斜拉橋是二次世界大戰(zhàn)后出現(xiàn)的新型橋型,由于其外型美觀,施工方便和造價(jià)經(jīng)濟(jì),現(xiàn)已成為大跨度橋梁的主要橋型。我國(guó)現(xiàn)已建大量的斜拉橋和懸索橋。僅近十年內(nèi)就有超過(guò)20余座跨徑400米以上的斜拉橋相繼建成，更有一批跨徑處于世界前列的斜拉橋在建設(shè)或籌建中。
纜索結(jié)構(gòu)體系是大跨徑橋梁的主要承重構(gòu)件，其安全性和耐久性對(duì)橋梁的正常使用和整體安全是極為重要的。由于纜索結(jié)構(gòu)體系是纜索承重橋梁的生命線(xiàn)，一旦因耐久性和安全性不足出現(xiàn)病害與劣化，其承接能力喪失會(huì)導(dǎo)致公路橋梁垮塌的惡性事故，造成惡劣的社會(huì)影響和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前已建成且在運(yùn)營(yíng)中的多座橋梁已發(fā)生過(guò)大的振動(dòng)、嚴(yán)重的銹蝕或斷索事故，如廣州海印大橋斷索，四川綦江彩虹橋整體垮塌，四川宜賓小南門(mén)大橋吊桿斷裂等。還有一些橋梁已全橋換索或正準(zhǔn)備換索，如濟(jì)南黃河橋，四川犍為橋、上海恒豐路斜拉橋、廣東九江大橋、云南三達(dá)地橋等等。橋梁纜索體系耐久性和安全性不足的問(wèn)題已引起橋梁工程界的高度關(guān)注，并積極在探索研究解決之中。如何監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)斜拉橋拉索和吊索（桿）的安全性、耐久性，已成為主管部門(mén)和工程技術(shù)人員十分關(guān)注的問(wèn)題。
拉索體系的損傷主要有銹蝕、疲勞斷絲、滑絲和斷裂等幾種，他們的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)的技術(shù)也主要是針對(duì)上述損傷形式開(kāi)展的。下面分別就目前通用的幾種檢測(cè)方法做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。
1 索體損傷檢測(cè)技術(shù)
1.1 人工檢測(cè)法
長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)于大跨徑橋的索體的檢測(cè)主要采取人工檢測(cè)，主要是檢查索體是否遭受腐蝕，各緊固件是否松動(dòng)，定期對(duì)索體各部件涂刷防護(hù)漆，對(duì)已銹蝕的及時(shí)除銹，清查索腐蝕的鋼絲數(shù)量，判斷其腐蝕程度。對(duì)于第三代纜索體系（PE防護(hù)拉索）目前多采用目測(cè)方法，先觀測(cè)護(hù)套的表面，然后再根據(jù)表面的情況確定是否需要打開(kāi)錨固區(qū)或在某些部位鑿開(kāi)護(hù)套，使鋼絲外露以了解銹蝕、斷絲等情況，在必要時(shí)對(duì)部分鋼絲取樣，并進(jìn)行相關(guān)的物理和力學(xué)試驗(yàn)，以確定纜索的狀態(tài)。橋梁纜索結(jié)構(gòu)常規(guī)檢測(cè)的實(shí)際操作情況如圖1所示。
用常規(guī)檢測(cè)方法主要是根據(jù)拉索腐蝕的程度等級(jí)來(lái)提出是否需要更換此索，其依據(jù)見(jiàn)表1或者根據(jù)建設(shè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范 CJJ 99-2003》對(duì)纜索的安全性方面提出了定量的指標(biāo)：以斷絲面積2%或鋼絲總面積損失10%作為斜拉橋拉索是否需要換索的閾值；對(duì)于懸索橋吊桿的更換，則只規(guī)定對(duì)“需要更換者”，應(yīng)進(jìn)行力學(xué)分析、制定更換方案。
a、鑿開(kāi)護(hù)套觀測(cè)拉索 b、楔入木楔的懸索橋主纜 c、目測(cè)拉索錨固端銹蝕狀況
圖1橋梁纜索結(jié)構(gòu)的常規(guī)檢測(cè)（目測(cè)）
表1 拉索腐蝕程度分級(jí)
1.2 磁漏檢測(cè)法
無(wú)損檢測(cè)對(duì)于構(gòu)件銹蝕、裂紋等缺陷的檢測(cè)其方法日趨成熟，在眾多的無(wú)損檢測(cè)方法中磁檢測(cè)原理是最佳的無(wú)損檢測(cè)方法之一。而磁漏法是無(wú)損檢測(cè)的主要手段，它通過(guò)測(cè)量被磁化的拉索表面泄露的磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)判定缺陷的大小。一旦拉索的表面有損傷或斷絲，一部分磁場(chǎng)將從拉索中泄露出來(lái)，這一外泄的磁場(chǎng)可被傳感器檢測(cè)。當(dāng)拉索遇到里面或內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的材料間斷時(shí)，磁力線(xiàn)將會(huì)發(fā)生聚集（畸變）從而引起可被檢測(cè)的磁漏或磁場(chǎng)變化。
目前此方法廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋定位檢測(cè)和鋼絲繩的檢測(cè)，圖2示為檢測(cè)鋼絲繩商業(yè)化磁漏檢測(cè)儀器。由于斜拉橋拉索及懸索橋吊索外徑（含護(hù)套）可達(dá)到甚至超過(guò)200mm。因此，如采用圖2所示的磁漏檢測(cè)儀器，則其大尺寸和重量將使得檢測(cè)時(shí)必須借助專(zhuān)用機(jī)器人。我國(guó)近年也探索了利用爬升機(jī)器人檢測(cè)斜拉橋的拉索。
圖2 鋼絲繩的商業(yè)化漏磁檢測(cè)儀器
在國(guó)內(nèi)利用磁漏技術(shù)對(duì)斜拉索銹蝕、斷絲、磨損等檢測(cè)的研究進(jìn)行了多年，從結(jié)果看與鋼絲繩的檢測(cè)相比有下述特點(diǎn)：
1）纜索一般用防蝕材料包裹, 其端部用澆鑄材料錨固。因此，即使是纜索最外層的斷絲，其距磁敏元件也將有較大距離，而斷絲斷口向外擴(kuò)散的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度從斷口處向外圍呈空間負(fù)指數(shù)衰減，因而磁敏元件能夠探測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度將十分微弱；纜索內(nèi)層斷絲產(chǎn)生的可測(cè)磁場(chǎng)因外層鋼絲的屏蔽效應(yīng)而變得更加微弱，不易檢測(cè)。
2）由于纜索外層包了非透明PE材料，纜索中斷絲（內(nèi)層的或外層的）的檢測(cè)，不能直接觀測(cè)到，只能依靠?jī)x器作一些定量和定性的分析，從而判斷缺陷在沿纜索軸線(xiàn)方向的位置和所處層次以及在截面上的分布狀況等。
根據(jù)磁漏技術(shù)的特點(diǎn)，該技術(shù)用于斜拉橋拉索及懸索橋吊索在錨固區(qū)外的部分的鋼絲銹蝕、斷絲等檢測(cè)是可行的，但對(duì)錨固區(qū)內(nèi)的檢測(cè)將難以進(jìn)行。
1.3 放射線(xiàn)檢測(cè)法
采用放射線(xiàn)法可以探測(cè)索體的多種損傷，射線(xiàn)主要包括X射線(xiàn)和γ射線(xiàn)，放射線(xiàn)法可以檢測(cè)索體內(nèi)部損傷和缺陷。X射線(xiàn)的檢測(cè)原理是：當(dāng)射線(xiàn)通過(guò)被檢測(cè)物體時(shí)，有缺陷部位與無(wú)缺陷部位對(duì)射線(xiàn)吸收能力不同，一般情況是透過(guò)有缺陷部位的射線(xiàn)強(qiáng)度高于無(wú)缺陷部位射線(xiàn)強(qiáng)度，因而可以通過(guò)檢測(cè)透過(guò)被檢物體后的射線(xiàn)強(qiáng)度的差異，來(lái)判斷被檢物體中是否存在缺陷。放射法不僅可以檢測(cè)損傷的存在，還可以以三維空間坐標(biāo)定位損傷。射線(xiàn)檢測(cè)裝置主要由射線(xiàn)源、膠片和攝相裝置組成，為了屏蔽對(duì)人體的輻射，射線(xiàn)裝置往往比較大，但攜帶式X射線(xiàn)裝置可以用于現(xiàn)場(chǎng)拉索的損傷檢測(cè)。
表面的缺陷也會(huì)對(duì)底片上的圖像有影響，但通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)表面缺陷的觀察，可以剔除圖像上表面的缺陷，較準(zhǔn)確地得到索體及錨頭內(nèi)部的斷絲以及滑絲等損傷情況。
1.4超聲波測(cè)試檢測(cè)
美日等國(guó)曾在上世紀(jì)末對(duì)采用超聲波檢測(cè)斜拉索錨固區(qū)內(nèi)的鋼絲斷裂的技術(shù)進(jìn)行了研究，并應(yīng)用于美國(guó)Cochrane橋。圖3所示為在實(shí)橋采用超聲波檢測(cè)斜拉索錨固區(qū)內(nèi)鋼絲斷裂的情況。據(jù)報(bào)道，當(dāng)頻率在5~10MHz時(shí)，超聲波可檢測(cè)錨固區(qū)2~5m長(zhǎng)度內(nèi)纜索的斷絲。顯然這項(xiàng)測(cè)技術(shù)不失為一種選擇，但在檢測(cè)斜拉橋拉索及錨固系統(tǒng)和懸索橋吊索系統(tǒng)時(shí)要使結(jié)果理想，必須事先進(jìn)行嚴(yán)格標(biāo)定，盡管理論上可測(cè)定索股的非規(guī)則性和斷面損失，但實(shí)踐中還有較大困難；另一方面，超聲波測(cè)試技術(shù)對(duì)錨固區(qū)外纜索的檢測(cè)仍有較大難度。
圖3 采用超聲波檢測(cè)Cochrane橋拉索錨固區(qū)內(nèi)的鋼絲斷裂
1.5 磁伸傳感技術(shù)檢測(cè)法
磁伸傳感技術(shù)采用兩個(gè)磁伸傳感器進(jìn)行測(cè)試，其中一個(gè)作為發(fā)射器，另一個(gè)作為接收器，兩者均由一個(gè)線(xiàn)圈和一個(gè)偏磁場(chǎng)構(gòu)成，如圖4所示。
磁伸技術(shù)可用于纜索的斷絲、銹蝕和其它原因引起的斷面損失的檢測(cè)。國(guó)外已對(duì)49絲拉索進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)研究，證實(shí)了其有效性。對(duì)長(zhǎng)為100m，直徑F15mm的鋼鉸線(xiàn)進(jìn)行的試驗(yàn)表明磁伸傳感可檢測(cè)2%以上的斷面損失。但與磁漏傳感技術(shù)相似對(duì)錨固區(qū)內(nèi)的檢測(cè)仍不易進(jìn)行。
圖4 纜索檢測(cè)的磁伸傳感技術(shù)示意圖
1.6 電反射技術(shù)
電反射技術(shù)（包括電時(shí)域反射/ETDR和電頻域反射技術(shù)/EFDR）：電時(shí)域反射系統(tǒng)又稱(chēng)為“閉環(huán)”雷達(dá)，并在輸電線(xiàn)的檢測(cè)中廣為應(yīng)用，同時(shí)在巖土工程中亦有應(yīng)用。電時(shí)域反射系統(tǒng)的工作原理是：系統(tǒng)對(duì)電纜發(fā)送高頻電脈沖，電纜沿線(xiàn)阻抗的非連續(xù)和非匹配將會(huì)反射部分脈沖，而系統(tǒng)可將對(duì)該反射脈沖進(jìn)行記錄，并根據(jù)阻抗的變化情況分析電纜沿線(xiàn)材料的物理特性。電頻域反射技術(shù)將反射信號(hào)在頻域進(jìn)行處理，其分析比時(shí)域結(jié)果將更為簡(jiǎn)潔和明確，并更易除去噪聲的影響。對(duì)斜拉橋拉索及懸索橋吊索進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，電反射系統(tǒng)可利用纜索本身的鋼鉸線(xiàn)或平行鋼絲索作為電纜，同時(shí)并行其布置另一條附件的電纜作為地線(xiàn)，如圖5所示。
a、實(shí)際纜索 b、理想化的纜索
圖5 纜索電反射檢測(cè)技術(shù)示意圖（可檢式纜索的一種模式）
目前，產(chǎn)品化的電反射測(cè)試系統(tǒng)已能獲得纜索斷面損失在7%以上的損傷數(shù)據(jù)，隨著技術(shù)的進(jìn)行，電反射系統(tǒng)的測(cè)試精度還將逐步提高。由美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金資助的一項(xiàng)相關(guān)研究表明，電反射系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地區(qū)分纜索的表面腐蝕和坑蝕兩種不同的損傷及其位置。由此可知電反射系統(tǒng)對(duì)于纜索表面銹蝕、坑蝕、斷絲等損傷的檢測(cè)是完整和可行的。經(jīng)過(guò)事先的標(biāo)定，電反射系統(tǒng)還可對(duì)（鐵磁材料）纜索的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量?？梢?jiàn)電反射技術(shù)是一種適合融入纜索制作的檢測(cè)技術(shù)，其實(shí)施需與纜索生產(chǎn)相結(jié)合較為實(shí)際，但這對(duì)纜索體熱擠PE護(hù)套時(shí)要求很高，以現(xiàn)行的擠出工藝和設(shè)備則還有不少的技術(shù)問(wèn)題需解決。
此外無(wú)損檢測(cè)還有磁彈性傳感器技術(shù)；脈沖渦電流技術(shù)；非線(xiàn)性聲振技術(shù)；聚能探地雷達(dá)技術(shù)等。但這眾多的檢測(cè)技術(shù)使用起來(lái)都有各自的工況和使用條件，就纜索檢測(cè)的工況和使用條件分析，采用上述哪一種技術(shù)檢測(cè)都不能完全覆蓋，必須復(fù)合解決。
2 索體損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)
2.1 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)法
聲發(fā)射監(jiān)測(cè)是一種“被動(dòng)”型監(jiān)測(cè)，其基本原理是：當(dāng)固體材料內(nèi)部缺陷的發(fā)生和擴(kuò)展，以彈性波的形式釋放能量，并向四周傳播，缺陷便成為聲發(fā)射源。對(duì)于索體的檢測(cè)就是當(dāng)索體處于高拉應(yīng)力的纜索鋼絲出現(xiàn)裂紋、腐蝕或斷絲時(shí)，其局部高應(yīng)力的釋放將產(chǎn)生特定的應(yīng)力波，這種應(yīng)力波可以被聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)捕捉到，并用于分析其表征的物理過(guò)程。在使用時(shí)，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須不間斷地工作，一旦出現(xiàn)某種應(yīng)力波（聲波）出現(xiàn)，則將其記錄下來(lái)。圖6為聲發(fā)射技術(shù)在實(shí)橋纜索狀態(tài)監(jiān)測(cè)中安裝的情況。但從檢測(cè)效果看，彈性波在混凝土中衰減很快，故聲發(fā)射方法不適用于粘結(jié)性纜索的監(jiān)測(cè)。
a、用于纜索的AEM傳感器 b、斜拉索上的AEM傳感器 c、錨固區(qū)的AEM傳感器
圖6 聲發(fā)射技術(shù)在橋梁纜索狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
2.2 振動(dòng)法
振動(dòng)法既可以用于拉索內(nèi)力的檢測(cè)，也可以用于拉索內(nèi)力的監(jiān)測(cè)。振動(dòng)測(cè)試法是目前應(yīng)用最廣的索力測(cè)試方法，振動(dòng)測(cè)試法的前提條件是索纜的長(zhǎng)度、線(xiàn)密度、邊界條件清楚、纜索不過(guò)短、過(guò)長(zhǎng)、過(guò)粗或有中間支撐等。在這些前提條件下，只要使用得當(dāng)，且在測(cè)試前對(duì)索力和頻率的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，則振動(dòng)法能準(zhǔn)確地測(cè)定索纜的靜張力。為突破傳統(tǒng)振動(dòng)法的使用限制，振動(dòng)法本身也在不斷發(fā)展。振動(dòng)法的發(fā)展還包括拾振技術(shù)（如采用激光、電磁感應(yīng)等方式進(jìn)行非接觸式的振動(dòng)測(cè)試）和信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步等。
振動(dòng)測(cè)試采用的傳感器主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是加速度傳感器，圖7所示為安裝在斜拉索上進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試的情況。另一類(lèi)是壓力傳感器，主要通過(guò)在纜索端部安裝穿心式壓力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前適合纜索使用的壓力傳感器有鋼鉉式和應(yīng)變式兩種，其中鋼鉉式壓力傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好，但只能用于測(cè)試?yán)|索靜張力；應(yīng)變式壓力傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，但對(duì)纜索靜張力和動(dòng)張力均可測(cè)試。隨著新橋建設(shè)中進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置的趨勢(shì)走強(qiáng)，新建纜索承重橋梁中將有一部分可能安裝這類(lèi)傳感器，這對(duì)確保大橋的安全是有重要意義的。但是，對(duì)過(guò)去已經(jīng)建成斜拉橋和懸索橋的纜索進(jìn)行索力測(cè)試，采用壓力傳感器法顯然不易實(shí)現(xiàn)也不經(jīng)濟(jì)；而加速度傳感器法是安裝在索上，既可用于舊橋也可用于新橋顯然就要現(xiàn)實(shí)得多。
圖7 斜拉索振動(dòng)測(cè)試（纜索靜張力）
以上介紹了對(duì)橋梁纜索體系檢測(cè)和監(jiān)控的一些常用方法。它是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，影響因素較多，目前人們都只是在進(jìn)行研究和試驗(yàn)，希望找到一種理想、可靠的檢測(cè)方法。因此這些常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)技術(shù)都還不完善，還不能對(duì)病害拉索體系進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。只能通過(guò)組合的方式組成一個(gè)系統(tǒng)來(lái)解決一些問(wèn)題。
3 結(jié)論和展望
由以上可見(jiàn)它們測(cè)力的原理不同，使用的儀器不同，測(cè)量的結(jié)果也不同，同一根索用不同的方法檢測(cè)，測(cè)出的結(jié)果往往差異較大。橋梁的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力也很復(fù)雜。橋梁工作幾年后，現(xiàn)實(shí)的狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀態(tài)，成橋狀態(tài)發(fā)生了很大的變化，索力會(huì)重新分布。如何根據(jù)索力檢測(cè)結(jié)果對(duì)索纜的安全性進(jìn)行準(zhǔn)確分析，是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題。索力應(yīng)力增高，是結(jié)構(gòu)變形引起的還是鋼絲斷面減少引起的。鋼絲斷面減少是疲勞短絲引起的還是銹蝕引起的，往往很難判斷。很難分清楚。尤其是當(dāng)索纜銹蝕相當(dāng)嚴(yán)重，但還未發(fā)生斷絲的情況下，它的檢測(cè)結(jié)果往往給人以虛假的安全感，令人擔(dān)心。即使知道有了斷絲，索纜的有效斷面有了縮小，要弄清斷絲的原因，也只能采用最原始的辦法，把錨固區(qū)打開(kāi)直接觀測(cè)斷絲情況。采用上述方法，雖然直接可靠操作性強(qiáng)。但是要打開(kāi)索纜的防護(hù)層（包括水泥沙漿或者硫磺沙漿；金屬外套或者PE外套），費(fèi)時(shí)、費(fèi)事、工期長(zhǎng)，對(duì)交通影響大；打開(kāi)部位重新恢復(fù)后的可靠度也值得考慮。
因此對(duì)橋梁纜索的檢測(cè)和監(jiān)控和是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，影響因素較多，目前的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)沒(méi)有一種可以同時(shí)適合錨固區(qū)內(nèi)和錨固區(qū)外纜索的檢測(cè)，只能通過(guò)組合的方式組成一個(gè)系統(tǒng)來(lái)解決，對(duì)這個(gè)系統(tǒng)所涉及技術(shù)、使用條件、工藝要求、數(shù)據(jù)的處理和分析以及結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性都需要進(jìn)行深入的研究和試驗(yàn)，以便對(duì)纜索能否安全運(yùn)行作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。而且在什么時(shí)候進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，這不僅需要花費(fèi)大量的人力物力進(jìn)行多次論證，其結(jié)果往往還不能令人滿(mǎn)意。
為了徹底解決這些問(wèn)題，現(xiàn)在對(duì)拉索的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)問(wèn)題已經(jīng)著手進(jìn)一步研究和試驗(yàn)。其目的就是希望拉索能隨時(shí)向我們報(bào)告它的病害情況，讓我們隨時(shí)可判斷拉索的使用壽命，做到及時(shí)維護(hù)和更換，只有這樣才能及時(shí)避免發(fā)生橋梁跨塌的惡性事件?？梢?jiàn)不久的將來(lái)拉索發(fā)展的趨勢(shì)必將是可控，在線(xiàn)檢測(cè)的智能拉索。
