大跨缆索承重桥灾变模拟与监测关键技术

文 浙江大学 段元锋 浙大城市学院 张茹

随着信息化技术的迅猛发展，运用现代传感与通信技术对桥梁在复杂环境下的灾变行为模拟及实时监测，及时获取反映结构状况和所处环境的信息特征，进行一体化桥梁管养技术各方面的探索，对于促进我国交通强国的建设具有重要的意义。

大跨缆索承重桥梁由于优越的跨越能力和经济性，广泛应用于跨江、跨河、跨海湾和跨峡谷的重要交通工程，具有重要的社会、经济、军事意义。目前我国已建多座千米级大跨径悬索桥和主跨超过500米的斜拉桥，是世界上大跨径缆索承重桥梁最多的国家之一。

然而，由于该类结构体系复杂、规模较大，材料自身存在缺陷、施工偏差，在强风、重载、船撞、环境腐蚀等不利因素作用下，已建缆索承重桥梁容易出现各种病害，导致其出现桥梁线形变化过大、构件老化、破损等问题，使桥梁结构承载能力降低，甚至可能引起全桥垮塌，造成重大经济损失和人员伤亡。近年来，国内外桥梁安全事故频发，引发了社会对桥梁，特别是对大跨索承重桥安全问题的强烈关注。

灾变模拟技术

由于地震、台风、暴雪、火灾、撞击、爆炸等灾害作用，结构的倒塌破坏事故频发。如2001年9月美国纽约世界贸易中心双塔遭受飞机撞击，引发楼内大火，一号楼撞击层的上部结构倾斜倒塌，下部结构在倒塌冲击力的作用下接连发生破坏，导致整栋楼发生连续性倒塌；二号楼上部结构向下塌落，也发生连续性倒塌破坏，其余5座建筑物也因受震而坍塌损毁。2008年5月，我国四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县发生特大地震，导致房屋、桥梁等大面积倒塌。事实上由偶然事件造成的结构连续倒塌是一种低概率高损失的结构安全事故，这也使得结构倒塌破坏分析等灾变模拟技术越来越受到国内外学者的高度重视。

其中，结构连续倒塌的力学本质，是连续体到非连续体动态转化的过程，以及此过程中出现的非线性动力接触和碰撞，涉及几何、材料和接触三重非线性理论。

数值模拟的方法具有成本低、效率高和操作简便等特点，是研究结构连续倒塌行为的一种重要手段。倒塌破坏的数值模拟主要为有限单元法、离散单元法和向量式有限元法3种方法。

有限单元法是以变分理论和连体力学为基础的一种分析方法。针对连续构造体做有限元离散化处理，以便其行分析结构，这是目前解决科学和工程问题最常用的分析方法。然而，在求解大变形、非线性或非连续性等问题时，有限元方法仍存在着本质困难。离散单元法采用把不连续体采用分离的刚性元素模拟的方法可以处理不连续体的整体运动形态，但是由于离散元将单元的形心作为基本节点，形心之间的连接需要根据实际问题建立连接元，求解问题要求单元数目多，信息量大，计算时间长，对于复杂的问题，连接元的选取较为困难，在工程分析领域的应用范围也受到了一定限制。非连续变性分析法是以多组不连续物理面分割而成的块体系统为研究对象，利用最小势能原理建立平衡方程，并通过罚函数法求解的分析方法。该方法可以较好地模拟不连续介质的大变形和大位移的静力及动力问题。

针对既有数值模拟计算方法在结构行为分析中的不足，普渡大学丁承先教授基于向量力学与数值计算方法提出了向量式有限元法（Vector Form Intrinsic Finite Element简称“VFIFE”）的概念。该方法以结构的物理计算模型为基础，采用广义向量力学作为运动和变形的准则，以数值计算方法中常用的点值取代传统分析力学中的连续函数微分控制方程，以此作为结构行为描述的方式，故可以有效地处理结构的大变形、大变位、非线性、接触、断裂，多体耦合等复杂行为。

目前，VFIFE已应用于众多领域的模拟分析中，如输电塔地震倒塌模拟、空间结构模拟、膜结构及板壳结构模拟、船舶碰撞模拟、海域结构模拟等相关研究。浙江大学研究人员首次提出了向量式有限元纤维单元模型，充分利用向量式有限元自动考虑几何非线性和纤维单元考虑材料非线性的优点，实现了大跨索承桥大变形和倒塌的全过程模拟。

基于结构健康监测系统与数字孪生结合建立模型，结合人工智能、大数据、物联网等技术对检（监）测数据充分挖掘，将物理模型驱动与数据驱动方法相融合，实现监测模拟一体化，可以提高对结构服役状态的动态监测、实时预警、在线评估和智能管控技术水平。

向量式有限元灾变预测模块

灾变监测关键技术

索力监测技术

悬索桥的缆索体系及斜拉桥的拉索均为桥梁结构核心受力构件，它们的受力状态对于结构的安全和健康状态评估是至关重要的依据。因此，施工及运营阶段的钢索（束）受力监测对于确保结构安全具有重要的意义。传统的应力测量包括应变监测法、振动频率法、压力传感器法等，只能监测应力的相对变化量，且均有不同程度的局限性。因此，如何高精度、无损地测量钢索（束）的实际受力情况具有重要的研究意义与工程应用价值。

电磁弹式（EME）应力监测方法基于钢构件绝对应力与构件表面磁感应强度之间的量化关系，利用智能磁电传感元件精确测量磁信号，基于此设计结构与系统优化，实现了对钢构件的绝对应力监测。该项技术解决了钢索（束）在役绝对应力监测难题，实现了高精度（相对误差不超过1%）、长寿命、无损在线监测和检测，已成功用于泉州湾跨海大桥、椒江二桥等多项工程。

电磁弹式钢索束索力仪

拉索损伤监测技术

现有的拉索局部损伤无损监测方法主要有电磁探伤法、声发射法、超声导波法等。

电磁探伤法利用磁化装置将斜拉索磁化，通过电磁感应技术，根据钢丝绳损伤部位产生的磁信号来判断其损伤情况，还可以对缺陷损伤部位横截面积进行定量判断，该方法操作较为简单且成本低，但还需要解决周围环境、设备工作状态等干扰因素对测量结果的影响等问题。

声发射法的基本原理为，在材料的内部出现损伤的情况时，会形成瞬时弹性波，朝四周进行扩散和传播，其中的损伤部位也就是声发射的源头。声发射技术能够呈现出较好的灵敏性及实时性特征。有结果表明，经过连续时间、幅值、能量，以及时间相关点图等对损伤进行综合表征，不但能够实现对全过程损伤的跟踪，还能够准确找出断丝的位置，同时判断断丝信号及非断丝信号。声发射波形传播是一个极其复杂的过程，受材料性能、结构形式、边界条件、传感器特性等诸多方面影响，该方法目前在实际工程中推广引用存在较大困难。

超声导波法能够实现单点激励，长距离、高精度检测被广泛应用于拉索、管道等的局部损伤监（检）测中。研究人员提出了一种基于磁致伸缩传感器的超声导波拉索局部损伤监测法，实现了对拉索的局部损伤定位和损伤程度估计。该方法采用半解析有限元的方法研究了多丝结构的频散特性，选取了合适的激励信号频率；采用单发单收的方式获取了不同损伤状态下的导波信号；利用小波变换提取信号的有效成分，根据损伤回波信号的走势进行损伤定位，并通过计算直达波与反射回波信号的能量评估损伤程度。目前，该方法已成功应用于七芯钢绞线和大直径拉索的断丝、锈蚀监测中。

拉索锈蚀检测实验示意图

螺栓连接松动监测技术

螺栓连接作为一种常用的连接结构形式被广泛应用于土木工程、机械工程和航天工程中。螺栓连接控制着整个结构的连接紧固度，亦关系着整体结构的安全使用和有效运行。由于其使用位置、环境、温度、湿度等因素都制约着螺栓的紧固程度，所以在设计螺栓、使用螺栓时应保证其安全性和可靠性。

现有的螺栓连接松动监测法主要有压电阻抗法、振动法、超声导波法等。压电阻抗法需要阻抗分析仪等繁琐的实验设备，且价格昂贵，不适合现场随时监测；检测复杂结构时，需要使用大量传感器，不利于信号的储存、采集和分析。

振动法对于螺栓预紧力的变化并不敏感，导致该技术的监测灵敏度较差。超声导波法基于信号的能量变化能够很好地反映螺栓的紧固状态，被认为具有极大的工程应用潜力。相比于目前广泛采用的压电式兰姆波传感器，磁致伸缩式剪切波传感器具有安装方便、造价低、信号稳定、受环境因素影响小等特点。采用单发单收的方式从连接结构一侧激发超声导波，另一端接收，利用直达波信号的能量变化表征连接区域的有效接触面积变化，从而评估螺栓的紧固状态。通过对比有限元仿真与实验测试结果，重合度较高，均能够准确预测螺栓群的损伤状态。

螺栓连接松动监测实验示意图

未来技术展望

数字孪生技术作为能够实现虚实空间交互的先进技术，突破了传统仿真及试验条件限制，实现以最快速度、最优成本掌握结构的实际运行状态，为大跨缆索承重桥梁等结构的运维智能化提供了新的途径和契机。基于结构健康监测系统与数字孪生结合建立模型，结合人工智能、大数据、物联网等技术对检（监）测数据充分挖掘，将物理模型驱动与数据驱动方法相融合，实现监测模拟一体化，可以提高对结构服役状态的动态监测、实时预警、在线评估和智能管控技术水平。

台风、地震、重载和温度变化等因素对大跨度桥梁变形影响很大。实时监测大跨度桥梁变形，获取其工作状态,是保障桥梁安全的重要手段。然而，目前还没有可以高效实时监测桥梁动态绝对位移的仪器设备。建立一个实时、自动化、高精度的绝对位移监测系统，也是未来发展的重要趋势。