大跨纜索承重橋?yàn)?zāi)變模擬與監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

文 浙江大學(xué) 段元鋒 浙大城市學(xué)院 張茹

隨著信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展，運(yùn)用現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)對(duì)橋梁在復(fù)雜環(huán)境下的災(zāi)變行為模擬及實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)獲取反映結(jié)構(gòu)狀況和所處環(huán)境的信息特征，進(jìn)行一體化橋梁管養(yǎng)技術(shù)各方面的探索，對(duì)于促進(jìn)我國交通強(qiáng)國的建設(shè)具有重要的意義。

大跨纜索承重橋梁由于優(yōu)越的跨越能力和經(jīng)濟(jì)性，廣泛應(yīng)用于跨江、跨河、跨海灣和跨峽谷的重要交通工程，具有重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、軍事意義。目前我國已建多座千米級(jí)大跨徑懸索橋和主跨超過500米的斜拉橋，是世界上大跨徑纜索承重橋梁最多的國家之一。

然而，由于該類結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、規(guī)模較大，材料自身存在缺陷、施工偏差，在強(qiáng)風(fēng)、重載、船撞、環(huán)境腐蝕等不利因素作用下，已建纜索承重橋梁容易出現(xiàn)各種病害，導(dǎo)致其出現(xiàn)橋梁線形變化過大、構(gòu)件老化、破損等問題，使橋梁結(jié)構(gòu)承載能力降低，甚至可能引起全橋垮塌，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。近年來，國內(nèi)外橋梁安全事故頻發(fā)，引發(fā)了社會(huì)對(duì)橋梁，特別是對(duì)大跨索承重橋安全問題的強(qiáng)烈關(guān)注。

災(zāi)變模擬技術(shù)

由于地震、臺(tái)風(fēng)、暴雪、火災(zāi)、撞擊、爆炸等災(zāi)害作用，結(jié)構(gòu)的倒塌破壞事故頻發(fā)。如2001年9月美國紐約世界貿(mào)易中心雙塔遭受飛機(jī)撞擊，引發(fā)樓內(nèi)大火，一號(hào)樓撞擊層的上部結(jié)構(gòu)傾斜倒塌，下部結(jié)構(gòu)在倒塌沖擊力的作用下接連發(fā)生破壞，導(dǎo)致整棟樓發(fā)生連續(xù)性倒塌；二號(hào)樓上部結(jié)構(gòu)向下塌落，也發(fā)生連續(xù)性倒塌破壞，其余5座建筑物也因受震而坍塌損毀。2008年5月，我國四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣發(fā)生特大地震，導(dǎo)致房屋、橋梁等大面積倒塌。事實(shí)上由偶然事件造成的結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌是一種低概率高損失的結(jié)構(gòu)安全事故，這也使得結(jié)構(gòu)倒塌破壞分析等災(zāi)變模擬技術(shù)越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視。

其中，結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的力學(xué)本質(zhì)，是連續(xù)體到非連續(xù)體動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化的過程，以及此過程中出現(xiàn)的非線性動(dòng)力接觸和碰撞，涉及幾何、材料和接觸三重非線性理論。

數(shù)值模擬的方法具有成本低、效率高和操作簡便等特點(diǎn)，是研究結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌行為的一種重要手段。倒塌破壞的數(shù)值模擬主要為有限單元法、離散單元法和向量式有限元法3種方法。

有限單元法是以變分理論和連體力學(xué)為基礎(chǔ)的一種分析方法。針對(duì)連續(xù)構(gòu)造體做有限元離散化處理，以便其行分析結(jié)構(gòu)，這是目前解決科學(xué)和工程問題最常用的分析方法。然而，在求解大變形、非線性或非連續(xù)性等問題時(shí)，有限元方法仍存在著本質(zhì)困難。離散單元法采用把不連續(xù)體采用分離的剛性元素模擬的方法可以處理不連續(xù)體的整體運(yùn)動(dòng)形態(tài)，但是由于離散元將單元的形心作為基本節(jié)點(diǎn)，形心之間的連接需要根據(jù)實(shí)際問題建立連接元，求解問題要求單元數(shù)目多，信息量大，計(jì)算時(shí)間長，對(duì)于復(fù)雜的問題，連接元的選取較為困難，在工程分析領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也受到了一定限制。非連續(xù)變性分析法是以多組不連續(xù)物理面分割而成的塊體系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用最小勢能原理建立平衡方程，并通過罰函數(shù)法求解的分析方法。該方法可以較好地模擬不連續(xù)介質(zhì)的大變形和大位移的靜力及動(dòng)力問題。

針對(duì)既有數(shù)值模擬計(jì)算方法在結(jié)構(gòu)行為分析中的不足，普渡大學(xué)丁承先教授基于向量力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法提出了向量式有限元法（Vector Form Intrinsic Finite Element簡稱“VFIFE”）的概念。該方法以結(jié)構(gòu)的物理計(jì)算模型為基礎(chǔ)，采用廣義向量力學(xué)作為運(yùn)動(dòng)和變形的準(zhǔn)則，以數(shù)值計(jì)算方法中常用的點(diǎn)值取代傳統(tǒng)分析力學(xué)中的連續(xù)函數(shù)微分控制方程，以此作為結(jié)構(gòu)行為描述的方式，故可以有效地處理結(jié)構(gòu)的大變形、大變位、非線性、接觸、斷裂，多體耦合等復(fù)雜行為。

目前，VFIFE已應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的模擬分析中，如輸電塔地震倒塌模擬、空間結(jié)構(gòu)模擬、膜結(jié)構(gòu)及板殼結(jié)構(gòu)模擬、船舶碰撞模擬、海域結(jié)構(gòu)模擬等相關(guān)研究。浙江大學(xué)研究人員首次提出了向量式有限元纖維單元模型，充分利用向量式有限元自動(dòng)考慮幾何非線性和纖維單元考慮材料非線性的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了大跨索承橋大變形和倒塌的全過程模擬。

基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)與數(shù)字孿生結(jié)合建立模型，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)對(duì)檢（監(jiān)）測數(shù)據(jù)充分挖掘，將物理模型驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法相融合，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測模擬一體化，可以提高對(duì)結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測、實(shí)時(shí)預(yù)警、在線評(píng)估和智能管控技術(shù)水平。

向量式有限元災(zāi)變預(yù)測模塊

災(zāi)變監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

索力監(jiān)測技術(shù)

懸索橋的纜索體系及斜拉橋的拉索均為橋梁結(jié)構(gòu)核心受力構(gòu)件，它們的受力狀態(tài)對(duì)于結(jié)構(gòu)的安全和健康狀態(tài)評(píng)估是至關(guān)重要的依據(jù)。因此，施工及運(yùn)營階段的鋼索（束）受力監(jiān)測對(duì)于確保結(jié)構(gòu)安全具有重要的意義。傳統(tǒng)的應(yīng)力測量包括應(yīng)變監(jiān)測法、振動(dòng)頻率法、壓力傳感器法等，只能監(jiān)測應(yīng)力的相對(duì)變化量，且均有不同程度的局限性。因此，如何高精度、無損地測量鋼索（束）的實(shí)際受力情況具有重要的研究意義與工程應(yīng)用價(jià)值。

電磁彈式（EME）應(yīng)力監(jiān)測方法基于鋼構(gòu)件絕對(duì)應(yīng)力與構(gòu)件表面磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的量化關(guān)系，利用智能磁電傳感元件精確測量磁信號(hào)，基于此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼構(gòu)件的絕對(duì)應(yīng)力監(jiān)測。該項(xiàng)技術(shù)解決了鋼索（束）在役絕對(duì)應(yīng)力監(jiān)測難題，實(shí)現(xiàn)了高精度（相對(duì)誤差不超過1%）、長壽命、無損在線監(jiān)測和檢測，已成功用于泉州灣跨海大橋、椒江二橋等多項(xiàng)工程。

電磁彈式鋼索束索力儀

拉索損傷監(jiān)測技術(shù)

現(xiàn)有的拉索局部損傷無損監(jiān)測方法主要有電磁探傷法、聲發(fā)射法、超聲導(dǎo)波法等。

電磁探傷法利用磁化裝置將斜拉索磁化，通過電磁感應(yīng)技術(shù)，根據(jù)鋼絲繩損傷部位產(chǎn)生的磁信號(hào)來判斷其損傷情況，還可以對(duì)缺陷損傷部位橫截面積進(jìn)行定量判斷，該方法操作較為簡單且成本低，但還需要解決周圍環(huán)境、設(shè)備工作狀態(tài)等干擾因素對(duì)測量結(jié)果的影響等問題。

聲發(fā)射法的基本原理為，在材料的內(nèi)部出現(xiàn)損傷的情況時(shí)，會(huì)形成瞬時(shí)彈性波，朝四周進(jìn)行擴(kuò)散和傳播，其中的損傷部位也就是聲發(fā)射的源頭。聲發(fā)射技術(shù)能夠呈現(xiàn)出較好的靈敏性及實(shí)時(shí)性特征。有結(jié)果表明，經(jīng)過連續(xù)時(shí)間、幅值、能量，以及時(shí)間相關(guān)點(diǎn)圖等對(duì)損傷進(jìn)行綜合表征，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全過程損傷的跟蹤，還能夠準(zhǔn)確找出斷絲的位置，同時(shí)判斷斷絲信號(hào)及非斷絲信號(hào)。聲發(fā)射波形傳播是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，受材料性能、結(jié)構(gòu)形式、邊界條件、傳感器特性等諸多方面影響，該方法目前在實(shí)際工程中推廣引用存在較大困難。

超聲導(dǎo)波法能夠?qū)崿F(xiàn)單點(diǎn)激勵(lì)，長距離、高精度檢測被廣泛應(yīng)用于拉索、管道等的局部損傷監(jiān)（檢）測中。研究人員提出了一種基于磁致伸縮傳感器的超聲導(dǎo)波拉索局部損傷監(jiān)測法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)拉索的局部損傷定位和損傷程度估計(jì)。該方法采用半解析有限元的方法研究了多絲結(jié)構(gòu)的頻散特性，選取了合適的激勵(lì)信號(hào)頻率；采用單發(fā)單收的方式獲取了不同損傷狀態(tài)下的導(dǎo)波信號(hào)；利用小波變換提取信號(hào)的有效成分，根據(jù)損傷回波信號(hào)的走勢進(jìn)行損傷定位，并通過計(jì)算直達(dá)波與反射回波信號(hào)的能量評(píng)估損傷程度。目前，該方法已成功應(yīng)用于七芯鋼絞線和大直徑拉索的斷絲、銹蝕監(jiān)測中。

拉索銹蝕檢測實(shí)驗(yàn)示意圖

螺栓連接松動(dòng)監(jiān)測技術(shù)

螺栓連接作為一種常用的連接結(jié)構(gòu)形式被廣泛應(yīng)用于土木工程、機(jī)械工程和航天工程中。螺栓連接控制著整個(gè)結(jié)構(gòu)的連接緊固度，亦關(guān)系著整體結(jié)構(gòu)的安全使用和有效運(yùn)行。由于其使用位置、環(huán)境、溫度、濕度等因素都制約著螺栓的緊固程度，所以在設(shè)計(jì)螺栓、使用螺栓時(shí)應(yīng)保證其安全性和可靠性。

現(xiàn)有的螺栓連接松動(dòng)監(jiān)測法主要有壓電阻抗法、振動(dòng)法、超聲導(dǎo)波法等。壓電阻抗法需要阻抗分析儀等繁瑣的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，且價(jià)格昂貴，不適合現(xiàn)場隨時(shí)監(jiān)測；檢測復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，需要使用大量傳感器，不利于信號(hào)的儲(chǔ)存、采集和分析。

振動(dòng)法對(duì)于螺栓預(yù)緊力的變化并不敏感，導(dǎo)致該技術(shù)的監(jiān)測靈敏度較差。超聲導(dǎo)波法基于信號(hào)的能量變化能夠很好地反映螺栓的緊固狀態(tài)，被認(rèn)為具有極大的工程應(yīng)用潛力。相比于目前廣泛采用的壓電式蘭姆波傳感器，磁致伸縮式剪切波傳感器具有安裝方便、造價(jià)低、信號(hào)穩(wěn)定、受環(huán)境因素影響小等特點(diǎn)。采用單發(fā)單收的方式從連接結(jié)構(gòu)一側(cè)激發(fā)超聲導(dǎo)波，另一端接收，利用直達(dá)波信號(hào)的能量變化表征連接區(qū)域的有效接觸面積變化，從而評(píng)估螺栓的緊固狀態(tài)。通過對(duì)比有限元仿真與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，重合度較高，均能夠準(zhǔn)確預(yù)測螺栓群的損傷狀態(tài)。

螺栓連接松動(dòng)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)示意圖

未來技術(shù)展望

數(shù)字孿生技術(shù)作為能夠?qū)崿F(xiàn)虛實(shí)空間交互的先進(jìn)技術(shù)，突破了傳統(tǒng)仿真及試驗(yàn)條件限制，實(shí)現(xiàn)以最快速度、最優(yōu)成本掌握結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，為大跨纜索承重橋梁等結(jié)構(gòu)的運(yùn)維智能化提供了新的途徑和契機(jī)?；诮Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)與數(shù)字孿生結(jié)合建立模型，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)對(duì)檢（監(jiān)）測數(shù)據(jù)充分挖掘，將物理模型驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法相融合，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測模擬一體化，可以提高對(duì)結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測、實(shí)時(shí)預(yù)警、在線評(píng)估和智能管控技術(shù)水平。

臺(tái)風(fēng)、地震、重載和溫度變化等因素對(duì)大跨度橋梁變形影響很大。實(shí)時(shí)監(jiān)測大跨度橋梁變形，獲取其工作狀態(tài),是保障橋梁安全的重要手段。然而，目前還沒有可以高效實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁動(dòng)態(tài)絕對(duì)位移的儀器設(shè)備。建立一個(gè)實(shí)時(shí)、自動(dòng)化、高精度的絕對(duì)位移監(jiān)測系統(tǒng)，也是未來發(fā)展的重要趨勢。