基于損傷分析的斜拉索監測傳感器布設研究

楊春霞，王澤仁，程麗榮，晉民杰

( 太原科技大學交通與物流學院，太原 030024)

斜拉索是斜拉橋的主要受力構件，為保證其抗腐蝕性，需在設計階段進行防腐處理，如在單根鋼絞線或鋼絲外涂環氧樹脂、鍍鋅及熱擠聚乙烯(PE)護層等，在多根防腐鋼絞線外套高密度聚乙烯(HDPE)護套管。然而，在實際工程中，護套容易在運輸、施工及檢測中破損，加上風雨激振、荷載、溫度、環境等聯合作用，護套老化處或缺陷處迅速劣化，導致鋼絲或鋼絞線銹蝕。斜拉索銹蝕乃至鋼絲斷裂使得受力面積變小，單根拉索應力增加。斜拉索是高次超靜定結構，某一根或幾根拉索應力增加將導致索力重新分布及主梁結構內力狀態改變。因此，對斜拉索進行監測是斜拉橋健康監測的重要內容[1]。

現階段，國內外斜拉橋健康監測研究主要集中在以下領域[2-5]：新型傳感、傳輸和系統集成技術的研發，數據采集、信號處理和結構狀態評估方法研究。針對索力監測[6-8]，也相應體現在上述兩個領域，一方面是磁通量傳感器、光纖傳感器、振動法等在索力測量方面的研究和應用；另一方面是利用索力變化進行結構損傷識別。上述研究大多沒考慮拉索自身損傷對橋梁主體結構帶來的影響，對索力監測位置的布置也僅僅停留在經驗上，考慮到長索受到的振動較大，短索受到的拉力較大，所以傳感器應布設在長索和短索上[9]。

上述對拉索監測的思考是靜態的，本文從動態方面進行分析，通過有限元模型，分析每根拉索銹蝕對拉索系統及橋梁結構產生的影響，確定相對敏感的拉索。在此位置進行監測，能讓監測系統更加適應現實環境和實用。

1 斜拉橋有限元建模

本橋為雙塔三跨雙索面預應力混凝土斜拉橋，橋跨布置為195+480+195=870 m,橋面寬17.8 m.標準段主梁采用T型截面，寬5.78 m，高2.5 m.標準段橫梁采用T型截面，寬4 m，高1.1 m.索塔為鋼筋混凝土結構,單箱單室截面,承臺以上塔高121 m.斜拉索為熱擠聚乙烯低松弛高強鋼絲拉索，直徑為7 mm，標準強度為1670 MPA.主橋各塔共布置27對索，其中，型號PESH7-265為3對，型號PESH7-211為2對，型號PESH7-199為6對，型號PESH7-187為5對，型號PESH7-139為5對，型號PESH7-151為6對；全橋共216根斜拉索。主梁、橫梁混凝土標號為C55，索塔混凝土標號為C50，橋墩混凝土標號為C40.主筋采用HRB335，其它采用R235(Q235)鋼筋。 預應力鋼鉸線為高強低松弛預應力鋼鉸線，公稱直徑15.24 mm，標準強度1860 MPa.

利用Midas Civil建立斜拉橋的平面桿系有限元模型，主梁和索塔采用梁單元進行模擬，斜拉索采用只受拉桁架單元模擬。索塔與承臺為彈性連接，主梁與橋臺為彈性連接中的剛性連接。靜力學分析時，荷載考慮自重、二期恒載、溫度荷載、制動力、風荷載和船撞力等。斜拉橋有限元分析三維視圖如圖1所示。

圖1 雙塔三跨雙索面預應力混凝土斜拉橋有限元模型
Fig.1 The finite element model of double tower three-span double-cable prestressed concrete cable-stayed bridge

2 損傷敏感分析

2.1 拉索損傷對周邊拉索索力產生的影響

雙索面斜拉橋具有對稱性，因此，在對單根拉索損傷進行分析時，選擇左側橋塔單面索，索編號分別為1-27,29-55，共54根索。銹蝕損傷用拉索面積折減來表示，因為在現有斜拉橋檢測規范中，拉索銹蝕面積損傷超過10%就要進行換索，因此不考慮面積折減大于10%的情況，考慮面積折減1%，5%和10%三種情況。

首先，分析單根拉索不同程度損傷對周邊拉索索力產生的影響。以拉索1、拉索4、拉索7為例，損傷1%、5%和10%以后，周邊拉索索力增幅最大的前10拉索情況見表1-表3.從表可知，拉索1損傷后，同一側附近拉索索力增加，且基本符合靠得越近索力增加越大的規律，另外，橋的同一側，另一個橋塔同側56、57號索索力也增加了。53、54、55與1、2、3對稱。損傷程度越厲害，周邊拉索索力增加程度越大，比如拉索1損傷10%時，拉索3索力增加最大，達到0.0762%.拉索4和拉索7基本符合類似的規律，部分拉索序號有所變化，但總體趨勢不變。

表1 拉索1損傷后周邊拉索索力增幅情況
Tab.1 The increase of the cable force of the surrounding cables after 1 cable damage

拉索序號損傷0.01/%拉索序號損傷0.05/%拉索序號損傷0.1/%30.007 530.037 730.076 220.007 420.037 220.075 140.006 640.033 340.067 350.005 950.029 650.059 960.005 260.026 060.052 570.004 370.021 970.044 280.003 680.018 480.037 1560.003 0560.015 0560.030 590.002 890.013 990.028 21110.002 51110.012 81110.026 0

受篇幅影響，不能詳細給出54根拉索損傷模擬結果，下面通過圖2說明各拉索損傷10%時，周邊拉索索力的變化情況。通過兩個指標來描述索力變化，一個是max,反映某拉索變化時，周邊拉索索力最大增加程度；一個是avg,反映周邊拉索索力增加前10位的平均值。橫坐標為拉索編號。

表2 拉索4損傷后周邊拉索索力增幅情況
Tab.2 The increase of the cable force of the surrounding cables after 4 cable damage

拉索序號損傷0.01/%拉索序號損傷0.05/%拉索序號損傷0.1/%10.003 510.017 510.034 8 20.002 8 20.013 5 20.026 1 50.002 2 50.009 8 50.017 2 60.001 8560.008 2560.016 4 30.001 6 60.008 1 60.014 0 560.001 630.007 4 570.014 0 570.001 4 570.007 0 30.012 6 70.001 4 580.006 1 580.012 3 580.001 2 70.006 1 1110.011 5 1110.001 2 1110.005 8 70.010 4

表3 拉索7損傷后周邊拉索索力增幅情況 Tab.3 The increase of the cable force of the surrounding cables after 7 cable damage

拉索序號損傷0.01/%拉索序號損傷0.05/%拉索序號損傷0.1/%10.003 210.016 1 10.032 1 20.003 0 20.015 120.030 030.002 530.012 030.023 750.001 850.008 550.015 980.001 780.007 980.014 140.001 340.006 340.011 890.001 2560.005 7 560.011 3560.001 190.005 2570.009 660.001 01150.004 81150.009 31150.001 0570.004 890.008 9

從圖2可以看出，拉索最大增加程度呈W形，拉索損傷后引發周邊索力增加程度最大的拉索為27號索(0.4665%)，位于塔內側，其次為29號(0.4598%)等。這說明索塔周邊的拉索損傷更容易引起索力增加，這與現階段認為短索受力不利是一致的。除了短索外，出現了左右兩個波峰，頂點所代表索分別為17號索和39號索。在結構設計階段，12-16號索采用的是187號索，17-19號索采用的是151號索，17號索位于變化點，對索力變化更為敏感。因此，在傳感器布置時，應該考慮拉索型號變化的拉索，特別是從粗變到細的階段。W形狀之外的其他區域變化不大。平均值趨勢和最大值趨勢大致相同，但沒有最大值變化明顯，說明最大值變化更為敏感，在監測中需重點關注。

圖2 單根拉索損傷導致周邊拉索索力變化情況
Fig.2 The variation of the surrounding cables tension caused by a single cable damage

本案例中，選擇變化程度在0.3%以上的幾根拉索為敏感拉索，分別是17、25、26、27、28、29、30、39，在傳感器布設時需要重點考慮它們。

2.2 拉索損傷對主梁縱向位移影響分析

拉索銹蝕，索力重新分布后，主梁結構內力也會發生變化，因此需進一步分析主梁豎向位移。圖3為成橋狀態變形圖，從中可以看出，當拉索截面折減后，豎向位移最大處位于中間區域，有時在158號節點，有時在159號或160號節點。

圖3 拉索損傷對主梁縱向位移的影響
Fig.3 The influence of cable damage on the longitudinal displacement of the main girder

圖4為拉索1、拉索17和拉索27各損傷1%，5%，10%對豎向位移的影響。對拉索1，因銹蝕引起面積折減達到1%時，橋梁中間豎向位移增加0.01%左右，折減5%時，豎向位移增加0.045%左右，折減10%時，豎向位移增加0.09%左右。對同一拉索，面積折減越多，豎向位移增加越大，拉索17和拉索27有同樣的趨勢。拉索27離左邊索塔最近，因此，面積折減造成的豎向位移影響要小于拉索17和拉索1.

圖4 拉索1、17、27面積折減對豎向位移產生的影響
Fig.4 Influence of area reduction of cables 1,17 and 27 on vertical displacement

受篇幅影響，不能詳細給出54根拉索損傷模擬結果，下面通過圖5說明各拉索損傷10%時，橋梁豎向最大位移增加程度情況。從圖看出，以左側索塔為界，左邊拉索1-27號拉索面積折減，會使得豎向位移增加，右邊拉索29-55號面積折減，會使得豎向位移減少。變化較多的點在拉索8、9、10和拉索45、46、47.索力監測應該多關注這些拉索。

圖5 單根拉索面積折減10%對橋梁豎向位移產生的影響
Fig.5 The influence of 10% reduction of single cable area on the vertical displacement of bridge

3 索力傳感器布設

位于健康監測系統的最前端的是傳感器系統，對數據采集的準確性、有效性有著重要影響。健康監測系統是否可靠、有效及實用是由傳感器系統的合理選型與優化設計決定的。從作用監測方面，橋梁傳感器包括風速風向傳感器、環境溫度濕度傳感器、結構溫度傳感器等；從響應監測方面，包括位移監測、結構動力特性監測、應力監測、斜拉索索力監測等。目前索力測試方法有光纖光柵智能索、磁彈索力儀、壓力傳感器、振動法等，各方法各有優缺點，可根據橋梁在建或在役的情況和主要投資額進行選擇。本文主要研究斜拉索索力監測傳感器的布設。

索力監測點一般布置在短索和長索，主要考慮短索拉力大，長索振動大。但根據前文有限元分析結果，實際情況要更復雜一些?？紤]拉索銹蝕損傷對周邊索力產生的影響，較為敏感的拉索為17、25、26、27、29、30、39，其中，拉索25、26、27、30為索塔附近的短索，拉索17和拉索39則為拉索直徑變小的臨界點。事實上大型斜拉橋拉索的直徑并非一致，而是根據受力情況在不同位置選擇直徑不同的拉索，因此要特別注意拉索直徑變化的地方?？紤]拉索損傷對橋梁豎向位移的影響，變化較多的點在拉索8、9、10和拉索45、46、47，這幾根拉索既不是短索也不是長索，而是拉索直徑有變化的地方，因此，也應該布設索力監測點。同時因為拉索1、2號和拉索54、55最長，即使這幾根拉索面積折減引起的變化小于其他拉索，但也要考慮振動影響。綜合考慮，文中所述案例應該在拉索1、2、8、9、10、17、25、26、27、29、30、39、45、46、47、54、55上布置索力監測傳感器。文中所述僅為左邊索塔的一面，根據對稱性，應該在右邊索塔和橋梁的另外一面的相應拉索處布置索力傳感器。

4 結 論

斜拉橋索力監測是斜拉橋健康監測系統的重要部分?，F階段索力監測點一般布置在短索和長索，這種布設方法沒有考慮到拉索銹蝕以及拉索直徑變化對橋梁整體安全產生的影響。通過本文的研究表明，拉索的損傷對周邊拉索索力及主梁縱向位移產生極大的影響。因此在進行傳感器布局的時候應該布置在引起拉索損傷的敏感部位，比如拉索直徑變化的地方，但也要考慮振動影響。在敏感拉索處布置傳感器，能反映拉索銹蝕對系統產生的影響，是對橋梁健康監測系統的重要組成部分。