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摘要：桥梁拉索破断的本质， 为环境腐蚀与腐蚀疲劳。基于检测的局限性与载荷的随机性，现有的桥梁拉索的寿命预测，为不确定性的统计量，无法确定预知其破断年月。因此，桥梁拉索骤断导致毁桥的危险仍无法排除。
关键词：桥梁拉索；寿命；安全；
拉索是一种高效地承受拉力的结构构件, 索作为一种柔性构件, 有着与刚性构件不同的受力特性, 具有以下几个特点:没有抗压刚度, 只能承受拉力、几何非线性、松弛和应力损失。断索、垮桥的修复费用很高, 为拉索当年造价的几十倍, 为全桥当年总造价的1 ～ 4倍。
一、桥梁拉索的寿命
1.桥梁拉索在本文中是指拱桥及悬索桥的吊杆、拱桥系杆及斜拉桥的斜缆等一维受拉单元。至于悬索桥的主缆， 因其轴向及横向二维承载的特点、分析理论及安装工艺等与吊杆、斜缆不属同类问题，将不包括在本文范围内。索结构桥梁， 在大型桥梁中占有相当大的比例， 是跨越大江、海峡桥梁项目中不可或缺的桥型，有时甚至是唯一合理的结构。桥梁拉索是索结构桥梁的关键结构，其可靠性、耐久性，关系桥梁整体的安全。断索毁桥的事例表明，桥梁拉索的安全性这一问题，迄今未能有效解决，断索毁桥的危险仍然存在。目前，桥梁拉索的寿命、桥梁拉索耐久性的指标及其设计、运营、管养仍受到公众广泛关注，但是关于桥梁拉索剩余寿命的确定性预测， 依然为迄今未能解决的难题。国内外10 余座知名大桥拉索破断的寿命统计为2 年～16 年，很少超过20 年，平均为桥梁服役寿命的1／10 左右。随着桥梁拉索技术的改进，有望增加其平均寿命， 但没有证据指望其与桥梁的设计寿命相同。从国内外资料所列断索或拆换实例得知，没有一项与事先的预测，或事后的分析数据相近；甚至没有与寿命分析相关的例证， 因此在不同的情况下， 仍然存在不同寿命下桥梁拉索发生破断的可能，且目前尚无把握肯定排除。统计表明，桥梁拉索的破断寿命是分散的、不确定的、无定性定量规律的。基于随机疲劳理论和非确定性的寿命预测， 不能解决寿命确定性预知的需要；所谓灰色评估等，均不能确定地预知桥梁拉索破断的寿命， 哪怕准确到年都没有过。因此，桥梁拉索何时破断迄今不能确定。
2.桥梁拉索疲劳骤断的危险没有排除。综观承受随机疲劳的工程结构(制造、航空、海工、矿山、石油等)以及桥梁拉索的破断，多是无先兆地骤然发生。目前， 建立在检测———诊断———拆换基础上的桥梁拉索耐久、安全性措施只是一定程度地缓减了桥梁拉索的骤断， “名义上”延长了桥梁拉索的破断时间， 并未证明能绝对避免桥梁拉索的骤断；国内流行“两年一检测，十年一拆换”的做法，也未证明在此周期内就一定不会骤断。有观点认为此桥坍塌的原因系节点板破坏所致。桥梁监测评价的对象是“全桥”，节点板也应是检测诊断的对象，否则怎么能得出“桥梁拆换”的时间。密西西比河大桥坍塌的实例说明人们对桥梁的健康检测与监测的可信赖程度， 不宜期望过高。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆为了桥梁能够健康安全服役， 目前有一种做法是采用应用结构健康监测技术对桥梁健康进行检测，即桥梁运营管理部门需要确定性地回答：桥梁拉索的剩余寿命为多少，什么时候需要拆换，现在的监测技术能否确定， 但是由于桥梁拉索何时破断、何处破断不能确知，桥梁运营管理部门就无法采取相应地措施。因此，这一随机作用下结构的耐久性问题，迄今在理论上没有确定性地解决。
二、桥梁拉索的安全检测
1.破损安全。桥梁拉索, 包括拱桥的吊杆、系杆和斜拉桥的斜缆, 为桥梁结构研究中的泛称。断裂力学基于点的强度, 破损安全描述为:损伤不可避免, 在损伤发展过程中, 达到结构剩余强度的最小值时, 为其极限状态;在此之前, 虽有损伤, 但是安全的。据此理论的设计, 就是破损安全设计 。破损安全设计是结构设计理论发展的一个新阶段。破损安全结构, 具有这样为能力:当结构中某一元件或局部失效时, 将不再具有最大的承载能力, 但尚存在可以接受的最低安全性和足以保证修复的时间。基于多路传力思想, 在杆系结构中, 为了结构安全的需要, 在关键的或重要的部位上, 构建多路传力系统, 实现破损安全。当系统中一个传力路径失效, 退出工作时, 则相邻的传力路径, 立即顶替其承载, 以保证结构不致丧失承载功能。这时结构的剩余强度将会降低, 破损安全设计就在于预设这一工况, 进行局部破损时刻的安全计算和设计, 以保证当某一传力路径失效后,既存结构仍然具有必需的剩余承载能力。联结器为联系拉索的结点构造, 在单元中起枢纽作用, 将各拉索联结为一体;是副缆破断后, 载荷转移的关键;拉索拆换、调索也将通过其实现。单元中的连接杆与通常预应力设备中的连接器相类似。联结器和连接杆, 为特殊设计的专用构件。破损安全拉索概念设计中, 已经设定了破损工况:包括相应的结构组成、结构构造, 计算分析、不同构件的安全评估等。断索工况的计算, 应是断索后既存结构系统全面的计算与校核。破损工况的计算载荷, 与通常的设计计算相同,只是分析对象不同而己。唯断索时需根据结构动力学对桥道、拉索、索塔等对象与冲击物的质量的比较, 取定载荷模型和参数。当主副缆安装、调整完成后, 再安装安全索。使之在恒载状态下, 张紧而不受力。这可以在安全索下端设支垫弹簧来实现:弹簧最大弹性抗力, 不超过安全索设计内力的1% ～ 2%, 其最大压缩量, 不大于桥道该点的活载挠度。
2.声发射技术。声发射技术是通过检测构件断裂过程中弹性波释放的应变能来判断构件损伤的, 其作为一种无损检测技术在机械设备的损伤和故障诊断中得到了广泛的应用, 美国、欧洲等国家也将声发射技术用于拉索桥梁结构的拉索损伤检测和监测中, 而国内尚没有这方面工作的报道。由于声发射技术目前在国内的拉索断丝监测中尚无应用, 因此还有很多工作要开展, 其中首先必须研究拉索在高应力情况下断裂时间的长短、能量的大小, 从而可以确定监测中采用的频带范围以及测量范围。另外由于桥梁上产生噪声的声源很多, 如何做到对锚固端拉索进行监测时尽量降低噪声的干扰是必须研究的一个问题, 只有这样才能保证测试得到理想的结果。
3.桥梁拉索的拆换。近年的实例表明， 桥梁拉索拆换一次的费用可达新建时拉索造价的6倍～10倍，与全桥新建当年的总造价可比拟。亦即有的桥梁拉索拆换一次的费用，几乎相当于当年新建一座同样的桥梁。如果10 年左右就拆换一次拉索，那么在桥梁全寿命周期内，其桥梁拉索的服役成本会很高。不计铁路桥安全费用时，桥梁拉索拆换的费用也不低。当不计或不存在铁路桥安全费用时，则桥梁拉索拆换的施工及临时设施的费用达70％，索具费用为30％左右。考查近期的拱桥吊杆拆换实例，当桥梁跨径在100m～200m左右时，其拆换一次的费用与全桥建造当年总造价相近；其中，施工费用是主要的，占70％～80％；索具的费用仅为14％～30％。桥梁拉索骤然破断及桥梁受损后的修复费用，可为当年桥梁拉索造价的几十倍，为全桥当年造价的1倍以上。此类情况，不乏实例。即桥梁拉索骤断毁桥的修复，较全桥拉索一次拆换的费用更高。由此表明，因桥梁拉索骤断损毁桥梁的修复费用，将是全桥总造价的1 倍～4倍。
综上所述，桥梁拉索的根本问题是在随机作用下的剩余寿命的不确定性，健康检测与诊断同时存在检测技术上的局限性和诊断理论上的不确定性，给桥梁拉索寿命分析提出了新的课题。然而采取以上这些措施无疑是有益的， 能在宏观上延长桥梁拉索的使用寿命。
参考文献
[1]汤国栋，等．桥梁吊杆的安全忧虑与对策[M]．北京：第一届全国公路科技创新高层论坛《论文集》第5 卷，2017．
[2]王文涛．斜拉桥换索工程[M]．北京：人民交通出版社，2018．
[3]李兆霞，损伤力学及其应用[M]．北京：科学出版社，2018．
论文作者:焦明建
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/5/23
标签：桥梁论文; 拉索论文; 结构论文; 寿命论文; 费用论文; 吊杆论文; 构件论文; 《防护工程》2019年第1期论文;