摘要：为了掌握桥梁在各种工作环境下的结构行为和状态，并利用监测信息及早发现桥梁的异常或 损伤，在总结了多座斜拉桥病害特点的基础上，以1座典型斜拉桥的有限元模型模拟了多种可能的 损伤情形，并通过计算得到各种损伤情况下的结构动、静力反应及其变化。通过对损伤引起的结构 变化和现代监测技术的工作性能及环境对结构行为影响的比较，调查典型桥梁健康监测方法的适 用性。结果表明：以目前的监测手段获得的数据难以用来实现桥梁的损伤预警。
引 言
近10年来，大型复杂结构的健康监测引起了广泛的关注。在这一领域，先进的测试传感器和监测技术发展迅猛。在传统检测技术基础上，新型传感技术正朝着更智能、更精确、更稳定、小尺寸和可远程控制的方向发展。光纤光栅传感、微电机系统(MEMS)和全球定位系统(GPS)等技术在结构健康监测系统的应用中显示了很大的潜力。目前，世界上一些大跨度桥梁已经设计并安装了长期健康监测系统。建立桥梁健康监测系统的目的之一是获得对结构行为和状况的全面了解，如发现早期损伤。然而，就目前大量采用的监测方法和技术而言，很难确定是否能够利用监测信息及时准确地诊断出结构的异常或损伤。事实上，现行桥梁健康监测方法和监测技术的适用性至今尚未在实践中得到评估，故笔者从现行桥梁健康监测技术方面对桥梁损伤诊断的适用性进行研究。
近10年来，大型复杂结构的健康监测引起了广泛的关注。在这一领域，先进的测试传感器和监测技术发展迅猛。在传统检测技术基础上，新型传感技术正朝着更智能、更精确、更稳定、小尺寸和可远程控制的方向发展。光纤光栅传感、微电机系统(MEMS)和全球定位系统(GPS)等技术在结构健康监测系统的应用中显示了很大的潜力。目前，世界上一些大跨度桥梁已经设计并安装了长期健康监测系统。建立桥梁健康监测系统的目的之一是获得对结构行为和状况的全面了解，如发现早期损伤。然而，就目前大量采用的监测方法和技术而言，很难确定是否能够利用监测信息及时准确地诊断出结构的异常或损伤。事实上，现行桥梁健康监测方法和监测技术的适用性至今尚未在实践中得到评估，故笔者从现行桥梁健康监测技术方面对桥梁损伤诊断的适用性进行研究。
1斜拉桥的病害
20多年来，中国建成的索支承桥梁已有200多座。这里，结合中国于1995年启动的国家“攀登计划B(85—40)”项目的调查结果和收集到的近20座斜拉桥的调查资料，对中国斜拉桥的主要病害与退化特征进行总结。
拉索是斜拉桥结构中最易发生损伤的部位。在所调查的斜拉桥中，有75％的桥梁存在拉索问题。钢丝或钢绞线的锈蚀是拉索病害的主要类型。图1为黄河上某斜拉桥的拉索锈蚀情况。引起拉索锈蚀的主要因素包括氧气、水、电化电位、持续作用的拉应力等。早期的拉索防护系统大多由铁皮护套和注浆组成，防护系统容易破损；近十几年普遍采用的热挤高密度聚乙烯(PE)护套因在安装和使用阶段易划伤和老化而不能保证钢索不受侵蚀。另外，风和车辆荷载引起的拉索振动会使防护系统的磨耗和损伤加剧，容易导致空气和雨水侵入钢索内部。一旦钢索锈蚀，拉索的疲劳强度会大大下降。最严重的事故发生在广州海印桥，该桥建成7年后，1根拉索于1995年突然断裂(图2)。其他经常发生的情况包括钢护套的破裂和因蠕变引起的拉索松弛，这些缺陷最终将导致钢索的锈蚀。
在斜拉桥的主梁和塔身经常会发现一些局部损伤或缺陷。例如，某些钢一混凝土叠合梁的混凝土桥面板上发现为数众多的裂缝，裂缝宽度大多在0．05～O．10 mm之间。对于混凝土箱型梁，由于顶板局部抗弯能力不足或由于车辆超重，顶板上的裂缝也较常见。较为严重的是，由于腹板抗剪强度不足，混凝土腹板会出现斜裂缝(图3)。箱梁横隔板上也常见竖向裂缝。对于钢主梁，虽然拼接焊缝是较薄弱的部位，但是经常发生的问题却是钢桥面和沥青铺装层之间的滑移。混凝土桥塔的主要病害是塔身竖向裂缝和局部钢筋锈胀。
某些桥梁的附属设施，如伸缩缝和泄水管等也发现存在不同程度的退化。这些退化不仅影响桥梁的使用性能，而且可能影响主要结构部件的耐久性。
上述斜拉桥的退化和损伤情况在其他国家也同样存在。文献[5]中在调查了世界范围内近100座斜拉桥后，特别强调了拉索的锈蚀问题。需要注意的是，所发现的斜拉桥的病害和退化大多数出现得比预期要早。
2损伤引起结构状态变化的计算模拟
在观察到的斜拉桥结构病害与退化现象的基础上，利用1座典型斜拉桥的有限元模型进行计算分析，了解损伤引起的结构状态的变化。
2．1 数值模型
考虑一双塔双索面斜拉桥有限元模型(图4)。桥跨布置为90 m+126 m-F588 m+126 m+90 m，桥宽38．5 m。主梁由钢箱梁和钢筋混凝土桥面板组成；桥塔为混凝土结构，从基础到塔顶总高201．2 m；每个索面有22对拉索，全桥共176根。利用有限元方法进行非线性静力分析，考虑拉索的无抗压性、塔梁β-δ效应及大变形等非线性因素。从静力分析后的桥梁几何、刚度状态出发，进行结构的模态分析和线性(非线性)动力反应分析。
参考第1节中所述的斜拉桥病害与退化情况，结合斜拉桥模型本身的力学特点，模拟了8种结构的损伤工况，损伤情形见表1，损伤位置见图4。由于直接模拟斜拉桥的真实损伤和退化非常困难，因此在损伤模拟时假定损伤发展到足以使结构刚度和内力发生变化的程度。在各损伤工况中，D1、D2和D3模拟拉索的腐蚀退化；D4模拟拉索松弛。在损伤工况D1、D2的结构分析中，考虑到钢索面积减小只影响拉索应力而不影响拉力，因此其恒载拉力保持不变。损伤工况D5、D6分别模拟主跨跨中和近左塔区域主梁截面竖向抗弯刚度的减少。工况D7、D8分别模拟主梁梁肋斜裂缝损伤和辅助墩支座因地震导致的损坏。
2．2 损伤对结构的影响
损伤会引起桥梁静力平衡位置的变化。表2为模型损伤所致的部分结构空间变位，包括左塔塔顶沿桥轴线方向的水平变位和跨中主梁竖向变位。所有损伤工况下塔顶水平变位不超过5 mm；跨中主梁最大竖向变位发生在损伤工况D3，约2 cm。损伤同样会引起结构内力重分布，进而改变斜拉索恒载索力和梁、塔应力场。图5为主梁和桥塔某些区域因损伤引起的应力变化。可见，主梁应力变化小于O．4 MPa，塔根应力变化小于O．25 MPa。表3为损伤引起的部分斜拉索恒载索力的相对变化：除损伤拉索本身外，其余拉索索力变化均小于2％；最大索力变化为损伤工况D3的C8索，相对变化为1．77％。
损伤会引起桥梁静力平衡位置的变化。表2为模型损伤所致的部分结构空间变位，包括左塔塔顶沿桥轴线方向的水平变位和跨中主梁竖向变位。所有损伤工况下塔顶水平变位不超过5 mm；跨中主梁最大竖向变位发生在损伤工况D3，约2 cm。损伤同样会引起结构内力重分布，进而改变斜拉索恒载索力和梁、塔应力场。图5为主梁和桥塔某些区域因损伤引起的应力变化。可见，主梁应力变化小于O．4 MPa，塔根应力变化小于O．25 MPa。表3为损伤引起的部分斜拉索恒载索力的相对变化：除损伤拉索本身外，其余拉索索力变化均小于2％；最大索力变化为损伤工况D3的C8索，相对变化为1．77％。
斜拉桥模型前55阶振型的频率范围为O～5 Hz。与原结构状态相比，损伤引起部分振型曲线的轻微变化，少数振型的阶次顺序略有变化。所有损伤工况的振动频率相对变化均小于2％，其中工况Ds～Ds的频率相对变化均小于1．3％。频率相对变化最明显的是工况D3，表4为该工况在前55阶振型中频率相对变化最大的8阶振型频率及其相对变化。工况D4的所有振型的频率改变量均小于O．3％；工况D7、D8的最大频率相对变化也分别仅为O．66 %和O．34％。
3桥梁监测技术的适用性
在目前已建成或正在开发中的桥梁健康监测系统中，典型的监测项目有：①环境和交通条件，如风、地面运动、交通荷载和温度等；②桥梁整体状况，如基础沉降、变形、振动和索(吊杆)拉力等；③桥梁局部状况，如应力场、局部缺陷和耐久性等。对特定桥梁，可根据具体情况和要求增删一些监测项目。下文中通过对第2节的模拟数据、目前监测技术的性能指标以及桥梁行为的环境变异性的对比，探讨桥梁监测技术的适用性。
在目前已建成或正在开发中的桥梁健康监测系统中，典型的监测项目有：①环境和交通条件，如风、地面运动、交通荷载和温度等；②桥梁整体状况，如基础沉降、变形、振动和索(吊杆)拉力等；③桥梁局部状况，如应力场、局部缺陷和耐久性等。对特定桥梁，可根据具体情况和要求增删一些监测项目。下文中通过对第2节的模拟数据、目前监测技术的性能指标以及桥梁行为的环境变异性的对比，探讨桥梁监测技术的适用性。
3．1形变和变位
大跨度桥梁形变和变位监测的仪器主要有全站仪、GPS、液位计等。目前最好的全站仪测距精度为1 mm+1×10^-6D，测角精度为O．5”。GPS的实时静态测量基线精度可达到5 mm+O．5×10^-6D，甚至更高；但是，从健康监测的要求出发，如果比较损伤所致的结构变位、仪器测量精度以及车辆等环境激励引起的桥梁变位(表5)，不难看出，从大桥的形变和变位测量结果来发现结构的损伤是非常困难的。
3．2应力和应变
振弦应变计和光纤光栅应变计是桥梁应力(应变)监测的常用设备。实际应用中，应变测量的精度为3×10^-6～5×10^-6 。表6为损伤所致的结构局部应变、仪器测量精度以及车辆等环境因素引起的结构局部应变。可见，一般的损伤引起的应变变化与测量精度相当，但车辆等环境因素引起的应变比损伤引起的结构局部应变更大。
振弦应变计和光纤光栅应变计是桥梁应力(应变)监测的常用设备。实际应用中，应变测量的精度为3×10^-6～5×10^-6 。表6为损伤所致的结构局部应变、仪器测量精度以及车辆等环境因素引起的结构局部应变。可见，一般的损伤引起的应变变化与测量精度相当，但车辆等环境因素引起的应变比损伤引起的结构局部应变更大。
3．3 索 力
斜拉索索力测试的最可靠且实用的方法是振动频率法。对于大跨度斜拉桥的拉索，振动频率法的索力测量误差约为3％。新型的磁弹仪用于索力测试时误差为5％～15％。本文中模拟计算的结果表明：即使严重的梁塔损伤或拉索锈蚀松弛，索力变化也比测量误差小得多(松弛的拉索自身除外)。
斜拉索索力测试的最可靠且实用的方法是振动频率法。对于大跨度斜拉桥的拉索，振动频率法的索力测量误差约为3％。新型的磁弹仪用于索力测试时误差为5％～15％。本文中模拟计算的结果表明：即使严重的梁塔损伤或拉索锈蚀松弛，索力变化也比测量误差小得多(松弛的拉索自身除外)。
3．4振 动
在目前桥梁健康监测理论研究中，结构异常诊断和损伤识别方法主要依赖于振动信息。从本文中的模拟计算结果可见，由于斜拉桥整体低频振动的空间波长通常远远大于损伤所蔓延的区域，因此桥梁振动频率受损伤的影响非常小，其变化与频率测量分辨率相当，甚至更小；而另一方面，交通荷载和环境温度变化却可能引起大桥振动频率在1 d内的变化达1％。另外，由于测量误差的存在和测点不足，振型的测试精度通常较差。这些问题的存在使得从受多种因素影响的振动测量数据中提取反映结构损伤的信息变得更加困难。
4 结语
以监测结构健康状况为目的的桥梁监测系统已在多座桥梁上开发运行，但从本文中的计算和分析结果来看，似乎很难借助监测系统来实现桥梁早期损伤的预警，至少很难由监测数据直接进行结构损伤诊断。事实上，目前的桥梁健康监测技术所具备的测量精度与结构损伤引起的各种响应的变化相当，而环境和运营条件导致的各种监测数据的变异性常常大于损伤引起的变化，因此，现有的桥梁健康监测技术及手段有待进一步改进及提高
