建筑知识-悬索桥病害分析与监测

悬索桥病害分析与监测

文摘：斜拉桥是一种主梁由多根缆索直接拉在塔上的桥梁，是由受压塔、受拉缆索和受弯梁组成的结构体系。可视为多跨弹性支承连续梁，用拉索代替桥墩。它可以减小梁体内的弯矩，降低建筑高度，减轻结构重量.

斜拉桥是一种主梁由多根缆索直接拉在塔上的桥梁，是由受压塔、受拉缆索和受弯梁组成的结构体系。可视为多跨弹性支承连续梁，用拉索代替桥墩。它可以减小梁体内的弯矩，降低建筑高度，减轻结构重量，节省材料。斜拉桥病害的加固和预防对于最大限度地延长桥梁的使用寿命至关重要。

1斜拉桥病害及成因概述

斜拉桥按主要承重构件可分为斜拉体系、索塔和主梁，以下逐一介绍。

1.1斜拉体系疾病

斜拉索是斜拉桥的主要受力构件之一，它需要通过塔梁锚固系统传递力来实现其功能。当它们一起工作时，任何组件都会失败，这部分也会失败。参考相关文献，斜拉索的锚固系统和相应的塔和梁统称为斜拉索系统。

斜拉索的主要病害有：a .拉索回缩、索丝滑脱导致索力退化。造成这一问题的主要原因是锚固系统结构不当、施工误差、温度影响等。

b .电缆腐蚀。原因是防护措施失效。

c .电缆振动。当斜拉索暴露在自然环境中时，在风雨的激励下会表现出明显的振动，这将增加斜

拉索的张力，加剧斜拉索和锚具的疲劳损伤。另外，如果斜拉索的振动频率接近主桥结构的基频，也会引起整体振动耦合。这种病下面会详细分析。

斜拉桥索梁索塔锚固区应力集中，结构复杂。在恒载、活载等荷载作用下，其病害应引起高度重视。锚固系统的主要病害有：a .锚固装置疲劳。斜拉索在自然界是暴露的。在各种荷载作用下，斜拉索的索力值是一个不可忽略的变量值，尤其是锚固装置本身由于焊接等原因存在缺陷时。b .锚头腐蚀。主要表现为锚头较低，是长期潮湿环境造成的。

1.2电缆塔疾病

作用在斜拉桥主梁上的恒载和活载通过拉索传递给索塔，索塔是通过拉索对主梁起弹性支撑作用的重要构件。作用在塔架上的力除了塔架本身之外，还包括索力垂直分量引起的轴向力和索力水平分量引起的弯矩和剪力。此外，温度变化、日照温差、风荷载、地震力、混凝土收缩徐变等。索塔按材料类型可分为钢筋混凝土塔和钢索塔。对于最常见的钢筋混凝土索塔，在各种荷载作用下，索塔锚固区局部裂缝和塔根部裂缝主要是由基本荷载和温度的影响引起的。在下横梁结构的桥塔中，横梁可能会出现裂缝，这主要是因为桥塔的刚度不容忽视。

1.3主梁病害

对于常用的混凝土主梁，主要是梁体内的裂缝。这些裂缝大多是由施工误差、混凝土收缩、温度变化、局部锚固应力过大等因素引起的。

当然也有设计上的问题，比如抗裂性不足、弯曲裂缝、剪切斜裂缝等。对于钢梁或钢-混凝土组合梁，钢结构的疲劳和脆性主要是由制造工艺和焊接造成的缺陷引起的。特别是对于组合梁，桥面裂缝是由混凝土收缩徐变和疲劳引起的

2.1桥梁健康监测系统研究的意义在于，桥梁施工和运营中总会出现各种各样的病害，各种病害对结构的影响不容忽视。尤其是近年来桥梁坍塌事故的频繁发生，提醒我们应该采用合理的方法检测桥梁的健康状况，评估桥梁结构的运行现状和风险评估。

桥梁健康监测是指从在建和运营的桥梁结构中获取和处理数据，并对结构的主要性能指标(如可靠性、耐久性等)进行评估的方法。).它结合了无损检测和结构特征分析，其目的是诊断结构中是否存在损伤，判断损伤位置，估计损伤程度以及损伤对结构造成的后果。可以说桥梁健康检查就像桥梁医生一样，评估桥梁健康状况，制定“治疗”方案。桥梁健康监测系统一般包括三个子系统：传感器及数据采集子系统、结构分析子系统、数据管理子系统和评估决策子系统。如果建立了在线远程健康监测系统，还应包括网络传输子系统。

2.2损伤识别方法的分类

对于大量的野外数据，需要一定的评价方法。结构健康监测系统必须具有识别结构损伤的能力。结构损伤识别是健康监测系统的核心技术，健康监测系统的性能很大程度上取决于结构损伤识别技术的优劣。作者查阅了大量文献，将常用的损伤评估方法分类如下：

2.2.1基于结构固有频率的损伤识别方法固有频率是结构刚度和整体特性的反映。在不同的点上测量结构频率，推断它们之间构件的局部损伤。这种方法要求测量精度高，干扰小。它很少用于桥梁结构。

2.2.2基于模态振动形状的损伤识别方法该方法的实测数据主要是结构的振动形状。通过比较损伤前后结构的振动形态，可以推断出结构的损伤位置和损伤程度。

2.2.3基于柔度矩阵和刚度矩阵的损伤识别方法。该方法主要是通过与结构刚度相关的矩阵来确定结构损伤，该矩阵是由结构对载荷的响应推导出来的。

2.2.4基于模型修正的损伤识别方法。首先建立结构仿真模型，修改模型参数，使计算结果与实测数据接近。修改参数需要通过一定的方法确定，这里就不展开了。

2.2.5基于神经网络的损伤识别方法。该方法基于实测数据和损伤建立神经网络损伤评估系统，对新测数据进行反复评估和更新，提高了对复杂数据的识别能力。

2.2.6基于小波分析的损伤识别方法该方法可以处理非稳态数据，并可与其他方法结合使用。

2.3健康检测系统在斜拉桥型中应用的思考

在初步了解斜拉桥病害的各种损伤识别方法的基础上，作者认为斜拉桥健康监测应注意几点：

2.3.1斜拉桥有各种各样的病害，不同的损伤需要不同的方法来识别，

这就需要综合应用各种损伤识别方法。例如，在基于模型修正的损伤识别方法中，最好从现场对斜拉桥的病害有一个初步的了解。

2.3.2为了把握健康检查的重点，有必要对可能受损的部位进行分类，如重要部位、一般部位、次要部位。由于桥梁数据采集系统的数据量非常大，有时需要重点处理或丢弃一些数据。同样，以基于模型修正的损伤识别方法为例，重点考察了关键关注部位的数据，赋予了较大的权重，更符合桥梁的受力特点

3.1随着在役桥梁病害的逐渐出现，近十年来斜拉桥病害的研究取得了很大进展，理论和实践研究深入，特别是针对斜拉索振动引起的疲劳病害。

3.2通过桥梁结构健康监测和安全预警系统的运行，施工管理单位、设计单位和桥梁监测单位可以随时掌握桥梁结构的内力状态和损伤情况。由于该系统能够在桥梁结构危险的早期给出预警，对保证桥梁的安全运行具有重要意义。

3.3健康监测不仅可以通过了解结构在运行工况下的内力和病害，反映结构的实际情况，为决策提供参考意见，还可以为某桥型的设计提供实用和有价值的参考。

3.4对于健康监测系统的数据，需要根据运行状态、是否进行维护、采用什么样的维护方法、维护规模等，采取合理的方式对数据进行修复和加固。所有这些都可以在可靠性分析的基础上并经过经济和社会评价后决定。

3.5在设计之初，应充分考虑桥梁运营和维护过程中的问题。比如有些索系较细的斜拉桥在换索时必须合拢，所以设计上最好采用换索方便的密索体系。在确定维修加固方案时，经济比较的基准期也应该是桥梁的全寿命。

3.6斜拉桥是现代大跨度桥梁研究和应用的一个重要方面。在进行理论研究、计算分析和施工组织设计的同时，还应增加斜拉桥的维修投资。通过总结病害类型，分析病害成因，采取针对性的防治措施，避免或减少病害对桥梁运营造成的损失。