基于檢監測數據的索承橋拉吊索評估指標體系的研究

張立奎，楊 洋，徐一超

(1.安徽省交通控股集團有限公司養護管理中心，安徽 合肥 230000；2.在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室，江蘇 南京 211112)

1 引 言

拉索是斜拉橋的主要承載結構，拉索索力的監測對斜拉橋安全的影響舉足輕重。然而，目前我國對斜拉橋拉索的監測，僅僅對于已經裝上傳感器的拉索。大多數沒有安裝傳感器的斜拉索，尚未能實時有效的監測其拉索狀態的變化，只能依賴于人工定期巡檢等方法。拉索的健康狀態不能得到保障，從而導致斜拉橋的使用壽命大打折扣。因此，對橋梁結構進行安全有效的實時檢測是十分必要的。結構健康監測可以彌補人工測試的及時性，實現對結構隱蔽部位的監測，滿足結構全天候監測和評價的要求。

2 拉索測試方法研究現狀

目前，在斜拉索的拉力測試中,常用的測試方法有千斤頂壓力表的測量方法，壓力傳感器的測量方法，磁通量的測量方法和振動頻率的測量方法。

振動頻率法是利用精密的振動選擇器，在振動條件下獲得拉索振動信號。拉索的激發模式可以是人為激發，儀器激發或環境隨機振動，然后拾取相對應的振動信號。振動信號經過濾波、放大、頻譜分析等一系列措施處理。索力計算是用譜圖分析索的振動頻率，并將得到的頻率代入索力與振動頻率的理論關系中。其具有有接觸測量和非接觸測量兩種類型。

2.1 接觸式測量

接觸式測量是指將加速度傳感器安裝在斜拉橋拉索上相應的位置，并使拉索在環境或人為激勵下產生振動。拉索的振動通過相關的儀器采集，并通過相應的軟件處理分析得到振動頻率。利用拉索振動頻率和索力之間的關系，就可計算得到相應的拉索索力。這種方法的優點是獲得的基頻精度更高，但其缺點是要通過繁瑣的布線來測量基頻，降低了效率。并且經常受制于現場的實測條件，傳感器不能正常安裝在拉索上。且安裝位置的正確與否，也會在測量結果中引起一些誤差。

2.2 非接觸式測量

拉索振動頻率的非接觸式測量是一種利用激光技術的遠程檢測方法，這種方法是通過激光發射和接收裝置監測拉索的隨機振動，并且利用相應的程序對拉索的振動頻率進行分析。然后，拉索索力由索力與振動頻率的關系計算得出。該方法屬于無損檢測，不需要進行傳感器的布置，不需要在拉索上進行復雜的布線，具有較好的實用性。因此，它也是比接觸測量更加方便的無線檢測方法。同時，它也是一種遠程檢測方法，在測試長拉索上安裝傳感器較為困難位置的振動頻率時，這種方法的優勢將顯而易見。非接觸測量也有一些局限性，它只能滿足工程上實時測量的需要，不能長期對斜拉索實施頻率監測。

振動頻率法測索力具有設備可重復使用的優點，并且儀器體積小，易于攜帶，測量結果相對精確，因此它已成為最常用的索力測試方法。但是，頻率法測出的索力并不是百分百精確的，它還有一些缺點。主要原因如下:(1)拉索在現實條件下會因自身重量不可忽視，而自身的重量必然會產生垂度，下垂會影響拉索的剛度，從而導致索力計算中產生誤差。(2)拉索的抗彎剛度在計算時往往被忽視，然而實際中拉索是具有一定的抗彎剛度，特別是對于短索的索力計算。例如，懸索橋和下承式拱橋的吊桿等剛度不能忽略。(3)現階段拉索的索力計算公式所采用的邊界條件只有固支或簡支，但是拉索實際的邊界條件遠比這復雜的多，不僅僅是單一的簡支或固支，而是介于簡支和固支之間的復合邊界。(4)當前大多數拉索都具有阻尼器，這大大增加了拉索的振動頻率，從而導致通過振動方法測得的索力有較大的誤差。

3 拉索的評價指標體系研究現狀

為了確保斜拉橋在服役期間良好的運行，拉索是其中的關鍵。為此，許多學者對拉索狀態評價進行了深入的研究。李枝軍等提出了用最大熵譜代替傳統譜來識別工作狀態下拉索的固有頻率和獲得拉索索力的方法，并提出了用模糊聚類理論對拉索索力測試結果進行分類和評價的方法。結果顯示拉索索力的測試時間能夠通過最大嫡譜法進行有效的縮短，對于運營狀態下拉索索力的測試和實時監測有較好的適應性，大跨斜拉橋拉索索力的分類與安全性評估采用模糊聚類分析法效果顯著。朱勁松和肖汝誠從拉索斷絲率的角度對拉索退化進行研究，全面考慮組成拉索的鋼絲之間的相互影響和本構行為，最終以拉索在運營條件下的安全系數為落腳點，實現了對拉索的安全性分析。Nagarajaiah等研究了一種基于復雜度追蹤的盲源分離算法的拉索時變索力辨識方法，為斜拉索時變索力的監測提供了一種自動化、經濟和方便的方法。在此基礎上相關學者提出了疲勞極限狀態的拉索可靠度計算方法和拉索疲勞腐蝕抗力衰減模型。楊儀以G325九江大橋實橋為依托，制作了其1∶50的試驗模型，試驗過程是分別斷開模型中每一根拉索，記錄索力變化數據，采用SOM算法和優化灰色關聯系數初值法研究了索力之間的關聯度。然后，研究了對拉索間的關聯影響矩陣的，得出結論是離索塔越遠的斜拉索對其他拉索的影響越大。上述的拉索評價指標體系，雖然有定量的指標作為拉索運營期間的安全性評定標準，但是整體評價指標較少，沒有與拉索的養護管理評價體系有效結合，不能較好的反映拉索的整體性能。因此，亟待研究一種基于檢監測一體化的拉索索力評估指標體系，對拉索進行整體的、全面的評估，更好地為其運營維護提供依據。

4 基于檢監測數據的索力狀態評估方法

結合橋梁檢測監測數據，在人工檢測和健康監測數據的基礎上，建立了大跨度索承橋梁多源信息局部評價模型。同時，將評估指標分為定性指標和定量指標，確定各指標的評估標準，以橋梁技術狀況評分和監測指標報警次數作為性能指標建立基于構件的橋梁預防性養護體系，對橋梁養護維修、管理系統進行了標準化進行研究。

在對健康監測系統測量數據進行評價的基礎上，以觸發橙色、紅色報警次數為評估準則(每10 min最多判定為一次有效報警)，每觸發一次橙色報警記為10分×月(暫定)，紅色報警記為100分×月。如：對于索力監測(傳感器總數為N)，所選時間段為M個月，若觸發橙色報警為K次，則索力分項的評分為=max(100-10×K/M/N，0)

從報警指標體系設定的目標定位來看，其主要期望實現對異常事件(地震、臺風、船撞等)及結構損傷(突發性損傷和累積性損傷)做出及時準確的報警，以對橋梁結構或構件所處的狀態進行區分。如常見的三級報警(如黃、橙、紅)，即是將結構或構件的狀態區分為四種狀態：安全狀態、異常狀態、疑似危險狀態、危險狀態。當結構響應低于黃色報警水平時，表示結構處于安全狀態；當結構響應位于黃色與橙色報警水平之間時，表示結構處于異常狀態；當結構響應位于橙色與紅色報警水平之間時，表示結構處于疑似危險狀態；當結構響應高于紅色報警水平時，表示結構處于危險狀態。

根據《公路懸索橋設計規范》和《大跨徑懸索橋和斜拉橋養護規范》上的橋梁養護管理要求，得到索力與對應的養護管理要求見表1。

表1 拉索索力及對應養護管理要求

結合近年年來索力監測數據的統計分析，制定報警值如下：索力數據一般沒有明顯異常，所以設置平均索力的1.06倍作為黃色預警值；當索力>SLdsg時，可能發生結構附屬設施的損傷，所以取索力=SLdsg作為橙色報警值；當索力>SLmax時，可能發生斷索從而導致橋梁主體結構的損傷，所以取索力=SLmax作為紅色報警值。

5 結 論

綜上所述，傳統的人工檢測有一定的局限性，無法評定材料、結構的損傷程度，無法在一些極端情況中及時發現安全問題，無法實時評估橋梁的安全性能，以上局限性導致了橋梁的養護管理缺乏時效性。因此，對橋梁結構進行安全有效的實時檢查至關重要，結構健康監測可以彌補人工檢查的時效性的問題，并且實現結構隱蔽部位的監測，可以實現對結構全天候的監測與評估。所以，檢監測一體化評估體系的研究也就顯得至關重要。