南澳岛跨海大桥斜拉索的破损安全技术应用

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。

１FSCM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。

３FSCM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1FSCM F束44803606束8401670 1.93０02S束31束43401960 2.2711.60] 1.763设计N索37束51801860 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]。