斜拉桥索力监测及桥梁状态评估分析

郑 鹏，廖 珊

1.广州大学土木工程学院，广东 广州 510006 2.深圳大学艺术学部，广东 深圳 518061

1 斜拉桥索力监测的重要性

桥梁是我国交通系统不可缺少的重要组成部分，对我国的经济建设有显著的促进作用。在桥梁的运营过程中，运营时间的增加和自然环境等各种原因的影响都会导致桥梁结构性能发生不同程度的变化，无论是桥梁结构出现运载能力方面的缺陷，还是其中某一构件受损，都会对桥梁的健康运营造成严重的负面影响，甚至会造成非常严重的事故。对其采取持续高效的监测措施，则有利于充分掌握桥梁的整体健康状态，以便于及时对不符合要求的构件进行维修或更换。

斜拉桥结构健康监测主要是监测各种作用下桥梁结构所表现出的实际状态，据此评估桥梁的健康状态以及损伤程度，以便作为桥梁维护管理的参考依据。斜拉索是斜拉桥的重要构件，在斜拉桥受力过程中，斜拉索在竖向受力方面发挥着重要作用，可以实现主梁荷载向桥塔的传递，通过对其索力大小及分布的了解，能够分析出全桥结构的受力状态和线形变化。如果某一拉索或索股出现索力改变，则会对另外的拉索索力造成影响，从而使桥梁整体结构的静、动力等特性和线形出现相应的改变；如果拉索索力变化突破极限，则可能会导致桥梁整体结构的损毁。因此，必须持续高效地开展斜拉桥索力监测，根据索力变化导致的桥体各项参数变化推断桥梁受损位置和损伤类型，从而掌握桥梁健康状态及稳固程度，并在此基础上对桥梁进行加固和维修，保证桥梁的安全稳定运行。

2 振动频率法斜拉桥索力监测

国内外相关学者对斜拉桥索力监测进行了多方面研究，研发出了多种索力测试方法，分为直接测试和间接测试两大类。直接测试方法是在建桥过程中将力或应变传感器安设于拉索或相关桥体构件中，进行索力的直接测试；间接测试方法则是针对测试拉索的相关有效参数，进行索力和相关参数相互关系的理论性分析，然后根据分析结果进行索力计算。

具体的索力测试方法主要有压力表测试法、振动波法、压力传感器测试法、三点弯曲法和振动频率法等。在实际应用方面，振动频率法的应用率较高，该测试方法具备简单易行、稳定长效等多种应用优势，文章主要围绕振动频率法展开探讨。该测试方法主要是利用振动测试获取斜拉索自振频率，并以斜拉索索力与自振频率之间的关系为依据进行换算，由此算出索力。在实施这种测试方法时应注意两个重要环节，一是有效获取斜拉索自振频率，二是对斜拉索自振频率与索力的对应关系进行准确推论。

利用斜拉索两侧铰支边界条件，通过分离变量计算方式，能够获取索力与自振频率之间的关系，计算公式如下：

式中：N为斜拉索索力；ω为斜拉索单位长质量；L为斜拉索构件长度；k为斜拉索自振等级；fk为斜拉索k级自振的具体频率；E为弹性模量；I为截面惯性矩。

若是无视斜拉索抗弯刚度所产生的影响，则可用简化方式获取索力与自振频率关系，计算公式如下：

在具体的斜拉桥索力监测中，振动频率法获取的各项参数都具备较高的精确度与可靠性，表现出极为优异的应用价值。

3 光纤光栅智能索力监测

光纤光栅传感器具有较高的抗电磁干扰能力，并具备超强稳定性等多种优点，但是用于索力监测比较容易脱落。为了解决这些问题，研究人员研发出了将光纤布拉格光栅（FBG）潜入凹槽形成自感知钢绞线的技术，并将其应用到实践中。此技术能促使传感器随着钢绞线同时、同样变形，确保监测的精确性。

FBG传感器的工作原理是利用FBG的衍射性质使光束摄入光栅，智能反射出符合某种特定条件的波长，其余光则会形成透射。反射光波峰位置波长为λ，光栅公式如下：

式中：n为光纤光栅有效折射率；Λ为相位掩膜光栅的周期。

FBG传感器的初始波长Λ0可通过解调仪获取，感知到的应变εg若出现异常，仪器的弹光作用会促使光栅折射率及周期改变，在这样的情况下，可通过解调仪获取传感器中心波长λB。λB减去λ0的值就是传感器波长漂移量Δλ，计算公式如下：

式中：μ为泊松比；P11、P12为光弹效应系数；Kε为FBG应变灵敏度；εg为FBG应变。εm为受测钢绞线应变，β为两个应变的关联，则εg、εm、β之间的关系如下：

将公式（5）代入公式（4），可得下式：

得出εm和索力F的关系如下：

式中：E为弹性模量；A为截面积。

Δλ和F的关系通过公式（7）代入公式（6）获取：

根据以上理论研发的自感知钢绞线经受外力会形成应变，嵌在钢绞线中的感应器感应到之后，λB会出现改变。标定过程中，根据掌握的Δλ和F，按照公式（8）计算出。具体应用中，仍按照公式（8）计算标定中获取的和传感器监测结果Δλ并得出F，索力监测最终得以实现。

在我国南部某座斜拉桥的建设过程中，斜拉索是以高强度钢绞线为施工材料，并将自感知钢绞线应用其中，结果证实，监测稳定性非常优异，能够在斜拉索整个服役期间发挥良好的索力监测效果，同时也能保证监测结果具备较高的精准度。

4 斜拉桥索力监测实际案例分析

某斜拉桥总长度为3410m，对其索力进行监测。采用随机振动法，因计算索长取值以及索力计算方法存在差异，为保证测量结果的可比性，只将基频与历年（2015年、2019年）的监测值进行对比。通过对比2015年的监测数据可知，左侧有18根拉索基频减少超过5%，右侧有12根拉索基频减少超过5%；左侧有4根拉索基频增加5%以上，右侧有7根拉索基频增加5%以上；基频变化较大的拉索主要集中在两端位置。通过对比2019年的监测数据可知，左侧有8根拉索基频减少超过5%，右侧有7根拉索基频减少超过5%；左侧有10根拉索基频增加5%以上，右侧有10根拉索基频增加5%以上；基频变化较大的拉索主要集中在两端位置。

5 斜拉索索力损失对桥梁状态的影响评估

众所周知，之所以针对斜拉桥桥梁状态采取监测措施，其目的是有效了解和掌握桥梁承受各种外力作用时的结构性能，然后在此基础上评价和推断桥梁的稳固性以及安全性和适用性，以便更好地开展斜拉桥管理和维护工作。例如济南黄河公路大桥，若不是在多年前就及时发现桥梁斜拉索出现锈蚀问题，并及时进行有效维修，则极可能会出现安全问题。对于整体的斜拉桥而言，斜拉索的重要性是不可低估的，斜拉索的结构性能与斜拉桥整体桥梁状态有极大影响，斜拉索一旦出现索力损失情况，就会使斜拉索的构件性能受到严重的负面影响。通常情况下，斜拉桥投入使用后，在长期外力作用以及自然条件等多种原因的影响下，某些构件出现一些损伤是不可避免的，而桥梁斜拉索是受力体系的重要部分，其主要组成部分又分为锚固段、过渡段以及中间段，无论哪一部分受到损伤，都会导致索力损失问题。索力损失问题不会只是一种状态，也不会是同一程度，研究人员应对索力损失问题进行深入研究，并全面总结索力损失对桥梁状态的影响。出现索力损失问题所造成的内力重分布趋势相同，越接近受损拉索的拉索索力增加越明显，拉索索力增加现象会随着与受损拉索距离的拉长而变小，且桥梁中央部位拉索索力损失造成的索力变化明显大于桥梁两端。索塔附近的拉索索力损失不会造成太大的桥梁中跨跨中挠度变化，但中跨跨中附近拉索索力损失会在一定程度上影响中跨跨中挠度变化，若拉索截面出现损失达到50%，就会严重危害桥梁的稳固性，而拉索索力损失不会对桥梁自振频率造成明显影响。

6 结束语

我国的斜拉桥数量占世界之最，自然环境及桥梁运载时间的增加都会使桥梁状态退化，为了最大限度地保证斜拉桥的安全稳定，斜拉桥索力监测及桥梁状态评估成为该领域的重要研究课题。虽然研究人员利用振动频率法及光纤光栅智能拉索索力监测等多种索力监测技术进行了大量研究与实践，并取得了一定成果，但是相关人员仍需对此进行深入研究。