斜拉桥拉索损伤检测和监测方法

2016-05-25杨立国

科技资讯 2015年32期

杨立国

摘要：拉索是斜拉桥的关键受力构件，一旦有部分拉索发生损伤而丧失承载能力，将对整个桥梁产生重大影响，甚至可能导致整座桥梁垮塌，因此研究拉索的损伤检测和监测技术意义重大。介绍了几种斜拉桥拉索损伤检测和监测方法，包括人工目测法，射线检测法，模态测试法等。简述了每种拉索损伤检测方法的基本原理，简要回顾了每种方法的主要研究进展，并作了简要的评述。

关键词：损伤检测斜拉桥拉索健康监测

中图分类号：U448.27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（b）-0050-05

Damage Detection and Monitoring Method for Cables in Cable-stayed Bridge

Yang Liguo

（Institute of Disaster Prevention，Sanhe Heibei，065201，China）

Abstract：Cable is the key component of cable-stayed bridge. Once a cable is damaged， the loss of its carrying capacity will have great influence on the entire bridge and may even lead to collapse of the whole bridge. Therefore， studying damage detection and monitoring method for cables is of great significance. In this paper， several methods of damage detection and monitoring of cables in cable-stayed bridges are introduced， including artificial detection method ， ray detection method， modal testing method and so on. Basic principle and research status of each method was introduced， and some concise remarks are made.

Key Words：Damage detection；Cable-stayed bridge；Cables；Health monitoring

重大工程结构如大型桥梁、超高层建筑、大型水坝、大型隧道以及核电工程设施等，它们是社会财富的重要组成部分，社会的正常运行对这些结构的依赖越来越强。结构在长期运营使用过程中，要承受荷载作用（如车辆、设备、水压、风、地震或爆炸等）和环境的侵蚀（如混凝土碳化、钢材锈蚀、冰冻、温差等），这些因素将不可避免地导致结构损伤。如果关键受力构件损伤积累到一定程度而没被发现，那么损伤将会迅速扩展，进而导致整个结构的垮塌。近几十年，由于未能及时发现损伤而导致结构垮塌的事故很多，其中桥梁垮塌事故也不少，如1967年西弗吉尼亚州的Silver桥垮塌，1996年广东韶关特大桥梁坍塌，1999年重庆市綦江县的彩虹桥倒塌等。因此，我们需要对结构进行经常性检测或长期监测，及时发现隐患，避免出现重大安全事故。

斜拉桥是我国大跨径桥梁中最常见的桥型之一。到目前为止，我国已建成各种类型的斜拉桥100多座。世界10大著名斜拉桥中我国占8座，尤其是苏通长江大桥主跨1 088 m，为世界斜拉桥第一跨。因而，对斜拉桥进行损伤检测或健康监测，保证斜拉桥在其设计使用年限内正常运营已经成为了不可回避的课题。拉索是斜拉桥的关键受力构件，一旦有部分拉索发生损伤而丧失承载能力，将对整个桥梁产生重大影响，甚至可能导致整座桥梁垮塌。因此，对拉索进行损伤诊断研究具有重要的意义。

1 斜拉桥拉索损伤检测及监测方法

目前，对拉索进行损伤检测和监测的方法很多，有人工目测法，射线检测法，磁漏检测法，磁致伸缩导波检测法，索力检测法，声发射监测法，模态测试法和光纤布拉格光栅传感器监测法等，以上方法各有优缺点，且某些方法还有待深入研究。

1.1 人工目测法

早期，人们对斜拉桥拉索的检测主要采取人工目测法，主要检查内容有：观察斜拉索护层的外观是否有破损或开裂，然后根据实际情况决定是否要打开护层，进一步检查拉索索体是否有断丝和锈蚀的状况；检查锚固端和紧固件有无松脱、变形或锈蚀等情况。检测人员利用目测法对拉索进行检测时，要用设备将检测人员送到高空，效率低、存在高空坠落的危险、检测成本高。

检测人员也在桥面上通过高分辨率的望远镜对拉索表面进行观察，判断拉索安全状况。该方法成本较低，但检测效率低，精度较差，只能作为辅助检测手段[1]。

近年来，人们开始研究拉索检测机器人，利用机器人携带摄像头对拉索损伤状况进行检测，效率较高，成本较低。但该方法也只能对拉索外部护层进行检测，不能检测出内部断丝和腐蚀情况。

1.2 射线检测法

射线检测在日常生产生活中已经有着非常广泛的应用，如质量检测（铸造焊接、工艺缺陷检测）、测量厚度、物品检查（机场、车站、海关检查）等。放射线法也可以对拉索的内部损伤和缺陷进行检测，工程检测中应用的射线主要有两种：X射线和γ射线。X射线的检测原理是：当X射线穿过拉索时，如果拉索局部区域存在缺陷，它将改变拉索对射线的衰减，引起透射射线强度的变化，通过检测透射线强度，就可以确定拉索中是否存在损伤以及损伤的位置、大小。

早在20世纪80年代，国外已经采用射线检测拉索的锚固区，但该方法检测成本高、耗时长，因而未被广泛采用[2]。2004年，Telang 等[3]采用X射线对拉索进行了检测试验，结果表明，X射线能检测到拉索中所有的缺陷，但是拉索内部材质较为复杂，图像解释起来非常困难。

应用射线检测法拉索检测，能够检测到拉索锚固区和索体的全部内部缺陷，但由于射线检测法存在图像解释困难，检测效率低，造价高，辐射污染的问题，因此在未取得进一步研究进展之前，并不适合将之大规模应用于桥梁拉索损伤检测。

1.3 磁漏检测法

磁漏检测法是无损检测技术，它是通过检测被磁化的斜拉索表面泄露出的磁场强度来判定缺陷的大小。磁漏检测法的原理：利用由衔铁和永久磁铁组成的磁化器将索体磁化至饱和状态，拉索内部断丝、腐蚀等缺陷处会形成漏磁场，沿拉索轴向利用磁敏感元件扫描获取缺陷漏磁场信号，从而实现对拉索缺陷的检测。

国外对漏磁检测技术的研究很早，早在1933年，Zuschlug就提出了磁敏传感器测量漏磁场的思想，20世纪60～20世纪70年代，美国、英国已经开始应用磁漏监测技术对管材进行了损伤检测[4]。我国从20世纪90年代初才开始对漏磁检测技术进行研究，也取得了一些成果。就拉索损伤检测方面而言，贲安然等[5]通过建立三维有限元模型，研究了拉索断口宽度、缺陷埋藏深度等参数对漏磁场强度的影响，得到了漏磁场强度随上述参数的变化规律，从而为解释拉索检测信号和确定断丝的数量提供依据。此外，贲安然等[6]还提出一种采用有限元法对拉索漏磁检测磁化器的各参数进行设计的方法，并对按上述方法设计的磁化器进行了试验验证，两者结果完全相符。

由于拉索结构形式复杂，拉索检测与钢丝绳检测相比有直径大，钢丝与钢丝之间存在较大空气隙，外部包聚乙烯护套的特点。因此，磁化器要具有足够强的磁化能力，检测元件要有较大的提离距离。除此之外，上述特点还增加了检测信号的解释难度。

1.4 磁致伸缩导波检测法

磁致伸缩效应是指当铁磁性材料受外加磁场力作用时，它的形状和尺寸大小会发生变化的现象，或者铁磁物体受到恒定磁场作用下，当它的形状和尺寸发生变化时，瞬间会引起内部磁场发生变化的现象。其中，前者为磁致伸缩正效应，又被称为焦耳效应，是1842年由英国物理学家焦耳发现的[7]。后者为磁致伸缩逆效应，又被称作维拉里效应，是1865年由意大利物理学家维拉里发现的[8]。磁致伸缩传感器与被测拉索间是非接触的，并且可以有一定提离距离，因此可以对有护套的拉索进行损伤检测。

目前，国内外基于磁致伸缩效应的导波无损检测技术主要集中在磁致伸缩传感器技术、导波信号处理、检测实验研究和仪器开发及其应用等方面[9]。邹易清等[10]对磁致伸缩导波技术在桥梁缆索损伤检测的研究进展进行了全面地综述。

1.5 索力监测法

斜拉桥某拉索发生损伤会引起本身以及其他拉索索力的变化，因此我们可以通过测量索力来进行拉索的健康监测。目前索力的监测方法有多种，如压力传感器测定法、频率法、磁通量传感器等。拉索自振频率易于测定并且有足够的精度，拉索的拉力通过弦振动理论（T=4 m L2f2，其中f为拉索一阶频率，L为拉索长度，m为单位长度的质量）计算得到，同时还要考虑拉索的刚度、垂度和边界条件对索力计算的影响。磁通量传感器是通过材料磁导率随应力变化规律的关系来计算索力，因此在使用前必须先获得拉索相应材质应力与磁导率之间的对应关系。美国的Wang M.L[11-14]对磁通量传感器进行了较多研究，2004年以后国内也陆续有学者对磁通量传感器进行了应用研究。目前，磁通量传感器已经用于国内的个别桥梁的拉索监测，如湛江海湾桥和宜宾长江大桥斜[15]。

到目前，国内很多学者研究拉索损伤对索力的影响。杨光琦[16]和杨亮亮[17]通过建立斜拉桥的有限元模型，研究了不同位置的拉索断裂对斜拉索索力的影响。倪云龙[18]对芜湖长江大桥建立三维有限元模型，通过拉索面积折减来模拟拉索损伤，研究了拉索面积折减10%、30%、50%、100%的情况下斜拉索索力的变化规律。胡建[19]建立了黄河胜利桥有限元模型和黄河胜利桥1∶150的试验模型，分析了不同位置拉索的损伤对其他拉索索力的影响。索力数据能够在一定程度上判断缆索是否完好，但是无法判断缆索缺陷类型和缺陷位置等具体情况。

1.6 声发射监测法

声发射检测技术是一种被动检测技术，能够实时反应材料内部状态。声发射的基本原理是：当材料内部发生损伤，会产生瞬时弹性波向四周扩散传播，损伤部位就是声发射源。声发射技术具有高灵敏性和实时性的特点。

20世纪90年代，国外开始进行应用声发射技术监测拉索损伤的研究。Mohammad R[20]在实验室对吊杆和拉索的钢丝断裂进行试验研究，将声发射检测技术与其他检测方法进行了比较，试验结果表明，声发射检测技术能够对索中单个钢丝断裂进行有效捕捉，并制作了一种可以置于索中的装置，可以对钢丝的变化进行动态监测，为工程应用奠定基础。Paulson PO[21]研究了应用声发射技术对斜拉索和悬索桥主缆进行长期持续监测的方法，结果表明，拉索断丝损伤所产生的声发射信号具有能量高、频带宽和持续时间短的特点，因此将断丝信号与噪声信号分离开来比较容易，从而利用声发射技术能监测拉索损伤全过程。

国内也有一些学者应用声发射技术进行拉索损伤监测的研究。丁穗坤[22]通过试验方法对拉索腐蚀损伤声发射监测技术进行研究，并且通过数值模拟对限制声发射技术最重要的因素—— 波型效应进行了深入地分析和研究。李冬生等[23]通过对钢绞线进行拉伸试验，获得了整个损伤过程的声发射特征参数。试验结果表明：通过持续时间、计数、时间的相关点图、幅值和能量来综合表征损伤，不仅能对全过程损伤进行跟踪，而且还可以准确找到断丝位置以及判断出断丝信号和非断丝信号。邓扬等[24]通过有限元软件仿真获得拉索损伤声发射仿真信号，运用小波包分析技术对拉索损伤声发射的仿真信号进行了特征提取。结果表明：选取少数特征频带并选择适当小波包分解层次，小波包能量谱就能精确地反映声发射信号的特征信息；基于小波包能量谱的特征参数对拉索损伤敏感，并可以在强噪声下实现对拉索不同损伤类型的判别。李冬生等[25]对多龄期斜拉索进行了疲劳损伤监测试验，运用声发射技术对它的动态损伤过程进行了监测，获得了斜拉索整个损伤过程的声发射特征参数，进而得到了多龄期斜拉索疲劳损伤演化规律；然后，对损伤过程各个阶段声发射波形进行小波分析，得到特征波形，并运用FFT分析其频率分布范围，进一步分析了损伤的形成原因，实现了对多龄期斜拉索损伤声发射源类型的确定。

1.7 模态测试法

模态是结构的固有特性，结构模态参数包括固有频率、振型和阻尼。模态参数是结构刚度、质量等物理参量的函数，当结构发生损伤时，结构的物理参量会发生改变，那么结构的模态参数也会随之改变。因此，我们可以通过结构模态参数的变化来进行结构的损伤识别。

张戌社等[26]通过数值仿真计算，探讨了应变模态法对于斜拉桥拉索的损伤识别能力，并且利用应变模态差准确地识别出了斜拉索损伤的位置。赵玲等[27]通过对润扬长江大桥的数值模拟，提出了综合运用斜拉桥竖弯振型频率变化、主梁模态曲率变化和拉索索力变化来识别拉索损伤位置的方法。谭冬梅等[28]以结构损伤和完好状况下的自振频率归一化的频率差作为损伤标识量，以此建立拉索损伤的模糊模式识别子集，再利用模糊模式识别方法对拉索损伤位置和程度进行识别。杨杰等[29]对润扬长江大桥斜拉桥进行了520种工况的拉索损伤动力计算，定义了归一化固有频率，并且分别分析了拉索损伤位置和损伤程度对归一化固有频率的影响，并通过建立BP神经网络，分别采用不同工况组的数据进行训练和识别，对该方法进行了验证。董晓马等[30]提出了基于柔度差矩阵斜拉桥拉索损伤识别方法，以润扬大桥为试验对象模拟4种不同的损伤工况验证该方法的适用性。张治国等[31]以模态频率、位移振型模态、曲率模态3种指标作为神经网络的输入参数，建立9个BP神经网络模型，对斜拉桥拉索损伤程度和损伤位置进行损伤识别研究。郑婷婷等[32]基于ANSYS有限元模型，采用RBF网络，模拟了斜拉索的损伤情况，以不同损伤程度下自振频率和局部模态作为神经网络的训练与测试输入样本，由神经网络的输出来指示损伤位置和损伤程度，并与BP神经网络的识别效果进行比较。董晓马等[33]提出了基于单元模态应变能变化率斜拉桥拉索损伤识别的实用方法，并以国内某重点斜拉桥为试验对象模拟3种不同的损伤工况情况，研究该方法的适用性。结果表明，单元模态应变能变化率指标对于单位置和多位置的损伤都有较好的效果。杨亮亮等[34]以某特大料拉桥为工程背景，该文以某特大料拉桥为工程背景，建立了桥梁动力有限元计算模型。通过拉索有效面积的变化来模拟拉索的损伤，研究拉索不同程度和不同位置的损伤对斜拉桥动力特性的影响。结果表明，斜拉桥拉索损伤对竖向弯曲振型影响较大，而对侧向弯曲和扭转振型的影响较小。长拉索损伤对斜拉桥低阶振型影响较大，短拉索则对斜拉桥高阶振型的影响较大。赵翔[35]对润扬大桥建立有限元模型，利用模态曲率进行拉索的损伤识别。朱鸿雯[36]运用乐音准则法对斜拉桥进行了损伤检测研究，把频率差作为拉索损伤检测的指标，成功检测出拉索的损伤。

1.8 布拉格光纤光栅传感器监测法

布拉格光纤光栅技术是通过对光栅布拉格波长的检测来实现对结构温度值和应变值的绝对测量。拉索发生损伤会引起拉索应变的变化，通过监测光栅布拉格波长的变化，我们能对拉索的状态进行评定。布拉格光纤光栅传感器具有测量线性度高，抗电磁干扰能力强，传感精度高，体积小，耐高温等优点，适合斜拉桥拉索的健康监测。应用光纤光栅传感器对斜拉桥拉索进行健康监测有两种形式，一种是直接在普通钢拉索上粘贴裸光纤光栅，适合已有的桥梁拉索的健康监测，另一种是在钢拉索中直接加入FRP-OFBG筋，适合新建斜拉桥拉索健康监测。

1978年Hill制作了第一根光纤光栅，直到20世纪90年代人们才逐渐认识到光纤光栅传感器的优点，并在土木工程中广泛应用。1999年以来我国对光纤光栅传感器进行了广泛地研究和应用。欧进萍等[37-40]对布拉格光纤光栅传感器的机理进行研究，并且对应用光纤光栅传感器进行拉索的健康监测的若干技术进行了详细地研究。张鹏等[41]提出了直接把FRP-OFBG筋或光纤光栅智能钢绞线加入拉索中的办法来测量钢绞线拉应变应力，并对这种拉索进行试验研究，试验结果表明该方法可行。庄劲松等[42]对泗阳大桥工程中的光纤光栅智能拉索进行了研究，解决了桥梁拉索适时智能检测索力的问题。王丹生等[43]介绍了布拉格光纤光栅传感器在国内外桥梁结构健康监测中的研究和应用，探讨了在应用过程中存在的问题，并对光纤光栅传感器未来的发展进行展望。

2 结语

近年来，斜拉桥拉索的安全性已经引起了科研人员的高度重视，人们已经从射线、磁性方法、超声波、索力、声发射、振动测试和光纤光栅传感器等多个角度对拉索的损伤监测和状态评估进行了深入地研究，已取得很多的科研成果，并且部分成果已经应用到实际工程。但有效的检测或监测技术尚不成熟，有些方法还停留在数值模拟或试验研究阶段，要找到简便、快捷且有效的手段来解决拉索损伤诊断的问题还有待进一步研究。

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