斜拉桥断索危险性的健康监测

张益翔 王旭东 张震

摘要：对于斜拉索系统病害损伤，从其诱因及损伤表现形式来分析，可以大致分为两类：一类为由自然环境作用因素引起的，表现为斜拉索化学腐蚀行为损伤；一类则为由外界载荷作用（风载荷、车辆载荷等）引起的，表现为物理力学行为（主要表现为斜拉索的振动）损伤。

关键词：大跨径斜拉桥；断索分析；健康监测

引言

作为斜拉桥主要的三个部分，索塔，主梁，斜拉索。其中索塔和主梁一般情况下都能满足耐久性的要求，但是在运营的过程中，斜拉索常常由于维护不当、车祸等人为的因素以及地震、腐蚀等自然因素，使得桥梁结构经常发生损伤。一旦有一点局部损伤就需要换掉整根拉索，一根拉索局部损伤了就需要换掉对称的两根拉索，耗时耗力。从上述来看，斜拉索是整个斜拉桥的薄弱环节，索桥同寿命也是很有道理的，所以非常有必要对斜拉索进行健康监测。

1.斜拉索系统主要病害

1.1 索体护套损伤。在各种拉索损伤类型中，斜拉索防护层破损最为普遍。斜拉索防护层已有最初的砂浆涂层变化成现在的具有高密度聚乙烯聚合物材料（HDPE）的保护层。拉索经过多年使用后，其 PE 护套都会出现不同程度的开裂、老化、损伤，较为严重时甚至破坏失去效应。由于斜拉索的振动、撞击等因素影响，使得锚头防护罩的松动、脱落甚至破损，严重的甚至直接破坏。

1.2 索内钢丝腐蚀破坏。当斜拉索防护层处于完好状态时，斜拉索内部钢丝（钢绞线）腐蚀状况轻微，基本上属于正常完好状态。但是钢丝斜拉索的护套一旦开裂，护套內的平行钢丝将直接面临腐蚀的威胁。当斜拉索防护层发生损伤或者破坏失效后，外界环境中的腐蚀介质（如雨水和空气中的有害气体混合成腐蚀溶液）进入，从而导致斜拉索内部钢丝或者钢绞线直接或间接地暴露于腐蚀介质环境中。

1.3 拉索锚具损伤。对于斜拉索桥来讲，其斜拉索上的锚头的作用非常重要。在每一个斜拉索桥中都有两个锚头，一个是位于桥面上塔端处的上锚头，一个是位于梁端处的下锚头，它们两个锚头共同对桥在传力过程中必不可少的。因为其重要性很大，并且所处的位置很特殊，所以这块也是斜拉索桥受损害的部件中最容易发生的位置。

由于锚头基本上由金属材料制造生成，且长期暴露于大气环境中，从而锚头不可避免地会遭受环境侵蚀，出现锈蚀现象。塔端的上锚头腐蚀是因为塔内潮湿的环境和保护罩密封失效造成的，塔端的锚头是朝上的，索塔内易出现。漏雨。现象，雨水有时会淋在保护罩上造成积水，保护罩的密封失效后，雨水和潮湿的空气进入，造成锚头的腐蚀。

1.4 拉索振动引起的损伤。斜拉索发生振动的原因主要是外界风载荷结构作用以及斜拉桥主梁结构振动两方面因素引发斜拉索的振动。

这样斜拉索在过程中产生一定跨度的震动，由于是在风雨天气里，当桥身在风雨中受到风力和雨量的双重作用下发生不同程度的晃动，使得斜拉索受力增大和斜拉索之间的摩擦增多，相互撞击致使损害加剧。

1.5 拉索防水系统损坏。当在下雨天时，雨水会从拉索和主梁的顶端顺着拉索护套往下流，一直到不锈钢阻水圈处，然后通过阻水圈和拉索之间的缝隙到达预埋管。如果减振橡胶圈老化失效，或者端口的盖帽密封不严，那么很容易导致下锚头积水，从而使得锚具和索体结合部位会被腐蚀。另一方面，如果预埋管的安装不精确，那么误差很容易导致拉索的偏心，使得索体与内置减震器无法紧密接合在一起，造成减震器无法发挥最佳的减震效果，间接地加深了拉索振动对桥梁的危险程度。

2.索力检测法

柔性索部分的张莉大小，是控制所结构安全的重要因素。为了消除温度、雨雪、风等因素对索力的影响，在整个使用期限内对索力状况必须有准确的了解，及时对结构的健康状态进行评估。

静力检测法包括油压表读数法、压力传感器测法、静态线形法、弹性磁学法、量测应变法等等，动力检测法包括波动法、振动法等。下面是这些方法的优点和缺点

振动法是应用最广泛的方法，该方法测定索力适用于已张拉完成的索，该设备可重复使用，仪器轻巧化，携带安装方便，测定结果可行。振动法通常是将加速度传感器固定在拉索上，然后收集在环境随机激励或人工激励下的振动信号，经过滤波、扩大、模数转换、频谱分析，根据图来确定拉索的固有频率，然后由斜拉索的自振频率来确定拉索的张力。在合适的条件下，振动法能准确的测出拉索的张力，索力公式为

T=4ML2n2f2n

其中：T为索的拉力（N）；M为索单位长度的质量（kg/m）；L为缆索的长度（m）；fn为第 n 阶自振频率。

3.结论

本文首先对拉索的主要病害进行了介绍，详细阐述了这些病害的发生原因和产生的后果，接着我们介绍了拉索检测的三种方法，即外观检查、断丝无损检测、索力检测三方面。最后，结合理论和我们的分析对斜拉桥进行健康监测研究，研究较为可行的监测方案，通过对索力的健康监测，能有效的发现和处理病害，防止桥梁出现突发的事故，保证桥梁的正常运营。测定拉索的频率有很多种方法，由此衍生出如果是经验丰富的人员可以使测出结果的时间大大缩短，拉索的测定很复杂，只依靠一种检测方式是无法对整个情况进行了解，只能组合一套系统，才能完整的把拉索的情况摸清楚，才能更好的进行维护。（作者单位：重庆交通大学土木建筑学院）

参考文献

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