南澳岛跨海大桥斜拉索的破损安全技术应用.doc

桥梁拉索的破损安全技术，其核心在于，在组成拉索(或系统)的钢丝间形成寿命差：先断者警示—立即拆换，以排除斜拉索骤断毁桥的危险。
　　研究与应用，经历了三个阶段：
　　其一，以实现‘断索不毁桥’为目标的，研究破损安全拉索系统(如双吊杆)及其工程应用(图1)。

　　图1：拉萨柳梧大桥采用破损安全(交叉)双吊杆系统 2006年建成
　　其二，基于‘以应力差实现寿命差’准则，研究破损安全拉索FSC(Failuer Safety Cable) [7～11]及其工程应用。
　　其三，目前，已进了第三阶段的研究，基于‘以钢丝强度差实现寿命差’准则，研究破损安全拉索FSCM。其内容为: FSCM拉索的构成、设计、工况分析及安全性评估；同时研究开发了FSCM的断丝信号控制技术。

　　图2：广东汕头南澳跨海工程主桥矮塔斜拉桥
　　将以广东省南澳跨海工程之矮塔斜拉桥(图2) FSCM拉索的工程为背景，阐明FSCM的基本原理及技术应用。
　　１ FSCM构造与原理
　　1.1 FSCM的原理
　　FSCM的技术原理：基于‘以强度差，实现寿命差’准则，在通常的拉索中(图3)，分别取不同的破断强度的钢绞线(或钢丝)组成，则钢束(丝)间先后破断：先断者警示，立即拆换，实现破损—安全。
　　如图3左所示，取定图中黄色钢束为F束，兰色的为S束：S束的破断强度较F束高，则在全截面均匀受力时，F束将先行破断--发出警示，设计保证了这时S束一定不断。

　　图3： FSCM(左)与常规拉索（右）的构造示意
　　1.2 FSCM的构造
　　南澳大桥的斜拉索，按施工图设计方案，采用37-Φ15.2环氧喷涂无粘结钢绞线、夹片锚。按FSCM设计时，单根拉索的截面仍然为37-Φ15.2钢绞线，所不同者，为分别取：
　　F束，取6-Φ15.2钢绞线，其破断强度为1670 Mpa，示意如图1左中黄色钢束。
　　S束，取31-Φ15.2钢绞线，但其破断强度为1960 Mpa，示意如图1左中兰色钢束。
　　1.3 FSCM的目标
　　FSCM的根本目标，在于排除拉索骤断毁桥的危险，实现的方式为：
　　1.3.1断丝不断索，分析和实验均表明，上述之FSCM可实现断丝不断索，断丝警示，拉索随断（F束）随换，断一换一。
　　勿需如常规拉索的‘疑断就换 ’；勿需‘三年一检测、十(或二十)年一拆换’。
　　1.3.2拉索成本，与常规拉索相比不改变构造、不增加材料、工艺相同、造价相近，全寿命成本分析详5.2。
　　1.3.3与通常拉索构造、工艺相同，拉索钢绞线(或丝)破断信号，实时、自动检索、发送，随时查阅。
　　勿须现行的健康检测(或监测)和不确定的寿命预测。
　　２ 断丝信号控制系统
　　《断丝信号自动检索控制系统》(简称FSADS)的功能在于：对监控对象FSCM的断丝讯息，进行实时采集、加工和自动发输；即时提供断丝信号及其警示。
　　2.1 FSADS系统组成　
　　《断丝信号自动检索控制系统》，包括成套硬件及相应的软件：信号采集、传送、处理、发输及接收环节（如以下框图所示）。系统布置如图2：
　　FSCM系统→断束信号采集→PLC数据处理→数据传送→管理中心

　　图4：FSADS系统示意
　　2.1.1信号采集，在图l左的索端布设拉索断丝信采集器，即图3中之A单元，其引出导线与桥头控制箱连接。
　　2.1.2信号搜集与发送，众多信号汇集到PLC的输入模块，经终端处理后，迅即发送。如图３之B单元。
　　2.1.3管理中心，通过无线网络发送断丝信息，管理中心的接收器即可接收、显示。即图3之D单元。同时亦可以手机短信方式告知管理者。
　　2.2系统建设与成本
　　2.2.1系统开发，系统硬软件设备及配套软件开发，均已完成，并经组装演示。
　　2.2.2 系统成本，相当于普通拉索的2～3次常规检测费用。
　　３ FSCM的设计分析
　　现对南澳大桥FSCM的设计分析的主要内容简述如次。
　　3.1 FSCM单索的计算分析
　　基于‘以强度差实现寿命差’准则，设计的南澳大桥FSCM斜拉索，如l.2节所述。设计分析成果汇集如表 1。
　　3.1.1 FSCM的单索工况分析，单索分析工况包括：
　　① 恒载工况，恒载调索工况，分别计算了F束及S束之安全系数：表1‘调索后’一栏斜线以左的数据。 。
　　② 最大受力工况，为活载最大受力加恒载工况，分别计算F与
　　S之安全系数，即表L.1‘调索后’栏斜线以右的数据。
　　与常规拉索校核之不同处，在于F与S的破断强度不同，因此安全系数各异;但与通常的设计校核一样，其容许安全系数，需按相应规范取定。
　　3.1.2 FSCM的工况分析，如表1，分析了拉索FSCM的各工况安全性：
　　① F破断瞬时工况，F破断时刻，将由S单独承载，并计及F对S的突加冲击因素，进行安全性校核，相应的最小安全系数，参照相关规范临时受载的组合取定。
　　② F破断后工况，当F破断退出工作后，按S单独承载进行校核。其名义安全系数，不小于设计最小值。
　　以上二种工况，均计入了活载的作用。
　　③ FSCM的整索的安全性，如上所述，FSCM与通常拉索不同，其安全性是通过不同工况来描述的：在F未断前，F与S共同承载，不存在整索断裂的极限状态，整体安全有保证。
　　在F束破断后，仅存S束承载，并保证了安全拆换，也不存整索破断的状态。
　　FSCM的总体安全性，是断丝不断索，设计分析和实验考查均得到了证实。

序号
拉索
名称
索股
功能
恒载
索力
活载
索力
截 面
型 式
截 面
面 积
破 断
强 度
各 工 况 安 全 系 数
调 索 后
Ｆ断时
F断后
1
FSCM
F束
4480
360
6束
840
1670
1.93
０
0
2
S束
31束
4340
1960
2.27
11.60]
1.76
3
设计
N索
37束
5180
1860
2.15/1.99
-----------
　　[※]表中各工况安全系数，凡加黑者均计入了活载的作用。
　　3.2 具有FSCM的桥跨结构分析
　　按上述拟定的方案，对桥跨结构作静、动力的计算分析，检核斜拉索及全桥结构的安全性，主要为FSCM的破损安全性分析。
　　计算分析的要点如下。
　　3.2.1 调索工况，与通常规拉索之计算相同，单索设计校核不同，其弹性模量需计及垂度修正，材料参数按厂商提供的资料取定。
　　3.2.2 F束破断瞬时工况，逐根破断，计及Ｆ的冲击作用，施加于桥跨结构，进行计算。
　　3.2.3 Ｆ断束后的静力工况，即Ｆ退出工作，Ｓ单独承载，与调索工况相似，不同处，仅取S束之截面。
　　4 FSCM的工艺要点
　　具有FSCM的桥跨结构，其施工工艺与通常情况无大差别，主要不同处在于FSCM拉索的制造及信号控制系统FSADS的布设、安装，现简述如下。
　　4.1 FSCM的制造
　　FSCM的构造、防护、锚固等与常规拉索相同。不同处在于，钢索材料组成及FSADS断丝信号系统布设。
　　4.1.1 FSCM的钢束，以南澳大桥为例，其F与S均为Φs15.2环氧喷涂无粘结钢绞线，仅其破断强度分别为1670MPa和1960Mpa。
　　厂商提供的文件表明，其材料参数均与通用的强度为1860MPa的钢绞线相同。
　　4.1.2 FSCM的锚具及通用附件，FSCM采用常规拉索的防护、锚具及附件，以相同的工艺和技术标准，进行制索、检验。
　　4.1.3 FSCM的专用附件，由于FSCM需设置信号控制系统，在FSCM安装时，需预设某些附件，其尺度很小，不影响设计尺寸和安装施工，将另有图纸。
　　4.2工艺程序
　　FSCM的工地安装、调索程序与常规拉索完全相同,仅在调索前后，布设信号控制系统时，需要相关的配合。系统设备的主要安装调试，系在大桥施工完成后、检定试验前进行，与其它工种几无干扰。
　　5 技术经济论证
　　FSCM与常规拉索的技术性能比较，已如前述l.3之表L.1所述，其根本的特点，在于：确定地排除了拉索骤断毁桥的危险。
　　5.1 FSCM的安全机制
　　FSCM的安全机，众所关注。
　　5.1.1 FSCM的安全保证，FSCM的安全保证，为拉索断前拆换，关于破损安全，文献[3]介定为：结构损伤不可避免，要求其剩余强度，不小于维持承载功能的最小值，以实现损伤以后仍然安全。
　　FSCM采取断(F)丝、束警示、拉索将要破断以前，即行拆换，以保证安全。显然，与通常取安全系数(强度储备)的机制和思路完全不同。
　　5.1.2 FSCM的安全措施，FSCM的安全措施，有：
　　措施之一：拉索不断，如图3l2之③的工况分析所显示的，F破断后，S单独承载时，设计保证了S尚具有足够的剩余强度，以维持其一定时间内不致破断，此即所谓‘断丝不断索’。因为断索前巳经拆换，以致排除了‘整索破断’的危险。
　　FSCM 的破损警示—断前拆换—整索不断，实现安全是一个过程，不是一个状态或系数。
　　通常的拉索，系以其破断为极限状态，折减(安全系数)使用，形成储备，实现安全，以安全系数表达。
　　由于外界作用的随机性，桥梁拉索检测的局限性（有的甚至不可检），寿命预测的不确定性，因此现行的技术，无法排除拉索骤断的危险[4、14、15]。此类实例如文献[l5]所述。
　　措施之二：断丝信号自动控制，FSCM的安全保证技术，为断丝信
　　号的实时(无间断)、自动的检索、发送和定量显示;确定性地提供拉索损伤信息。
　　而通常的拉索检测，系人为的、周期性(间断)的、未必全面的(如锚固区多难于检测)考查;其剩余寿命诊断结论，为不确定性的，有时可达成倍(甚至数倍)的差误！
　　5.2 FSCM的经济性
　　关于FSCM在F断之后，S未断就拆换了的强度‘浪费’，是人们关注的又一问题。

　　5.2.l FSCM的未利用强度小于通常拉索，在FSCM中，为一根拉索的F丝全断后，就拆换拉索(实为S束)。亦即S未断就拆换了，存在未利用强度。
　　殊知，现行拉索是‘疑断就换’、一换则成批地、乃至全桥拆换，二者的强度‘浪费’比较如下。
　　如图4，以拱桥吊杆为例。即使全桥吊杆的设计截面一样、安全系数相同，拉索也不是全桥一致的同时破断，甚至同一拉索，也不是全截面同时破断。全桥拉索实际破断的强度限(线)如图4之ABC所示
　　而常规拉索的拆换，是经检测评估认定某一根(或一批)拉索，疑其将要破断（如图中a点)，但尚未断，尚存一定的剩余强度时，就将其折换的;且一换往往就是一批，甚至全桥拆换;则常规拉索实际使用的强度限（线），如图4中水平直线ac（或为台阶线）。
　　然而，FSCM是在F束确定破断后，才拆换(S)的，‘随断随换’、‘损一换一’(即一根索的F全断后，才整索拆换)，F未断者不换。其全桥FSCM实际使用的强度限(线)，如图4之abc折线所示。
　　由图4可以看出：
　　① 图形ABCcba(带点的图形)即为FSCM的S束拆换时，未利用的强度;而常规拉索未利强度为图形ABCca。
　　② 图中带竖线的图形abca，即为常规拉索与FSCM 未利用强度的差值。FSCM中F束真实发生的破断寿命，近似地取为与常规拉索疑断就换的(十年或二十年) 寿命相近(图中a点)，因此FSCM的‘未利用强度’小于至少不大于常规拉索。

　　图4：FSCM与常规拉索拆换的强度利用比较
　　5.2.2 拉索的管养与拆换费用比较，常规拉索与FSCM的管养工作及费用比较如下。
　　常规拉索的管养：
　　①每天巡视，三年检测一次索力[规范CJJ99-2003之5.9.5]；
　　②拉索拆换，因无定量准则，主要凭借经验决策，目前基本上是“二年残三年一检测，十年或二十年一拆换”；
　　③拉索拆换按‘改建工程进行’[JTG H11-2004之4.7.2第3款]。一次拆换的费用，达新建拉索成本的4～10倍！
　　FSCM的管养：
　　① 可随时在FSADS的电脑显示器上，检视断丝状况，亦可设置断丝有声报警;在管养上，只需一般性的状态目测、巡视。不担心钢索破断;勿需定期检测、诊断，勿需定期测索力。
　　② 根据F的破断信号，随(F)断随换、断一换一。
　　③ FSCM的管养拆换，只为局部的维护，可以实现常设的、设备通用的拆换承包。
　　④ FSADS 断束信号检索系统的成本，约为常规拉索1～3次的拉索检测的费用。
　　5.2.3 桥梁全寿命的拉索服役成本，综上所述，在桥梁全寿命期内，FSCM的服役成本与常规拉索的‘二至三年一检测’、‘十年或二十年一拆换’相比，在桥梁全寿命期内，FSCM的服役成本，保守地估计，也要节约60%以上;如果按拆换一次的费用几乎可与全桥当年总造价可比拟考虑，则常规拉索的全寿命成本，将远大于FSCM！

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