境造成。

   1.2 索塔病害

   作用于斜拉橋主梁的恒載和活載通過拉索傳遞給索塔,因此索塔是通過拉索對主梁起彈性支承作用的重要構件。作用在索塔上的力除索塔自身外,還有拉索索力的垂直分力引起的軸向力、拉索的水平分力引起的彎矩和剪力,此外,溫度變化、日照溫差、風荷載、地震力、混凝土收縮徐變等都對索塔內力產生影響。索塔根據材料類型可分為鋼筋混凝土和鋼索塔。對于最常見的鋼筋混凝土索塔,在各種荷載作用下主要表現為拉索錨固區局部裂縫和塔根處的裂縫,形成原因主要是基本荷載和溫度的影響。在存在下橫梁結構的橋塔中,可能還會出現橫梁裂縫,這主要是因為橋塔剛度不可忽略。

   1.3 主梁的病害

   對于常用的混凝土主梁,主要是梁體的裂縫。這些裂縫大部分是由施工誤差、混凝土收縮、溫度變化、局部錨固應力過大等因素誘發。當然也有因為設計問題產生的,如抗裂性不足,產生受彎裂縫和受剪斜裂縫等。對于鋼梁或者鋼- 混結合梁,主要是鋼結構因為制造過程、焊接等引起的缺陷造成的疲勞、脆性等問題。特別的,對于結合梁,混凝土的收縮徐變引起的橋面裂縫和鋼- 混結合部的疲勞;對于鋼橋,橋面鋪裝的病害應引起足夠重視。

   2 斜拉橋健康監測和風險評估的研究現狀

   2.1 橋梁健康監測系統研究的意義因為橋梁施工、運營中總會出現各種病害,各種病害對結構的影響不可忽視。尤其是最近幾年的垮橋事故頻繁發生,提醒我們應該用合理的方法對橋梁的健康狀況進行檢測,并對橋梁結構的目前運營狀況進行評估和風險評價。

   橋梁健康監測指的是:從建造、運營狀態的橋梁結構中獲取并處理數據,評估結構的主要性能指標(如可靠性、耐久性等)的方法。它結合了無損檢測和結構特性分析,目的是為了診斷結構中是否有損傷發生,判斷損傷的位置,估計損傷的程度以及損傷對結構將要造成的后果。可以說,橋梁健康檢測就像橋梁的醫生,對橋梁的健康狀況進行評價,制定“治療”方案。

   一般地,橋梁健康監測系統包括三個子系統:傳感器與數據采集子系統、結構分析子系統、數據管理子系統和評估決策子系統。如果建立在線的遠程健康監測系統,則還應包括網絡傳輸子系統。

   2.2 損傷識別的方法歸類

   對于大量的現場數據,需要一定的評定方法。結構的健康監測系統必須具備識別結構損傷的能力,結構損傷識別是健康監測系統中的核心技術,健康監測系統的性能在很大程度上取決于結構損傷識別技術的優劣。筆者查閱了大量文獻,對當前比較常用的損傷評定方法進行分類如下:

   a.基于結構固有頻率的損傷識別方法自振頻率是結構剛度、整體特性的反映,在不同點對結構的頻率進行測量,對其間的構件局部損傷進行推斷。此類方法要求測量精度高、干擾小。在橋梁結構上應用較少。b.基于模態振形的損傷識別方法此類方法測量數據主要為結構的振形,通過對結構損傷前后的振形進行比較,以此來推斷結構損傷部位和損傷程度。c.基于柔度矩陣和剛度矩陣的損傷識別方法,此方法主要通過結構對荷載的響應反推的和結構剛度有關的矩陣,來確定結構損傷情況。d.基于模型修正的損傷識別方法。該方法首先要建立結構仿真模型,通過對模型的參數進行修改,使計算結果逼近測量數據。修改參數需要一定的方法確定,此處不再展開。e.基于神經網絡的損傷識別方法。該方法通過已測數據和損傷建立神經網絡的損傷評定系統,對新測的數據進行損傷評定,并反復更新修正,提高了對復雜數據的識別能力。f.基于小波分析的損傷識別方法該方法可實現對非穩態的數據進行處理,可與其他方法結合使用。

   2.3 健康檢測系統在斜拉橋型應用的思考

   在對斜拉橋病害各種損傷識別方法初步認識的基礎上,筆者認為斜拉橋健康監測中應該注意幾點:

   a.斜拉橋的病害形式多樣,不同的損傷需要各異的方法識別,需要多種損傷識別方法綜合應用。如:在基于模型修正的損傷識別方法中,最好從現場對斜拉橋的病害進行一個初步了解。b.健康檢測要抓住重點,應該對可能出現損傷的部位進行分級,比如:重要、一般、次要。因為橋梁數據采集系統的來的數據量非常大,有時候需要對部分數據重點處理或舍棄。同樣以在基于模型修正的損傷識別方法為例,對重點關心的部位的數據重點考察,給予更大權重,更符合橋梁本身的受力特性,安全、合理。c.健康監測系統是個綜合了多學科領域的復雜體系,對新技術的吸納能力也很強,簡單的從傳感器數據到計算機這一環,就可分為有線、光無線、聲波無線等多種傳輸方法,應廣泛了解相關領域發展的前沿情況,合理應用。

   3 結論與展望

   通過前文的論述和分析,筆者進一步有以下總結:

   3.1 隨著服役橋梁病害的逐步出現,斜拉橋病害研究在最近十幾年中有了較大進步,在理論和實踐方面都有深入的研究,尤其是對于斜拉索的振顫引起的疲勞病害等有了足夠的認識和理解。

   3.2 通過橋梁結構健康監測及安全預警系統的運行,建設管理單位、設計單位和橋梁監測單位可以隨時掌握橋梁結構的內力狀態及損傷情況。由于系統能夠在橋梁結構危險萌芽階段發出預警,這對于保障橋梁安全運營具有重要意義。

   3.3 健康監測,不僅通過對結構運營狀況下內力、病害等情況的了解,可以反映結構實際情況,并對決策提供參考意見,而且對某種橋型的設計上也提供了實際的有價值的參考。

   3.4 對于健康監測系統的數據,根據運營現狀采取合理的方式進行維修加固,是否進行維修、采取何種維修方式、什么規模的維修,等問題都可以在可靠度分析的基礎上,通過經濟、社會評估后做出決定。

   3.5 在設計之初,應充分考慮到橋梁運營維護過程中的問題,比如某些稀索體系的斜拉橋,換索時必須封閉交通,從而設計中最好采用換索方便的密索體系。在確定維修加固方案時,經濟比選的基準期也應是橋梁全壽命。

   3.6 斜拉橋是現代大跨徑橋梁研究及應用的重要方面,在對其進行理論研究、計算分析、施工組織設計的同時,應該加大對斜拉橋養護維修工作的投入。通過對病害類型的歸納和病害成因的分析研究,應針對性的采取防治和處置措施,避免或減小病害對橋梁運營帶來的損失。

   參考文獻

   [1]王國鼎,袁海慶,陳開利. 橋梁檢測與加固[M]. 北京:人民交通出版社,2003.

   [2]范立礎. 橋梁工程(上冊)[M]北京:人民交通出版社,2001.

   
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