斜拉桥检测技术探讨？
1概述
中国交通运输业的快速发展为道路桥梁建设提供了良好的机遇。不同结构形式的大跨度悬索桥、斜拉桥、拱桥和连续刚构桥相继建成。目前，在役桥梁总数已达80多万座，标志着我国桥梁技术进入世界先进行列。然而，桥梁所处的环境相对恶劣，受到很多人为和自然灾害的影响，桥梁管理的缺失和有限的人力物力使得桥梁老化和损坏更加严重。为了满足交通需要，充分利用现有桥梁，安全服务社会，有必要对桥梁，特别是年久失修的桥梁进行评估，了解桥梁的工作状况，预测其承载能力。
这包括桥梁质量检测、结构检算，必要时进行荷载试验，称为桥梁检测评估。目的是了解桥梁存在的各种病害，获取关键部位的应力(应变)、变形、位移或沉降等重要数据，通过计算、分析和研究，确定桥梁结构的病害原因、实际承载能力和剩余寿命，为桥梁维修提供依据。通常桥梁结构的检测项目有:桥面系检测、钢筋混凝土和预应力混凝土梁或钢梁检测、砌体和钢筋混凝土拱及拱上建筑物检测、桥梁支座检测、桥梁下部结构检测、桥梁水文及整治结构检测、结构裂缝检测等。桥梁结构检查是以桥梁结构的相关规范、设计依据或竣工资料为依据，也可根据检查结果对桥梁结构的主要控制截面和薄弱部位进行检查，以评价桥梁结构的承载能力及其适用条件。桥梁荷载试验是对桥梁结构进行直接荷载试验的科学试验。在桥梁检测和结构计算结论的基础上，进行桥梁荷载试验，获取实测数据，分析评价桥梁承载能力。
2斜拉索索力的检测
斜拉桥的结构主要由三部分组成，斜拉桥主梁上的恒载和活载通过拉索传递给桥墩或桥台。索力检测包括索力检测、锚固区检测、索塔塔顶位移检测、主梁标高测量、典型部位日常变化跟踪观测等。斜拉索索力的检测是这种包含柔性构件的结构的特点之一。通过精确测量索力，可以全面掌握整个桥梁结构的受力状态。斜拉桥成桥后索力的检测方法有频率法、磁通量法和光纤光栅法。光纤光栅法中使用的传感器是用紫外光照射光纤的侧面或用其他方法写入，使这个范围内的折射率沿光纤轴向周期性变化，然后通过周期性变化的光栅反射波长的移动来感知外界物理量的变化。这种测量技术的特点是体积小、线性度高、重复性好、抗电磁干扰和腐蚀能力强、绝对测量和响应速度快。它是一种理想的高精度结构健康监测技术。但是目前这种方法还没有得到广泛的应用和推广，所以价格太高。
磁通量法是一种无损测量索力和监测斜拉索腐蚀程度的方法。这种方法的使用是预先将磁通环作为传感器放在倾斜的索上，通过测量磁通的变化，根据索力与磁通的关系计算索力。磁通法使用的传感器材料是电磁的，由两层线圈组成，所以不会影响电缆的任何机械物理特性，几乎不受除温度以外的其他干扰因素的影响，因此比其他检测方法具有更高的精度。缺点是不适用于没有嵌入式传感器的电缆测量。此外，传感器和测试仪器非常昂贵。大跨度斜拉桥的斜拉索一般有几百根甚至几百根。如果每根电缆都配备磁通量传感器，成本太高。目前有一种新型的磁通传感器，由两个半环组成。检测索力时，可随时随地扣在斜拉索外，可大大降低检测成本。而半环合成磁通传感器灵敏度很低，不稳定，还处于研制阶段，没有实际工程价值。
索力检测采用频率法，即通过加速度传感器拾取拉索在人工或环境激励下的随机振动信号，得到实时的时域图。然后通过FFT将时域图转化为斜拉索的频谱图，确定斜拉索的各阶固有频率。根据索力与固有频率的对应关系，得到实测索力。频率法是一种间接测量索力的方法，其准确性依赖于高灵敏度的拾振技术和索力与频率的精确关系。测试时，加速度传感器简单地固定在斜拉索上，可以同时检测单根或多根拉索的受力情况。由于不需要预埋传感器，不仅适用于在建桥梁，也适用于桥梁竣工检测和长期监测，特别是对于没有提前预埋其他传感器的旧桥检测，几乎是唯一的选择。无嵌入式加速度传感器，可重复使用，成本低，精度好，是当今应用最广泛的索力检测手段。用振动频率法求索力可以保证斜拉索的安全。因为斜拉桥的实际索力只有斜拉索极限强度的40%左右，只要斜拉索没有被腐蚀，锚固区没有松动或损坏，斜拉索一般不会有问题。然而，要完全了解斜拉索的工作状态还远远不够。现有的研究工作指出刚度、垂度、仰角、风力、雨雪等因素对自振频率有影响。为了正确把握拉索的索力，还应该考虑消除这些因素。
3号索塔顶部位移检测
斜拉桥桥面上的交通荷载、主梁自重和各种设施的重量都由传至索塔的拉索承担。斜拉桥的桥塔除了根部和基础的刚性固结外，没有其他约束。索塔自重的所有索力都是索塔的荷载。索力的作用是沿索的轴线，其水平分力是使塔水平移动。通常，索塔的平衡是利用塔轴对称两侧的索力来维持的。由于建筑材料的不均匀和施工过程中的误差，很难保证桥塔两侧索力的完全对称，从而导致桥塔偏移。因此，塔顶的定位是保证塔身有无偏移的重要措施。特别是考虑到索塔的长细比，索塔虽然有一定的刚度，但仍然是一个细杆件。根据结构分析，索塔可视为悬臂构件，索塔的位移最为显著。
索力变化对索塔水平位移的影响不可低估。此外，无论是钢塔还是混凝土塔，受温度影响都很大。我国大部分温度，比如冬夏之差、昼夜之差、白天阴阳之差，都会对索塔产生温度效应。进一步考虑风、雨、雪的影响，索塔顶部实际上是不停摆动的。利用现有的测量仪器，如全站仪、GPS等设备，检测索塔顶部的位移是没有问题的。但只有尽力排除这些综合因素，实测的索塔位移才是索塔的真实受力状态。
现有研究表明，在实际检测中，可以在典型时段内对塔顶进行连续跟踪测量，同时监测温度、风力、风向等环境数据。如果可能的话，最好检测相应斜拉索的索力，然后总结出塔顶位移与这些因素的关系，最后给出索塔塔顶位移的真实检测值。
4结构运行期间的模拟计算
桥梁结构仿真技术的应用越来越广泛，已经成为桥梁工程设计、施工监控和检测中不可或缺的重要环节。斜拉桥仿真计算是建立一个完整的能全面正确反映桥梁结构真实性的有限元仿真模型，根据斜拉桥的结构特点和力学特性进行计算分析，以代替部分实际工作，减少部分实际工程工作量。
在建立斜拉桥仿真模型的过程中，计算模式和计算理论的选择应能准确模拟承重构件的空间位置、尺寸、材料特性、连接形式和荷载作用。然后对全桥的结构效应进行了大规模的分析计算，得到了较为详细、准确、可靠的分析结果。在建模过程中，单元的合理选择和划分以及边界条件的正确模拟是真实反映桥梁实际状态的关键。基于有限元仿真模型的结构理论计算结果与斜拉桥实际检测结果的对比分析，可以相互验证，找出存在的误差，为以后的修正和更精确的建模提供依据，为以后的检测工作提供指导，从而达到代替部分斜拉桥检测工作的目的。
斜拉桥在结构运行过程中的仿真计算不仅要考虑正确的建模，还要考虑斜拉桥的动力因素。在斜拉桥的正常使用中，由于荷载和环境因素的影响，主梁的标高和索塔的位置并不固定。因此，在仿真计算中，有限元分析中各单元节点的坐标应根据实际工作状态进行调整。此外，随着时间的推移，材料会逐渐老化损坏，分析中也要考虑材料性能的下降。这些原因要求模拟计算必须与实际检测相结合，才能真实准确地反映斜拉桥的受力状态。
表1是一座斜拉桥从1997到2002年的五次高程测量结果。按照动力学建模的思路，在这五个时间段计算的有限元数据中，要根据实际检测值代入节点17的坐标，这才是桥梁的真实结构尺寸。
另外，建模过程中要考虑的动力参数有索塔(尤其是塔顶坐标)、索力等。只有综合这些因素，才能保证仿真分析得出的结论切实可行，有意义。
5研究展望
通过对斜拉桥实际受力状态的检测，可以为桥梁使用和维修加固的安全性和可靠性提供科学依据、积累和必要的技术数据。此外，通过建立斜拉桥健康档案数据库，可以进一步完善和发展桥梁结构的设计计算理论。
随着科学技术的发展，各种桥梁的设计和施工以及建筑材料的性能都在不断提高，但安全性仍然是一个不容忽视的问题。例如，斜拉索的寿命是斜拉桥安全的关键之一。人们最关心的是如何防止斜拉索的腐蚀，以及锚固区的结构损伤和抗疲劳性能。近年来，虽然斜拉索的防腐措施不断完善，锚固区结构的设计和施工方法也有所改进，但桥梁结构在很长一段时间内仍会经历风雨。因此，只有通过索力检测才能知道斜拉索的安全性是最可靠的。同样，对整个结构的检测仍然是今后保证桥梁安全的重要措施。
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