大型桥梁拉索损伤与健康监测.pdf

文章编号:1003-4722(2002)05-0079-04大型桥梁拉索损伤与健康监测唐亚鸣,张河(南京理工大学机械工程学院,江苏 南京 210094)摘 要:拉索是斜拉桥和悬索桥的重要组成部分,分析了拉索累积损伤和自然损伤的主要原因,探讨了拉索健康监测的几种主要理论方法,为大跨度桥梁拉索安全检测提供了参考依据。关键词:桥梁;缆索;损伤;健康监测中图分类号:U446文献标识码:ALarge-span Bridge Cable Damage and Health MonitoringTANG Ya-ming,ZHANG He(School of Mechanics,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)Abstract:Cable is the important part of cable-stayed bridge and suspension bridge.The main rea-son of the bridge accumulate damage and nature damage are analyzed.Several theory and waysof cablehealth monitoring are discussed.It can be the reference to the cable safety monitoring of large bridge.Key words:bridge;cable;injure;health monitoring收稿日期:2002-05-13作者简介:唐亚鸣(1972-),男,博士生,1995 年毕业于河南农业大学农业工程系,现为南京理工大学机电系在读博士研究生。1 引 言近年来,桥梁的安全性问题日益引起人们的广泛关注。拉索是斜拉桥和悬索桥的重要组成部分,其造价约占全桥造价的 25%30%。2001年 11 月7 日,四川省宜宾市的南门大桥发生桥面局部跨蹋事故 1,钢缆锈蚀是这起事故的主要原因之一。委内瑞拉马拉开波桥和我国的济南黄河大桥、广东海印大桥被迫提前换索造成很大的经济和社会影响。大风、地震、超重车辆、船只等大型漂浮物的撞击和洪水等自然灾害也会给桥梁及拉索造成不同程度的损伤。因此,桥梁拉索的防护和监测意义十分重大。2 拉索损伤原因2.1长期积累损伤拉索是斜拉桥和悬索桥的重要受力构件,拉索的积累损伤主要是疲劳和腐蚀。斜拉桥是按超静定设计的,一般能经受某根拉索的突然断裂。拉索应力分配从理论设计上看比较合理,但实际上由于制造、安装的原因每根拉索的实际承载不可能与理论设计完全一致。1 根拉索中各股的受力也不可能完全相同。受力相对集中的拉索首先容易疲劳断裂,和腐蚀断裂一样,力的重新分配将导致或加速其余各根或各股拉索的破坏。拉索的腐蚀一般分为 3种:钢丝锈蚀、应力腐蚀和氢脆。钢丝锈蚀是最普遍的一种现象,是由空气中的 CO2、H2O 和 Fe 及其内部杂质互相作用引起的铁的锈蚀。应力腐蚀开裂和氢脆都是电化学现象,在同时满足环境、材料、应力的条件下才会发生。美国 1940 年在俄亥俄州朴次茅斯格兰特将军大桥发生的缆绳锚爪鞘开裂的事故 2,就是因为雨水中含有的微量硝酸盐附在缆绳上发生应力开裂。氢脆和应力腐蚀作用条件相同,但作用过程相反。材料断裂时间和环境极性关系曲线见图 1,氢脆是断裂时间随阴极变化而变短,应力腐蚀开裂是断裂时间随阳极变化而变短。2.2 自然灾害损伤大风是大跨度桥梁的最危险载荷,大跨桥在风的作用下位移显著,如明石桥 60 m/s 风速下加劲梁侧移3 m,青马桥 85 m/s风速下加劲梁侧移4.7 m。79大型桥梁拉索损伤与健康监测唐亚鸣,张河图 1氢脆和应力开裂断裂时间和极性关系地震、大型船只等漂浮物的撞击和洪水都会威胁到桥梁及拉索的安全健康。在美国,几乎在最近发生的每个较大的地震事件中都有桥梁被损坏。例如在1989 年的 Loma Prieta 地震中 Oakland 海湾大桥的倒塌和在 1994 年的 Northridge 地震中的洛杉矶地区造成了的大量公路桥的损坏 3。3 拉索健康监测由于拉索是缆索承重桥梁的重要组成部分,越来越多的此类桥梁采取了可行的检测及监测技术对索进行健康监测,其主要技术及方法如下。3.1人工检测长期以来,人们对于大跨桥的拉索、吊索的人工检测主要是检查索系统是否遭受腐蚀,索是否有倾斜,各紧固件是否松动。定期对索系统各部件涂刷防锈漆,对已锈者及时除锈,清查索腐蚀的钢丝数量,判断其腐蚀程度(见表 1)。当腐蚀根数和受腐蚀的程度等级叠加后相当的断丝根数超过总丝数的5%应及时更换此索。人工检测花费大量的人力和物力,而且检测的结果仍不能满足所有的安全需要,对突发事故无法实现适时检测。表 1拉索腐蚀程度分级等级特征描述强度折减系数5没被腐蚀象新的一样1004轻微腐蚀1003轻微麻坑、轻 中度锈蚀752中度随机麻坑501严重麻坑250断丝03.2局部漏磁检测检测构件锈蚀、裂纹等缺陷以评价它们强度、塑性、弹性、疲劳等的无损检测方法日趋成熟,在这些方法中磁检测原理是最佳的无损检测方法之一。例如该方法已广泛应用于输油管道的检测、汽轮发电机管道的检测、空调系统管道的检测、火车轨道与车轮的检测、钢丝绳缺陷检测及其它工作使用场合铁磁性构件的检测。漏磁法是无损检测的主要手段之一,它通过测量被磁化的拉索表面泄露的磁强度来判定缺陷的大小。一旦拉索的表面有损伤或断丝,一部分磁场将从拉索中泄露出来,这一外泄的磁场可被传感器检测。当拉索遇到里面或内部缺陷产生的材料间断时,磁力线将会发生聚集(畸变)从而引起可被检测的漏磁或磁场变化。德国约于 1970 年开始将能够同时检查局部缺陷和测量金属横截面面积缩小的电磁设备沿缆索检测,我国近年也探索了利用爬升机器人检测斜拉桥的拉索 4。但这种方法尚不能检测拉索延伸在主梁内部分的损伤情况。3.3 索力监测目前索力的监测方法有多种,如千斤顶压力表测定法、压力传感器测定法和振动频率测定法。其中用环境随机振动法测定拉索的振动频率比较简单易行且有足够的测量精度。频率法测定拉索索力的理论基础是弦振理论,根据测量得到的拉索振动频率及拉索刚度和边界条件计算拉索索力。美国Wang L.M 等设计的一种装置可直接测量拉索的钢丝应力,从而计算拉索索力。其基本原理是:拉索的钢丝作为一种导磁材料,它的导磁系数 随材料中应力水平的变化而不同。这种装置还可以同时用于拉索的无损检测,其主要缺点是需事先获得不同材质钢丝随应力水平变化的导磁系数的变化规律。图 2为频率法测索力的振弦式传感器基本工作原理示意,传感器可等效成 1个两端固定绷紧的均匀弦。图中 x 表示横向振动的平衡位置,u 表示弦作横向振动时偏离平衡位置的位移。其振动方程为:2u t2-a2 2u x2=0u|x=0=0u|x=l=0(1)u|x=0=(x)u t|t=0=(x)式中,a2=T/,为弦的线密度;T 为弦张力;l 为弦长;t 为时间;(x)为弦的初位移;(x)为弦的初速度。用脉动法测出索的振动频率然后利用弦的振动频率与内力的关系式(1)计算出索的张力:80桥梁建设2002 年第 5 期图 2振弦式传感器的物理模型T=2flj2m=(2fl)2m|j=1(2)该方法已经在东营黄河大桥的索力检测 5和上海徐浦大桥的监测系统中使用 6。3.4模态检测参数识别理论来源于控制理论的系统辩识,其总的思想为:对结构 1 个已知的激励,观测其输出响应,通过输入与输出的函数关系,在原结构参数模型的指定范围以内确定 1个与此函数最为相关的等价模型。系统参数识别理论在桥梁工程中的应用主要体现在以下两个方面:通过等价模型与结构原计算模型的比较对计算模型不合理的假设以及理想化的参数值作出修正;通过不同时期结构等价模型的比较,尤其是刚度参数的比较,实现对结构损伤精确的定位及量化的评估,为合理的维修保养提供决策基础。模态分析技术以其无损性和对结构变化的敏感性,在大型结构状态监测中发挥的作用越来越重要。因为模态参数反映了结构的质量、刚度、以及阻尼的信息,若是有局部的损伤产生,模态参数就会相应发生变化。通过监测桥梁拉索的模态参数可获得其状态信息。在桥梁状态监测中人们提出了各种各样的方法如:曲率模态、能量传递、弹性矩阵系数和应力/应变模态等。3.5光纤监测用光纤监测拉索健康状态是把普通通信光纤螺旋地紧密缠绕在钢丝绳上,然后用环氧树脂加以保护。第 1 种结构形式是从组成钢丝绳的多股细钢丝中抽掉 1根,并在其位置缠绕 1 根光纤,见图 3(a),其优点是光纤的缠绕螺距比较均匀,便于实现标准化。第 2 种结构形式是在不改变原拉索结构的基础上,在其表面沿与拉索钢螺丝旋相反的方向即与多股钢丝正交缠绕,见图 3(b),该种结构形式对光纤螺距不易控制,但微弯灵敏度高。当拉索在外载荷或腐蚀作用下产生裂缝时跨越其间的光纤传感器将局部发生拉伸变形,从而使光纤在拉伸和拉索表面凹凸的综合作用下产生微弯,引起该位置检测信号递减,实现状态监测。该方法目前尚处于探索阶段。图 3拉索光纤监测示意3.6 电阻应变片动应力监测基本方式见图 4:R1、R3感受钢丝拉索轴向拉压应力、温度和湿度等环境条件的改变;R2、R4感受径向应力、温度和湿度等环境条件的变化;R1 R4构成全桥连接,采用恒流源供电。在控制室安装 1个等参数的全桥作为实时对比标定使用。将应变片粘贴在敏感元件上,然后把敏感元件粘贴到被测钢丝的表面,载荷通过对表面的作用传递到应变片上,使用促凝剂、快速安装粘合剂加以固化,见图 5。图 4电阻应变测量原理图 5电阻应变计安装于钢丝4结语大型桥梁拉索的安全性问题已经引起了人们的高度重视,随着现代科学技术的发展,人们已经开始对拉索材料的抗疲劳、抗腐蚀、抗风、抗震、防护以及损伤监测和状态评估进行了深入的研究,在许多领域已取得较大的进展。但由于桥梁拉索特殊的结构特点和不利的工作环境而容易损坏,环境因素对桥梁的结构动力特性影响很大,一般损伤导致的结构参数的变化易埋没在其中,目前有效的损伤识别还81大型桥梁拉索损伤与健康监测唐亚鸣,张河不够成熟或全面。桥梁拉索损伤防护和健康监测在桥梁安全监测中具有十分重要的地位,其理论和技术有着很大的研究价值。参考文 献:1 魏驱虎,李作诗.断桥时间追踪,扬子晚报 N.2001,11,16.2 小若正伦.金属的腐蚀破坏与防蚀技术 M.北京:化学工业出版社,1998.3 Juan M Caicedo,Johannio Marulanda,Peter Thomson,et al.Monitoring of Bridge to Detect Changes in Struc-tural Health A.2001 America Control Conference C.Arlington,Virginia,2001.1-6.4 李桂花,许士斌.大型桥梁动力特性检测方法 J.应用力学学报,1996,(1):48-49.5 同济大学桥梁工程系.确保桥梁结构安全性与耐久性的综合监测系统年度研究报告 R.上海:同济大学,1997.6 张家梁,吕恬生.大斜度缆索机器人的研制 J.高技术通讯,2001,(1):88-90.书讯由铁路桥梁工程科技信息中心编辑的铁路工程建设科技动态报告文集(2002 铁路桥梁工程分册)已由人民交通出版社出版发行。该文集收录了 40 篇优秀科技论文及 23 项局级以上鉴定的科技成果,其内容涉及高速铁路、国内典型工程、新技术(材料、工艺)应用、标准规范修订、桥梁试验研究等诸多方面。该论文对“青藏铁路”、“秦沈线”、“内昆线”、“渝怀线”、“水柏线”等新铁路线上修建的典型桥梁工程也作了详细介绍,是一本不可多得的桥梁动态报告文集。本中心现有少量铁路工程建设科技动态报告文集(2002 铁路桥梁工程分册),每本定价80.00元,欲购从速。汇款地址:武汉市建设大道 103 号大桥局桥科院财务科(430034)户名:铁道部大桥工程