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斜拉橋檢測技術的幾點探討
2018-05-07 
   1 概述

   我國交通運輸事業的飛速發展,為道路和橋梁的建設提供了良好的機遇,建成了不同結構形式的大跨徑懸索橋、斜拉橋、拱橋、連續剛構橋等等,目前在役橋梁的總數已達80萬座以上,標志著我國橋梁技術已進入世界先進行列。然而橋梁所處環境是比較惡劣,受到許多人為的、天然災害的影響,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。為了適應交通的需求,充分利用現有的橋梁,能安全地為社會服務,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,并預測其承載能力。這包括對橋梁的質量檢測、結構檢算,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,取得關鍵部位的受力的應力(應變)、變形、位移或沉降等重要數據,經過計算分析與研究確定病害的原因,橋梁結構實際承載能力以及剩余壽命,為橋梁養護提供依據。通常對橋梁結構檢測項目包括:橋面系的檢測、鋼筋混凝土與預應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、橋梁下部結構的檢測、橋梁水文及調治結構的檢測、結構裂縫的檢測等等。橋梁結構檢算是根據橋梁結構的相關規范,設計依據或竣工資料,也可以根據檢測結果對橋梁結構主要控制截面、結構薄弱部位進行檢算,來評定橋梁結構承載能力及其適用條件。橋梁荷載試驗是對橋梁結構進行直接加載測試的一項科學試驗工作,是基于橋梁檢測和結構計算結論,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

   斜拉橋的結構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上。斜索檢測包括索力的檢測、錨固區的檢測、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件結構檢測的特點之一,通過準確地測取索力,可以充分掌握全橋結構的受力狀態。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面進行曝光或其它方法寫入,使該段范圍內的折射率沿光纖軸線發生周期性變化,再通過周期性變化柵格的反射波長的移動,來感應外界物理量的變化,這種測量技術的特點是尺寸小、線性度高且重復性好、抗電磁干擾和抗腐蝕能力強、絕對測量和響應速度都很快等優點。是結構健康監測的理想的,一種有較高的精度的技術。不過目前這種方法并未大范圍推廣應用,普及率,從而價格太高。

   磁通量法是一種測定索力、監測斜索銹蝕程度的非破壞性方法。這種方法的使用是預先將作為傳感器的磁通環套在斜索上,通過測定磁通量變化,根據索力與磁通量之間的關系來推算索力。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。缺點是對于沒有預埋傳感器的斜索測量是不能應用的。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。但半環合成磁通量傳感器靈敏度非常低,而且很不穩定,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將時域圖轉化為斜索的頻譜圖,確定斜索的各階自振頻率;根據索力與自振頻率之間的對應關系到實測的索力。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以及準確的索力與頻率關系。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測,尤其是事先沒有預埋其它傳感器的舊橋的檢測,幾乎是唯一的選擇。不用預埋加速度傳感器,可重復使用,成本較低,精度也較好的,因此是當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。因為斜拉橋實際的索力只是斜索極限強度的40%左右,只要斜索不發生銹蝕,錨固區不出現松動、損傷等現象,斜索一般是不會發生問題的。但若要充分了解斜索的工作狀態,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施的重量,都是通過斜索傳遞給索塔的來承擔的。斜拉橋的索塔除了根部與地基剛性固結之外,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生水平位移。通常索塔的平衡是利用塔軸線對稱的兩側索力來維持。由于建筑材料的不均勻、施工過程中的誤差等因素,很難保證索塔兩側索力的完全對稱,從而造成索塔的偏移。于是索塔塔頂的定位則是確保索塔是否出現了偏移的重要措施。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件。根據結構分析,索塔可以看作是一懸臂構件,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,都會對索塔產生溫度效應。再進一步考慮到風和雨雪的影響,索塔塔頂實際上在不停地擺動。應用目前已有的測量儀器,如全站儀、GPS等設備,對索塔塔頂位移的檢測是完全沒有問題的。但是只有設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。

   已有的研究表明,在實際檢測中可以通過典型時段,對塔頂進行連續的跟蹤的測量,同時監測溫度、風力和風向等環境資料,有條件的話最好還能進行相應斜索的索力檢測,然后歸納出塔頂位移和這些因素之間的關系式,最終給出索塔塔頂位移真實的檢測值。

   4 結構營運期間的仿真計算

   橋梁結構仿真技術的應用日臻廣泛,已在橋梁工程中的設計、施工監控和檢測中必不可少的重要環節。斜拉橋的仿真計算是在于建立一個能夠全面、正確反映橋梁結構真實性態的完整的有限元仿真模型,根據斜拉橋的結構特點和力學特性,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該能夠準確模擬承載構件的空間位置、尺寸、材料特性以及連接形式和荷載作用等因素。然后進行大規模的全橋結構效應分析計算,得到相對詳盡、精確和可靠的分析結果。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橋梁實際狀態的要點。基于有限元仿真模型的結構理論計算結構和斜拉橋實際檢測結果的對比分析,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,為以后的檢測工作提供指導作用,以達到替代一部分的斜拉橋檢測工作的目的。

   結構營運期間的斜拉橋仿真計算,除了考慮正確建模之外,還應兼顧斜拉橋的動態因素。在斜拉橋正常使用中,由于荷載與環境因素的作用,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點的坐標應根據實際工作狀態而有所調整。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合起來,才能真正準確地反映斜拉橋的受力狀態。

   表1是某斜拉橋在1997年到2002年5次標高測量的結果。按照動態建模的思路,在這五個時間段計算的有限元數據中,這17結點的坐標應該按實際檢測的值代入,才是橋梁真實的結構尺寸。

   除此之外,在建模過程中應考慮的動態參數還有索塔(特別是塔頂的坐標),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論有實際有意義。

   5 研究展望

   通過對斜拉橋實際受力狀態的檢測,可以為橋梁使用的安全可靠及維修加固提供科學的依據和積累、必要的技術資料。另外通過建立斜拉橋的健康檔案數據庫,也能為進一步完善、發展橋梁結構的設計計算理論。

   隨著科學技術的發展,各種橋梁的設計、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鍵之一。人們最關心是斜索如何防腐,以及錨固區的結構損傷和抗疲勞性能。近年來斜索防腐措施雖有不斷改進,錨固區結構的設計與施工方法也在提高,但橋梁結構畢竟還是要長期經歷風雨。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。同樣對于全結構的檢測,仍是將來保證橋梁安全的重要措施。

   參考文獻:

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   [3]張楊永.斜拉橋的仿真計算與檢測分析[D].合肥工業大學碩士學位論文,2006.

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