大跨纜索承重橋災變模擬與監測關鍵技術

文 浙江大學 段元鋒 浙大城市學院 張茹

隨著信息化技術的迅猛發展，運用現代傳感與通信技術對橋梁在復雜環境下的災變行為模擬及實時監測，及時獲取反映結構狀況和所處環境的信息特征，進行一體化橋梁管養技術各方面的探索，對于促進我國交通強國的建設具有重要的意義。

大跨纜索承重橋梁由于優越的跨越能力和經濟性，廣泛應用于跨江、跨河、跨海灣和跨峽谷的重要交通工程，具有重要的社會、經濟、軍事意義。目前我國已建多座千米級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，由于該類結構體系復雜、規模較大，材料自身存在缺陷、施工偏差，在強風、重載、船撞、環境腐蝕等不利因素作用下，已建纜索承重橋梁容易出現各種病害，導致其出現橋梁線形變化過大、構件老化、破損等問題，使橋梁結構承載能力降低，甚至可能引起全橋垮塌，造成重大經濟損失和人員傷亡。近年來，國內外橋梁安全事故頻發，引發了社會對橋梁，特別是對大跨索承重橋安全問題的強烈關注。

災變模擬技術

由于地震、臺風、暴雪、火災、撞擊、爆炸等災害作用，結構的倒塌破壞事故頻發。如2001年9月美國紐約世界貿易中心雙塔遭受飛機撞擊，引發樓內大火，一號樓撞擊層的上部結構傾斜倒塌，下部結構在倒塌沖擊力的作用下接連發生破壞，導致整棟樓發生連續性倒塌；二號樓上部結構向下塌落，也發生連續性倒塌破壞，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生特大地震，導致房屋、橋梁等大面積倒塌。事實上由偶然事件造成的結構連續倒塌是一種低概率高損失的結構安全事故，這也使得結構倒塌破壞分析等災變模擬技術越來越受到國內外學者的高度重視。

其中，結構連續倒塌的力學本質，是連續體到非連續體動態轉化的過程，以及此過程中出現的非線性動力接觸和碰撞，涉及幾何、材料和接觸三重非線性理論。

數值模擬的方法具有成本低、效率高和操作簡便等特點，是研究結構連續倒塌行為的一種重要手段。倒塌破壞的數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為基礎的一種分析方法。針對連續構造體做有限元離散化處理，以便其行分析結構，這是目前解決科學和工程問題最常用的分析方法。然而，在求解大變形、非線性或非連續性等問題時，有限元方法仍存在著本質困難。離散單元法采用把不連續體采用分離的剛性元素模擬的方法可以處理不連續體的整體運動形態，但是由于離散元將單元的形心作為基本節點，形心之間的連接需要根據實際問題建立連接元，求解問題要求單元數目多，信息量大，計算時間長，對于復雜的問題，連接元的選取較為困難，在工程分析領域的應用范圍也受到了一定限制。非連續變性分析法是以多組不連續物理面分割而成的塊體系統為研究對象，利用最小勢能原理建立平衡方程，并通過罰函數法求解的分析方法。該方法可以較好地模擬不連續介質的大變形和大位移的靜力及動力問題。

針對既有數值模擬計算方法在結構行為分析中的不足，普渡大學丁承先教授基于向量力學與數值計算方法提出了向量式有限元法（Vector Form Intrinsic Finite Element簡稱“VFIFE”）的概念。該方法以結構的物理計算模型為基礎，采用廣義向量力學作為運動和變形的準則，以數值計算方法中常用的點值取代傳統分析力學中的連續函數微分控制方程，以此作為結構行為描述的方式，故可以有效地處理結構的大變形、大變位、非線性、接觸、斷裂，多體耦合等復雜行為。

目前，VFIFE已應用于眾多領域的模擬分析中，如輸電塔地震倒塌模擬、空間結構模擬、膜結構及板殼結構模擬、船舶碰撞模擬、海域結構模擬等相關研究。浙江大學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考慮幾何非線性和纖維單元考慮材料非線性的優點，實現了大跨索承橋大變形和倒塌的全過程模擬。

基于結構健康監測系統與數字孿生結合建立模型，結合人工智能、大數據、物聯網等技術對檢（監）測數據充分挖掘，將物理模型驅動與數據驅動方法相融合，實現監測模擬一體化，可以提高對結構服役狀態的動態監測、實時預警、在線評估和智能管控技術水平。

向量式有限元災變預測模塊

災變監測關鍵技術

索力監測技術

懸索橋的纜索體系及斜拉橋的拉索均為橋梁結構核心受力構件，它們的受力狀態對于結構的安全和健康狀態評估是至關重要的依據。因此，施工及運營階段的鋼索（束）受力監測對于確保結構安全具有重要的意義。傳統的應力測量包括應變監測法、振動頻率法、壓力傳感器法等，只能監測應力的相對變化量，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）的實際受力情況具有重要的研究意義與工程應用價值。

電磁彈式（EME）應力監測方法基于鋼構件絕對應力與構件表面磁感應強度之間的量化關系，利用智能磁電傳感元件精確測量磁信號，基于此設計結構與系統優化，實現了對鋼構件的絕對應力監測。該項技術解決了鋼索（束）在役絕對應力監測難題，實現了高精度（相對誤差不超過1%）、長壽命、無損在線監測和檢測，已成功用于泉州灣跨海大橋、椒江二橋等多項工程。

電磁彈式鋼索束索力儀

拉索損傷監測技術

現有的拉索局部損傷無損監測方法主要有電磁探傷法、聲發射法、超聲導波法等。

電磁探傷法利用磁化裝置將斜拉索磁化，通過電磁感應技術，根據鋼絲繩損傷部位產生的磁信號來判斷其損傷情況，還可以對缺陷損傷部位橫截面積進行定量判斷，該方法操作較為簡單且成本低，但還需要解決周圍環境、設備工作狀態等干擾因素對測量結果的影響等問題。

聲發射法的基本原理為，在材料的內部出現損傷的情況時，會形成瞬時彈性波，朝四周進行擴散和傳播，其中的損傷部位也就是聲發射的源頭。聲發射技術能夠呈現出較好的靈敏性及實時性特征。有結果表明，經過連續時間、幅值、能量，以及時間相關點圖等對損傷進行綜合表征，不但能夠實現對全過程損傷的跟蹤，還能夠準確找出斷絲的位置，同時判斷斷絲信號及非斷絲信號。聲發射波形傳播是一個極其復雜的過程，受材料性能、結構形式、邊界條件、傳感器特性等諸多方面影響，該方法目前在實際工程中推廣引用存在較大困難。

超聲導波法能夠實現單點激勵，長距離、高精度檢測被廣泛應用于拉索、管道等的局部損傷監（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波拉索局部損傷監測法，實現了對拉索的局部損傷定位和損傷程度估計。該方法采用半解析有限元的方法研究了多絲結構的頻散特性，選取了合適的激勵信號頻率；采用單發單收的方式獲取了不同損傷狀態下的導波信號；利用小波變換提取信號的有效成分，根據損傷回波信號的走勢進行損傷定位，并通過計算直達波與反射回波信號的能量評估損傷程度。目前，該方法已成功應用于七芯鋼絞線和大直徑拉索的斷絲、銹蝕監測中。

拉索銹蝕檢測實驗示意圖

螺栓連接松動監測技術

螺栓連接作為一種常用的連接結構形式被廣泛應用于土木工程、機械工程和航天工程中。螺栓連接控制著整個結構的連接緊固度，亦關系著整體結構的安全使用和有效運行。由于其使用位置、環境、溫度、濕度等因素都制約著螺栓的緊固程度，所以在設計螺栓、使用螺栓時應保證其安全性和可靠性。

現有的螺栓連接松動監測法主要有壓電阻抗法、振動法、超聲導波法等。壓電阻抗法需要阻抗分析儀等繁瑣的實驗設備，且價格昂貴，不適合現場隨時監測；檢測復雜結構時，需要使用大量傳感器，不利于信號的儲存、采集和分析。

振動法對于螺栓預緊力的變化并不敏感，導致該技術的監測靈敏度較差。超聲導波法基于信號的能量變化能夠很好地反映螺栓的緊固狀態，被認為具有極大的工程應用潛力。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、造價低、信號穩定、受環境因素影響小等特點。采用單發單收的方式從連接結構一側激發超聲導波，另一端接收，利用直達波信號的能量變化表征連接區域的有效接觸面積變化，從而評估螺栓的緊固狀態。通過對比有限元仿真與實驗測試結果，重合度較高，均能夠準確預測螺栓群的損傷狀態。

螺栓連接松動監測實驗示意圖

未來技術展望

數字孿生技術作為能夠實現虛實空間交互的先進技術，突破了傳統仿真及試驗條件限制，實現以最快速度、最優成本掌握結構的實際運行狀態，為大跨纜索承重橋梁等結構的運維智能化提供了新的途徑和契機。基于結構健康監測系統與數字孿生結合建立模型，結合人工智能、大數據、物聯網等技術對檢（監）測數據充分挖掘，將物理模型驅動與數據驅動方法相融合，實現監測模擬一體化，可以提高對結構服役狀態的動態監測、實時預警、在線評估和智能管控技術水平。

臺風、地震、重載和溫度變化等因素對大跨度橋梁變形影響很大。實時監測大跨度橋梁變形，獲取其工作狀態,是保障橋梁安全的重要手段。然而，目前還沒有可以高效實時監測橋梁動態絕對位移的儀器設備。建立一個實時、自動化、高精度的絕對位移監測系統，也是未來發展的重要趨勢。