基于损伤分析的斜拉索监测传感器布设研究

杨春霞，王泽仁，程丽荣，晋民杰

( 太原科技大学交通与物流学院，太原 030024)

斜拉索是斜拉桥的主要受力构件，为保证其抗腐蚀性，需在设计阶段进行防腐处理，如在单根钢绞线或钢丝外涂环氧树脂、镀锌及热挤聚乙烯(PE)护层等，在多根防腐钢绞线外套高密度聚乙烯(HDPE)护套管。然而，在实际工程中，护套容易在运输、施工及检测中破损，加上风雨激振、荷载、温度、环境等联合作用，护套老化处或缺陷处迅速劣化，导致钢丝或钢绞线锈蚀。斜拉索锈蚀乃至钢丝断裂使得受力面积变小，单根拉索应力增加。斜拉索是高次超静定结构，某一根或几根拉索应力增加将导致索力重新分布及主梁结构内力状态改变。因此，对斜拉索进行监测是斜拉桥健康监测的重要内容[1]。

现阶段，国内外斜拉桥健康监测研究主要集中在以下领域[2-5]：新型传感、传输和系统集成技术的研发，数据采集、信号处理和结构状态评估方法研究。针对索力监测[6-8]，也相应体现在上述两个领域，一方面是磁通量传感器、光纤传感器、振动法等在索力测量方面的研究和应用；另一方面是利用索力变化进行结构损伤识别。上述研究大多没考虑拉索自身损伤对桥梁主体结构带来的影响，对索力监测位置的布置也仅仅停留在经验上，考虑到长索受到的振动较大，短索受到的拉力较大，所以传感器应布设在长索和短索上[9]。

上述对拉索监测的思考是静态的，本文从动态方面进行分析，通过有限元模型，分析每根拉索锈蚀对拉索系统及桥梁结构产生的影响，确定相对敏感的拉索。在此位置进行监测，能让监测系统更加适应现实环境和实用。

1 斜拉桥有限元建模

本桥为双塔三跨双索面预应力混凝土斜拉桥，桥跨布置为195+480+195=870 m,桥面宽17.8 m.标准段主梁采用T型截面，宽5.78 m，高2.5 m.标准段横梁采用T型截面，宽4 m，高1.1 m.索塔为钢筋混凝土结构,单箱单室截面,承台以上塔高121 m.斜拉索为热挤聚乙烯低松弛高强钢丝拉索，直径为7 mm，标准强度为1670 MPA.主桥各塔共布置27对索，其中，型号PESH7-265为3对，型号PESH7-211为2对，型号PESH7-199为6对，型号PESH7-187为5对，型号PESH7-139为5对，型号PESH7-151为6对；全桥共216根斜拉索。主梁、横梁混凝土标号为C55，索塔混凝土标号为C50，桥墩混凝土标号为C40.主筋采用HRB335，其它采用R235(Q235)钢筋。 预应力钢铰线为高强低松弛预应力钢铰线，公称直径15.24 mm，标准强度1860 MPa.

利用Midas Civil建立斜拉桥的平面杆系有限元模型，主梁和索塔采用梁单元进行模拟，斜拉索采用只受拉桁架单元模拟。索塔与承台为弹性连接，主梁与桥台为弹性连接中的刚性连接。静力学分析时，荷载考虑自重、二期恒载、温度荷载、制动力、风荷载和船撞力等。斜拉桥有限元分析三维视图如图1所示。

图1 双塔三跨双索面预应力混凝土斜拉桥有限元模型
Fig.1 The finite element model of double tower three-span double-cable prestressed concrete cable-stayed bridge

2 损伤敏感分析

2.1 拉索损伤对周边拉索索力产生的影响

双索面斜拉桥具有对称性，因此，在对单根拉索损伤进行分析时，选择左侧桥塔单面索，索编号分别为1-27,29-55，共54根索。锈蚀损伤用拉索面积折减来表示，因为在现有斜拉桥检测规范中，拉索锈蚀面积损伤超过10%就要进行换索，因此不考虑面积折减大于10%的情况，考虑面积折减1%，5%和10%三种情况。

首先，分析单根拉索不同程度损伤对周边拉索索力产生的影响。以拉索1、拉索4、拉索7为例，损伤1%、5%和10%以后，周边拉索索力增幅最大的前10拉索情况见表1-表3.从表可知，拉索1损伤后，同一侧附近拉索索力增加，且基本符合靠得越近索力增加越大的规律，另外，桥的同一侧，另一个桥塔同侧56、57号索索力也增加了。53、54、55与1、2、3对称。损伤程度越厉害，周边拉索索力增加程度越大，比如拉索1损伤10%时，拉索3索力增加最大，达到0.0762%.拉索4和拉索7基本符合类似的规律，部分拉索序号有所变化，但总体趋势不变。

表1 拉索1损伤后周边拉索索力增幅情况
Tab.1 The increase of the cable force of the surrounding cables after 1 cable damage

拉索序号损伤0.01/%拉索序号损伤0.05/%拉索序号损伤0.1/%30.007 530.037 730.076 220.007 420.037 220.075 140.006 640.033 340.067 350.005 950.029 650.059 960.005 260.026 060.052 570.004 370.021 970.044 280.003 680.018 480.037 1560.003 0560.015 0560.030 590.002 890.013 990.028 21110.002 51110.012 81110.026 0

受篇幅影响，不能详细给出54根拉索损伤模拟结果，下面通过图2说明各拉索损伤10%时，周边拉索索力的变化情况。通过两个指标来描述索力变化，一个是max,反映某拉索变化时，周边拉索索力最大增加程度；一个是avg,反映周边拉索索力增加前10位的平均值。横坐标为拉索编号。

表2 拉索4损伤后周边拉索索力增幅情况
Tab.2 The increase of the cable force of the surrounding cables after 4 cable damage

拉索序号损伤0.01/%拉索序号损伤0.05/%拉索序号损伤0.1/%10.003 510.017 510.034 8 20.002 8 20.013 5 20.026 1 50.002 2 50.009 8 50.017 2 60.001 8560.008 2560.016 4 30.001 6 60.008 1 60.014 0 560.001 630.007 4 570.014 0 570.001 4 570.007 0 30.012 6 70.001 4 580.006 1 580.012 3 580.001 2 70.006 1 1110.011 5 1110.001 2 1110.005 8 70.010 4

表3 拉索7损伤后周边拉索索力增幅情况 Tab.3 The increase of the cable force of the surrounding cables after 7 cable damage

拉索序号损伤0.01/%拉索序号损伤0.05/%拉索序号损伤0.1/%10.003 210.016 1 10.032 1 20.003 0 20.015 120.030 030.002 530.012 030.023 750.001 850.008 550.015 980.001 780.007 980.014 140.001 340.006 340.011 890.001 2560.005 7 560.011 3560.001 190.005 2570.009 660.001 01150.004 81150.009 31150.001 0570.004 890.008 9

从图2可以看出，拉索最大增加程度呈W形，拉索损伤后引发周边索力增加程度最大的拉索为27号索(0.4665%)，位于塔内侧，其次为29号(0.4598%)等。这说明索塔周边的拉索损伤更容易引起索力增加，这与现阶段认为短索受力不利是一致的。除了短索外，出现了左右两个波峰，顶点所代表索分别为17号索和39号索。在结构设计阶段，12-16号索采用的是187号索，17-19号索采用的是151号索，17号索位于变化点，对索力变化更为敏感。因此，在传感器布置时，应该考虑拉索型号变化的拉索，特别是从粗变到细的阶段。W形状之外的其他区域变化不大。平均值趋势和最大值趋势大致相同，但没有最大值变化明显，说明最大值变化更为敏感，在监测中需重点关注。

图2 单根拉索损伤导致周边拉索索力变化情况
Fig.2 The variation of the surrounding cables tension caused by a single cable damage

本案例中，选择变化程度在0.3%以上的几根拉索为敏感拉索，分别是17、25、26、27、28、29、30、39，在传感器布设时需要重点考虑它们。

2.2 拉索损伤对主梁纵向位移影响分析

拉索锈蚀，索力重新分布后，主梁结构内力也会发生变化，因此需进一步分析主梁竖向位移。图3为成桥状态变形图，从中可以看出，当拉索截面折减后，竖向位移最大处位于中间区域，有时在158号节点，有时在159号或160号节点。

图3 拉索损伤对主梁纵向位移的影响
Fig.3 The influence of cable damage on the longitudinal displacement of the main girder

图4为拉索1、拉索17和拉索27各损伤1%，5%，10%对竖向位移的影响。对拉索1，因锈蚀引起面积折减达到1%时，桥梁中间竖向位移增加0.01%左右，折减5%时，竖向位移增加0.045%左右，折减10%时，竖向位移增加0.09%左右。对同一拉索，面积折减越多，竖向位移增加越大，拉索17和拉索27有同样的趋势。拉索27离左边索塔最近，因此，面积折减造成的竖向位移影响要小于拉索17和拉索1.

图4 拉索1、17、27面积折减对竖向位移产生的影响
Fig.4 Influence of area reduction of cables 1,17 and 27 on vertical displacement

受篇幅影响，不能详细给出54根拉索损伤模拟结果，下面通过图5说明各拉索损伤10%时，桥梁竖向最大位移增加程度情况。从图看出，以左侧索塔为界，左边拉索1-27号拉索面积折减，会使得竖向位移增加，右边拉索29-55号面积折减，会使得竖向位移减少。变化较多的点在拉索8、9、10和拉索45、46、47.索力监测应该多关注这些拉索。

图5 单根拉索面积折减10%对桥梁竖向位移产生的影响
Fig.5 The influence of 10% reduction of single cable area on the vertical displacement of bridge

3 索力传感器布设

位于健康监测系统的最前端的是传感器系统，对数据采集的准确性、有效性有着重要影响。健康监测系统是否可靠、有效及实用是由传感器系统的合理选型与优化设计决定的。从作用监测方面，桥梁传感器包括风速风向传感器、环境温度湿度传感器、结构温度传感器等；从响应监测方面，包括位移监测、结构动力特性监测、应力监测、斜拉索索力监测等。目前索力测试方法有光纤光栅智能索、磁弹索力仪、压力传感器、振动法等，各方法各有优缺点，可根据桥梁在建或在役的情况和主要投资额进行选择。本文主要研究斜拉索索力监测传感器的布设。

索力监测点一般布置在短索和长索，主要考虑短索拉力大，长索振动大。但根据前文有限元分析结果，实际情况要更复杂一些。考虑拉索锈蚀损伤对周边索力产生的影响，较为敏感的拉索为17、25、26、27、29、30、39，其中，拉索25、26、27、30为索塔附近的短索，拉索17和拉索39则为拉索直径变小的临界点。事实上大型斜拉桥拉索的直径并非一致，而是根据受力情况在不同位置选择直径不同的拉索，因此要特别注意拉索直径变化的地方。考虑拉索损伤对桥梁竖向位移的影响，变化较多的点在拉索8、9、10和拉索45、46、47，这几根拉索既不是短索也不是长索，而是拉索直径有变化的地方，因此，也应该布设索力监测点。同时因为拉索1、2号和拉索54、55最长，即使这几根拉索面积折减引起的变化小于其他拉索，但也要考虑振动影响。综合考虑，文中所述案例应该在拉索1、2、8、9、10、17、25、26、27、29、30、39、45、46、47、54、55上布置索力监测传感器。文中所述仅为左边索塔的一面，根据对称性，应该在右边索塔和桥梁的另外一面的相应拉索处布置索力传感器。

4 结 论

斜拉桥索力监测是斜拉桥健康监测系统的重要部分。现阶段索力监测点一般布置在短索和长索，这种布设方法没有考虑到拉索锈蚀以及拉索直径变化对桥梁整体安全产生的影响。通过本文的研究表明，拉索的损伤对周边拉索索力及主梁纵向位移产生极大的影响。因此在进行传感器布局的时候应该布置在引起拉索损伤的敏感部位，比如拉索直径变化的地方，但也要考虑振动影响。在敏感拉索处布置传感器，能反映拉索锈蚀对系统产生的影响，是对桥梁健康监测系统的重要组成部分。