王偉芳

摘要：斜拉索是支撐斜拉橋整個(gè)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(duì)斜拉橋安全進(jìn)行評(píng)估是可行的方法。文章以簡(jiǎn)便的振動(dòng)法進(jìn)行斜拉索振動(dòng)試驗(yàn)，并經(jīng)由斜拉索局部自然振動(dòng)頻率推算索力，用以分析各鋼纜受力情形及評(píng)估斜拉橋的安全性。

關(guān)鍵詞：斜拉橋;拉索;檢測(cè);安全評(píng)估

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

文章編號(hào)：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(dòng)、常時(shí)車流，甚至在環(huán)境振動(dòng)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(dòng)、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(shí)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(shí)會(huì)因振動(dòng)而損壞。因此斜拉索在常時(shí)車流、偶時(shí)地震或臺(tái)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(cè)維護(hù)或長期監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。

1項(xiàng)目概況及檢測(cè)安排

壺西大橋?yàn)榱菔袇^(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(jì)60根鋼纜支撐整座橋梁。最靠近A1橋臺(tái)的鋼纜編號(hào)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(duì)壺西大橋全部鋼纜在常態(tài)車流下進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，其中鋼纜分為兩種規(guī)格：一種是15.2mmφ，-ASTM A416—90a 270級(jí)的低松弛鋼絞索;另一種為15.7mmφ-BS-5896170級(jí)的第二級(jí)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(jì)60根鋼纜。

2斜拉索試驗(yàn)與分析探討

在實(shí)際設(shè)計(jì)與施工中，計(jì)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(cè)鋼纜拉力必須配合振動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)，再由頻率反推拉力值。本文將針對(duì)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(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)，如圖1所示。

2.1鋼纜震動(dòng)測(cè)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(hào)衰減等因素，將60根鋼纜分成15次依序進(jìn)行測(cè)量，每一次測(cè)量時(shí)間皆為10min，取樣頻率為100Hz，取樣點(diǎn)共60000點(diǎn)，其他鋼纜測(cè)量方式相同，以此類推。另外，受限于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境無法封閉車道與節(jié)省經(jīng)費(fèi)，因此，本試驗(yàn)并未使用空中作業(yè)車，故鋼纜纜身測(cè)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(duì)半圓形夾具，夾具上的平板可放置三個(gè)單軸向傳感器分別測(cè)量鋼纜三方向振動(dòng)反應(yīng)。由于鋼纜振動(dòng)量相當(dāng)大，配置在較低位置所測(cè)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(dòng)頻率，可將測(cè)量所得振動(dòng)歷時(shí)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(duì)稱斷面，因此，合理地推估鋼纜X向與y向的振動(dòng)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(dòng)則容易受到橋面板互制參數(shù)振動(dòng)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(dòng)頻率，相反的，前幾個(gè)低振態(tài)頻率反而較難判斷。這些情況都是因?yàn)闃蛎姘逭駝?dòng)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(cè)量到的振態(tài)頻率不僅是鋼纜局部振態(tài)，同時(shí)也包含橋面板振態(tài)。因此，通過同時(shí)測(cè)量鋼纜及橋面板振動(dòng)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(gè)振動(dòng)頻率計(jì)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(jì)算方式包括：

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

若以梁理論計(jì)算值為基準(zhǔn)，比較各方法計(jì)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(jì)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(shí)際應(yīng)用上，此三種計(jì)算索力的方法皆可使用，但取較多的振態(tài)頻率計(jì)算索力，再求其平均值應(yīng)是較可行的方法。另外，在計(jì)算過程中也發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(jì)算索力時(shí)，其結(jié)果與其他振態(tài)所計(jì)算出的結(jié)果差異較大，反而使用高振態(tài)頻率計(jì)算索力有較佳的收斂結(jié)果。這是因?yàn)殚L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(jì)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(jì)算索力，若僅利用第一振態(tài)頻率計(jì)算較長索的索力，可能會(huì)存在較大的誤差。因此，建議使用以上三種方法計(jì)算索力，取較多振態(tài)頻率計(jì)算索力再取平均值，應(yīng)可降低長索計(jì)算拉力造成的誤差。

3損傷評(píng)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(gè)同樣的問題，即需要測(cè)量出橋梁的振動(dòng)模態(tài)。因此，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)與系統(tǒng)識(shí)別技巧方面的要求較高，同時(shí)，測(cè)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?yàn)楦叨褥o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(shí)，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(duì)斜拉橋安全評(píng)估的困難度。實(shí)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(cè)量試驗(yàn)獲得索力，并掌握鋼纜受力變化情形，應(yīng)可進(jìn)一步評(píng)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(jì)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(jì)算基準(zhǔn)，若超過這一容許誤差值表示該鋼纜拉力存在異常現(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(duì)損傷相當(dāng)敏感，應(yīng)適用于損傷指標(biāo)。因此，針對(duì)壺西大橋案例而言，對(duì)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(duì)此鋼纜作進(jìn)一步檢測(cè)評(píng)估，而且鋼纜索力異常處的橋面板主梁也須一并檢測(cè)。

另外，圖4為各鋼纜第一個(gè)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(píng)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(píng)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(chǎng)微動(dòng)試驗(yàn)測(cè)量壺西大橋鋼纜振動(dòng)反應(yīng)，求得鋼纜的各振態(tài)自然頻率值，再由簡(jiǎn)單的拉力計(jì)算公式求得鋼纜預(yù)力近似值，評(píng)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(gè)評(píng)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(dòng)試驗(yàn)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(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，微動(dòng)試驗(yàn)較經(jīng)濟(jì)且方便。

（2）測(cè)量鋼纜振動(dòng)時(shí)，建議測(cè)量鋼纜兩個(gè)以上的方向，并同時(shí)測(cè)量橋面板主梁的振動(dòng)，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(shí)也可了解到橋面板主梁對(duì)鋼纜振動(dòng)的影響。

（3）若僅以第一振態(tài)頻率計(jì)算拉力，可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，尤其是對(duì)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(gè)振態(tài)分別計(jì)算其拉力值，即可求得較佳的拉力收斂值。

（4）對(duì)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(píng)估，未來也可依此評(píng)估橋面板主梁損傷程度。