壺西大橋斜拉索拉力檢測與安全評估研究

王偉芳

摘要：斜拉索是支撐斜拉橋整個橋面板主梁的主要構(gòu)件，不論是在橋梁施工期間，還是營運(yùn)階段，將主導(dǎo)斜拉橋整體結(jié)構(gòu)的安全性。因此，利用斜拉索力學(xué)變化對斜拉橋安全進(jìn)行評估是可行的方法。文章以簡便的振動法進(jìn)行斜拉索振動試驗，并經(jīng)由斜拉索局部自然振動頻率推算索力，用以分析各鋼纜受力情形及評估斜拉橋的安全性。

關(guān)鍵詞：斜拉橋;拉索;檢測;安全評估

中圖分類號：U446 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.040

文章編號：1673—4874（2020）11-0145—03

0引言

斜拉橋通車后，斜拉索就成了安全維護(hù)最困難的主構(gòu)件之一。由于斜拉索的細(xì)長比相當(dāng)大，柔軟低阻尼，以及抗撓能力差，在風(fēng)致振動、常時車流，甚至在環(huán)境振動下都可能增加相當(dāng)大的反復(fù)撓曲應(yīng)力而導(dǎo)致疲勞損傷引發(fā)斷裂。斜拉索封口松動、錨定端錨受損，以及根部保護(hù)管破壞造成內(nèi)部絞線腐蝕等問題，皆大大地縮短斜拉索的壽命，甚至有可能影響到整座橋梁的安全。另外，車流與風(fēng)力等外力時刻作用于斜拉索上，即使將已損壞的鋼纜置換，也不能保證日后不再繼續(xù)發(fā)生同樣的損傷，斜拉索隨時會因振動而損壞。因此斜拉索在常時車流、偶時地震或臺風(fēng)的力學(xué)作用下，產(chǎn)生的疲勞現(xiàn)象、拉力損失變化等，都是斜拉橋潛在的危機(jī)，也是平常檢測維護(hù)或長期監(jiān)測的重點(diǎn)。

1項目概況及檢測安排

壺西大橋為柳州市區(qū)的跨江主橋，采用大跨徑雙塔雙索結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，橋塔為H型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主跨與邊跨各配置14組斜拉鋼纜，除兩跨最外側(cè)一組各為4根外，其余各組均為兩根鋼纜組合，共計60根鋼纜支撐整座橋梁。最靠近A1橋臺的鋼纜編號為B101與B101A，鋼纜B114則為邊跨內(nèi)最靠近P1橋塔的鋼纜;主跨內(nèi)最靠近P1橋塔的鋼纜為F114，而F101A與F101則是最靠近P2橋柱的鋼纜。整座斜拉橋斜拉鋼纜以單索面雙纜混合扇形配置。

本文將針對壺西大橋全部鋼纜在常態(tài)車流下進(jìn)行振動檢測，其中鋼纜分為兩種規(guī)格：一種是15.2mmφ，-ASTM A416—90a 270級的低松弛鋼絞索;另一種為15.7mmφ-BS-5896170級的第二級低松弛率鋼絞索。鋼纜型式分為Tyl3e A與Tyl3e B兩種，TypeA最大排列91支鋼絞索，共有46根;Type B最大排列61支鋼絞索，共有14根。合計60根鋼纜。

2斜拉索試驗與分析探討

在實際設(shè)計與施工中，計算鋼纜拉力的方法多是利用鋼纜自然頻率推得拉力值，因此檢測鋼纜拉力必須配合振動測量試驗，再由頻率反推拉力值。本文將針對壺西大橋全部鋼纜，在未封閉橋梁的常態(tài)車流下進(jìn)行振動檢測試驗，如圖1所示。

2.1鋼纜震動測量及分析

壺西大橋共有60根鋼纜分布全橋跨度內(nèi)，因受限于儀器頻道數(shù)與信號衰減等因素，將60根鋼纜分成15次依序進(jìn)行測量，每一次測量時間皆為10min，取樣頻率為100Hz，取樣點(diǎn)共60000點(diǎn)，其他鋼纜測量方式相同，以此類推。另外，受限于現(xiàn)場環(huán)境無法封閉車道與節(jié)省經(jīng)費(fèi)，因此，本試驗并未使用空中作業(yè)車，故鋼纜纜身測點(diǎn)僅設(shè)定在距橋面板高度2.5m處。另外，為不破壞鋼纜HDPE外套管，必須先依鋼纜外徑制作一對半圓形夾具，夾具上的平板可放置三個單軸向傳感器分別測量鋼纜三方向振動反應(yīng)。由于鋼纜振動量相當(dāng)大，配置在較低位置所測得的反應(yīng)雖較小，但并不影響分析結(jié)果。

2.2鋼纜拉力分析

為求得鋼纜振動頻率，可將測量所得振動歷時反應(yīng)經(jīng)由傅里葉變換求得各鋼纜的頻譜圖，分別為主跨內(nèi)靠南下車道側(cè)的較短索（F114R）、中長索（F107R）與長索（F101R）鋼纜的頻譜圖。由于鋼纜為圓形對稱斷面，因此，合理地推估鋼纜X向與y向的振動頻率應(yīng)相近，但存在于鋼纜的非線性效應(yīng)尚有所差異。另外，鋼纜Z向振動則容易受到橋面板互制參數(shù)振動的影響，而不易分析鋼纜低頻的振態(tài)。因此，由各頻譜圖中非常容易分析出鋼纜高振態(tài)自然振動頻率，相反的，前幾個低振態(tài)頻率反而較難判斷。這些情況都是因為橋面板振動所造成的干擾效應(yīng)，由于鋼纜與橋面板是連結(jié)在一起的，鋼纜可能測量到的振態(tài)頻率不僅是鋼纜局部振態(tài)，同時也包含橋面板振態(tài)。因此，通過同時測量鋼纜及橋面板振動的方式，過濾出鋼纜低頻部分的局部振態(tài)，以免有誤判鋼纜頻率的情況發(fā)生。

另外，本研究選取鋼纜X向前5個振動頻率計算靠南下車道側(cè)鋼纜與靠北上車道側(cè)鋼纜共60根的索力，計算方式包括：

（1）識別鋼纜前5個振態(tài)頻率，依弦理論分別計算索力，并取此5個索力的平均值作為該鋼纜拉力;（2）利用前5個頻率的頻率差值分別計算索力，并取此4個索力的平均值作為該鋼纜拉力;（3）使用前5個振態(tài)頻率依梁理論分別計算索力，并取此5個索力的平均值作為該鋼纜拉力。

若以梁理論計算值為基準(zhǔn)，比較各方法計算結(jié)果可知，此三種方法求得各索索力的差異性皆維持在0.5%范圍以內(nèi)，顯示此三種計算方式差異性并不大。但是，在鋼纜頻率判定方面，頻率差法較容易獲得正確的頻率值，不致誤判鋼纜局部頻率。因此，在實際應(yīng)用上，此三種計算索力的方法皆可使用，但取較多的振態(tài)頻率計算索力，再求其平均值應(yīng)是較可行的方法。另外，在計算過程中也發(fā)現(xiàn)，對于長索而言，如F101～F103等鋼纜，使用第一振態(tài)頻率以梁公式計算索力時，其結(jié)果與其他振態(tài)所計算出的結(jié)果差異較大，反而使用高振態(tài)頻率計算索力有較佳的收斂結(jié)果。這是因為長索的非線性效應(yīng)非常明顯，而且若是以非線性精算公式計算索力，長索被歸類到第二類或第三類索型，必須采用高振態(tài)計算索力，若僅利用第一振態(tài)頻率計算較長索的索力，可能會存在較大的誤差。因此，建議使用以上三種方法計算索力，取較多振態(tài)頻率計算索力再取平均值，應(yīng)可降低長索計算拉力造成的誤差。

3損傷評估

一般而言，結(jié)構(gòu)損傷定位的指標(biāo)常用的有模態(tài)曲率指標(biāo)、模態(tài)柔度指標(biāo)等，但這些指標(biāo)都有一個同樣的問題，即需要測量出橋梁的振動模態(tài)。因此，對現(xiàn)場測量技術(shù)與系統(tǒng)識別技巧方面的要求較高，同時，測量精度也較難掌握，尤其是需要高振態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)。上述損傷指標(biāo)方法雖可應(yīng)用于斜拉橋的損傷定位，但斜拉橋為高度靜不定結(jié)構(gòu)，復(fù)雜的鋼纜系統(tǒng)使得斜拉橋在建模與分析時，常因非線性效應(yīng)而造成極大的誤差，而此效應(yīng)也間接增加對斜拉橋安全評估的困難度。實際上，斜拉橋依其受力情形分析，橋面板主梁與鋼纜是較容易受損的主構(gòu)件，而鋼纜與橋面板連結(jié)在一起，兩者具有相當(dāng)大的關(guān)聯(lián)性。因此，若能通過鋼纜測量試驗獲得索力，并掌握鋼纜受力變化情形，應(yīng)可進(jìn)一步評估橋梁的安全性。鋼纜索力分布圖如圖2所示。

圖2為60根鋼纜利用梁理論計算的索力分布情形。理論上，同一位置的左右兩側(cè)鋼纜力量應(yīng)較為接近，但左右兩側(cè)差異性若超過某一容許誤差，則此處鋼纜可能有異常的現(xiàn)象。本文假設(shè)以5%為容許誤差，并以L側(cè)鋼纜拉力為計算基準(zhǔn)，若超過這一容許誤差值表示該鋼纜拉力存在異?，F(xiàn)象。如圖3所示，超過此一容許誤差的鋼纜為：B109R與B109L索相差33.40%;B111R與B111L索相差7.65%;B113R與B113L索相差6.99%;F101R與F101L索相差6.09%。另外，由圖3中亦可得知，若鋼纜索力異常，則TI值差異變化相當(dāng)大，故拉力指標(biāo)對損傷相當(dāng)敏感，應(yīng)適用于損傷指標(biāo)。因此，針對壺西大橋案例而言，對于以此種鋼纜排列方式的斜拉橋，可利用此拉力指標(biāo)作為損傷異常的分析參數(shù)，并合理地制定容許百分比誤差，當(dāng)同一位置左右兩側(cè)鋼纜力量超過這一誤差值，則須針對此鋼纜作進(jìn)一步檢測評估，而且鋼纜索力異常處的橋面板主梁也須一并檢測。

另外，圖4為各鋼纜第一個振態(tài)頻率分布比較圖，各振態(tài)頻率分布圖呈現(xiàn)近似鐘型分布。因此若有鋼纜頻率異常情況，則各振態(tài)頻率分布圖可能為非鐘型分布，也可依此初步評估損傷位置。但由圖4可知，若僅以此頻率分布情形作為損傷情況評估的依據(jù)，則可能不敏感。

4結(jié)語

本文主要是應(yīng)用現(xiàn)場微動試驗測量壺西大橋鋼纜振動反應(yīng)，求得鋼纜的各振態(tài)自然頻率值，再由簡單的拉力計算公式求得鋼纜預(yù)力近似值，評估斜拉橋鋼纜索力變化情形。另外，本文利用所有的已知鋼纜拉力值，建立一個評估索力異常的拉力指標(biāo)，通過這一指標(biāo)，可進(jìn)一步檢核主梁的安全性。因此，本文的結(jié)論如下：

（1）使用微動試驗即可求得鋼纜自然頻率，不須封閉橋梁，也不須以較昂貴的試驗方法進(jìn)行試驗，微動試驗較經(jīng)濟(jì)且方便。

（2）測量鋼纜振動時，建議測量鋼纜兩個以上的方向，并同時測量橋面板主梁的振動，可通過此方法正確地判斷出鋼纜各局部振態(tài)自然頻率，同時也可了解到橋面板主梁對鋼纜振動的影響。

（3）若僅以第一振態(tài)頻率計算拉力，可能會產(chǎn)生較大的誤差，尤其是對于中垂效應(yīng)非常明顯且索長非常長的鋼纜，應(yīng)屬于非線性精算公式分類的第二類或第三類型式，建議取前五個振態(tài)分別計算其拉力值，即可求得較佳的拉力收斂值。

（4）對于壺西大橋而言，若能求出各索力，則可經(jīng)由適當(dāng)?shù)睦χ笜?biāo)，進(jìn)行斜拉橋鋼纜拉力異常的評估，未來也可依此評估橋面板主梁損傷程度。