摘 要：拉索是斜拉橋（qiáo）的（de）關鍵受力（lì）構件，一旦有部分拉索發生損傷而喪失承載能力，將對整個（gè）橋梁產生重大影響，甚至可能導致整（zhěng）座橋梁垮塌，因（yīn）此研究拉索的（de）損傷檢測和監測技術意義重大。介紹了幾種斜（xié）拉橋拉索損傷檢測和監測方法，包括人（rén）工目測法，射線檢測法，模態測試法（fǎ）等。簡述了每種拉索損傷檢測方（fāng）法的基本原（yuán）理，簡要回顧了每種方法的（de）主要研究進展，並作了簡要的（de）評述。
　　關（guān）鍵詞：損傷檢測 斜拉橋 拉索 健康監測
　　重（chóng）大工程結構如大型橋梁、超高（gāo）層建築、大（dà）型水壩、大型隧道（dào）以及核電工程設施等，它們（men）是社會財富的重要組（zǔ）成部分，社會的正常運行對這些結構的依賴越來越強。結構在長期運營（yíng）使用過程（chéng）中，要承受荷載作用（如車輛（liàng）、設備、水壓、風、地震或爆炸等）和（hé）環境的侵蝕（如混凝土碳（tàn）化、鋼材（cái）鏽蝕、冰凍、溫差等），這些（xiē）因素將不可（kě）避免地（dì）導致結構損傷。如果關鍵受力構件（jiàn）損傷積累到一定程度而沒被發現，那麽損傷將會迅速擴展，進而（ér）導（dǎo）致整個結構的垮塌。近幾（jǐ）十年，由（yóu）於未（wèi）能及時（shí）發現損傷而導致結構垮塌的（de）事故很多，其中橋梁垮塌事故也不（bú）少，如1967年西弗吉尼亞（yà）州的Silver橋（qiáo）垮塌，1996年（nián）廣東韶關特大橋梁（liáng）坍塌（tā），1999年重慶市綦江（jiāng）縣的彩虹橋倒塌等。因此（cǐ），我們需要對結構進（jìn）行（háng）經常性檢測或長期監測，及時發現隱患，避免出現重大（dà）安全事故（gù）。
　　斜拉橋是我國大跨徑橋梁（liáng）中最常見的橋型之一。到目前為止（zhǐ），我國已建成各種類型的斜拉橋100多座（zuò）。世界10大著名斜拉橋中（zhōng）我國占（zhàn）8座，尤其是蘇通長江大橋主跨1 088 m，為世界斜拉橋第（dì）一跨（kuà）。因而，對斜拉橋進行損傷檢測或健康（kāng）監（jiān）測（cè），保證斜拉橋在其設計（jì）使（shǐ）用年限內正常運營已經成為了不（bú）可回（huí）避的課題（tí）。拉索是斜拉橋的關鍵受力構件（jiàn），一旦有部分（fèn）拉索發生損傷而喪失承載能力，將對整個橋梁產生重大影響，甚至可能導致整（zhěng）座橋梁垮塌。因此，對拉索（suǒ）進行損傷診斷研究具有重要的意（yì）義。
　　1 斜拉（lā）橋拉索損傷檢測及監測方法
　　目（mù）前，對拉索進行損傷檢測和監測（cè）的方法很多，有人（rén）工目測（cè）法（fǎ），射線檢測法，磁漏檢測法，磁致伸縮導波檢測法，索力檢測法，聲發射監測法，模態測試法和光纖布拉格光（guāng）柵（shān）傳感器監測法等（děng），以上方法各有優缺點，且某些方法還有待深入研究。
　　1.1 人工目測法（fǎ）
　　早期（qī），人們對斜拉橋拉索的檢測主要采取人工（gōng）目（mù）測法，主要檢查內容有：觀察斜拉索護層的外觀是否有破損或開裂，然（rán）後根據實際情況決定是否（fǒu）要（yào）打開護（hù）層，進一步檢查拉索索體是否有斷絲和（hé）鏽蝕的狀況；檢查錨（máo）固端（duān）和（hé）緊固件有無鬆脫、變形或鏽蝕等情況。檢（jiǎn）測人員利用目測法對拉索進行檢（jiǎn）測時，要用設備將檢測人（rén）員送到高空，效率低、存在高空墜落的危險、檢測成本高。
　　檢測人員也在橋麵上通過高分辨率的（de）望（wàng）遠鏡對拉索（suǒ）表麵進（jìn）行觀察，判斷拉索安全狀況。該方法成本較（jiào）低，但檢測效率低，精度（dù）較差，隻能作為（wéi）輔助（zhù）檢測手段[1]。
　　近年來，人們開始研究拉索檢測機器人，利用機器人攜帶攝像頭（tóu）對拉索損傷狀況進行檢測，效率較高，成本較低。但該方法也隻能對拉索外部護層進（jìn）行檢測，不能檢測出內部斷絲和腐蝕情況（kuàng）。
　　1.2 射線檢測法
　　射線檢測在日常生產生（shēng）活中已經有著非常廣泛的應用，如質量（liàng）檢測（cè）（鑄造（zào）焊（hàn）接、工藝缺陷檢測）、測量厚度、物品檢查（機場、車站、海關檢查）等。放射（shè）線法也可以對拉索的內部（bù）損傷和缺陷進行檢測，工程（chéng）檢測中應用的（de）射線（xiàn）主要有兩種：X射線和（hé）γ射線。X射線的檢測原理是（shì）：當X射（shè）線穿（chuān）過拉索時，如（rú）果拉索（suǒ）局部區域存在缺陷，它將改變拉索對射線的衰減，引起透射射線強度的變化，通過檢測透（tòu）射（shè）線強度，就可以確定拉索中是否存在損傷以及損傷的位置、大小。
　　早在20世（shì）紀80年代，國（guó）外已經采用射線檢測拉索的（de）錨固區，但該方法檢測成本高、耗時長，因而未被廣泛采用[2]。2004年，Telang 等[3]采用X射線對拉索進行了檢測試驗，結果表明，X射線能檢測到拉索中所有的缺陷，但是拉索內部材質較為複雜，圖像解釋起來（lái）非（fēi）常困難。 　　應用射線檢測法拉索檢測，能（néng）夠檢（jiǎn）測到拉索錨固區和索體的全部內部（bù）缺陷，但由於射線檢測法存在（zài）圖像解（jiě）釋困難，檢測效（xiào）率低，造價高，輻（fú）射汙染的問題，因此在未取得進一步研究進展之前，並不適合將（jiāng）之大規模應用於橋梁（liáng）拉索損傷檢測。
　　1.3 磁漏檢測法
　　磁漏檢測法是無損檢測（cè）技術，它是通過檢測被磁化的斜拉索表麵泄露出的磁場（chǎng）強度來（lái）判定缺（quē）陷的（de）大小。磁漏檢測法的原理：利用由銜（xián）鐵和永久磁鐵組成（chéng）的磁（cí）化器將索體磁化至飽和狀態，拉索（suǒ）內部斷絲、腐蝕等缺（quē）陷處會形成漏（lòu）磁（cí）場，沿拉（lā）索軸向利用磁敏感元件掃描獲取（qǔ）缺陷漏磁場信號（hào），從而實現對拉（lā）索缺（quē）陷的檢測。
　　國外（wài）對（duì）漏磁檢測技術的研究很早，早在1933年，Zuschlug就提出（chū）了（le）磁（cí）敏傳感器測量漏磁場的思想（xiǎng），20世（shì）紀（jì）60～20世紀70年（nián）代，美國、英國已經開始（shǐ）應用磁漏監測技術對管材進行了損（sǔn）傷檢測[4]。我國從20世紀90年代初才（cái）開始對漏磁檢（jiǎn）測技術進行研究，也（yě）取得了一些成果。 就拉索損傷檢測方（fāng）麵而言（yán），賁安然等[5]通過建立三維（wéi）有限元（yuán）模型，研究了拉索斷口寬度、缺陷埋藏深度等參數對漏磁場強度的影（yǐng）響，得到了（le）漏磁場強度隨上述參數的變化規律，從而為解（jiě）釋拉（lā）索檢測（cè）信號和確定斷絲的數量提供依據。此外，賁安然等[6]還提出一種采用有限元法對拉（lā）索漏磁（cí）檢測磁（cí）化器的各參數進行設計的方法，並對按上述方法（fǎ）設計的磁化器進行了試驗驗證，兩者結果完（wán）全相符。
　　由於（yú）拉（lā）索結（jié）構形式複雜（zá），拉（lā）索檢測與鋼絲繩檢測相比有直徑大，鋼（gāng）絲與鋼絲之間存在較大（dà）空（kōng）氣隙（xì），外部（bù）包聚乙烯（xī）護套的特點。因此，磁（cí）化器要具有足夠強的磁化能力，檢測元件要有較大的（de）提離距離。除此之外，上（shàng）述特點還增（zēng）加了（le）檢測（cè）信號的解（jiě）釋難度。
　　1.4 磁（cí）致伸（shēn）縮導波檢測（cè）法（fǎ）
　　磁致伸縮效應是指當鐵磁性材料受外加磁場力作用時，它的形狀和尺寸大小會發生變化的現（xiàn）象，或者鐵（tiě）磁物體受到恒定磁場作用下，當（dāng）它的形狀和尺寸發生變化時，瞬間會引起內部（bù）磁場發生變化的現象。其中，前（qián）者為磁致伸縮正效應，又被稱為焦耳效應，是1842年（nián）由英國物理（lǐ）學家焦耳發現的[7]。後者為磁致伸縮逆效應，又（yòu）被稱作維拉裏（lǐ）效應（yīng），是1865年由意大利物理學家維拉裏發現的[8]。磁致伸縮傳感器與被測拉索間是非（fēi）接觸的，並且可以有一定提離距離（lí），因此（cǐ）可以對（duì）有（yǒu）護套的拉索進行損傷檢測。
　　目前，國內外基於磁致伸縮效應的導波無損檢測技（jì）術主（zhǔ）要集中在磁（cí）致伸縮傳感器技術、導波信號處理、檢測實驗研究和儀（yí）器（qì）開發及其應用等方麵（miàn）[9]。鄒易清等[10]對（duì）磁致伸縮導波技（jì）術在橋梁纜索損傷檢測的研究進展（zhǎn）進行了全麵地綜述。
　　1.5 索力監測法
　　斜拉橋某拉索發生損傷會引起本身以及（jí）其他（tā）拉索索力的變化，因此我們可以通過測量索力來進行拉索的健康監（jiān）測。目前索力的監測方法有多種，如壓力傳感器測（cè）定法、頻率法、磁通量傳感（gǎn）器等。拉索自（zì）振頻率（lǜ）易於測定並（bìng）且有足夠的精度，拉索的拉力通過弦振動理論（T=4 m L2f2，其中f為拉索一階頻率，L為拉索長（zhǎng）度（dù），m為（wéi）單位長度的質量）計算得（dé）到，同時還要考慮拉索的剛度、垂度和邊界條件對索力計算的影響。磁通量傳感器是通過材料磁導率隨應力變化規律的關係來計算索力，因此在使用前必（bì）須先獲（huò）得拉索相應材質應力與磁導率之間的對應關係。美國的Wang M.L[11-14]對磁通量傳感器進（jìn）行了較多研究，2004年以後國內也陸續有學者對（duì）磁通量（liàng）傳感器（qì）進行了應（yīng）用研究。目前，磁通（tōng）量傳感器已經用於國內的個別橋梁的拉索監（jiān）測，如湛江海灣（wān）橋和宜賓長江大橋斜[15]。
　　到目前，國內很多學者研究拉索（suǒ）損傷對索力的影響。楊（yáng）光琦[16]和楊（yáng）亮亮[17]通過建立斜拉橋的有限元模型，研究（jiū）了不同（tóng）位置的（de）拉索斷裂對斜拉索索力的影響。倪雲龍[18]對蕪湖長江大橋建立三維有限元模（mó）型，通過拉（lā）索麵積折減來模（mó）擬拉索損傷（shāng），研究了拉（lā）索麵積折減10%、30%、50%、100%的情況下斜拉索索力的變化規律。胡建[19]建立了黃河勝利橋有限元模（mó）型和黃河勝利橋1∶150的試驗模型，分析了不（bú）同位置拉索的損傷對其他拉（lā）索索力的影響。索力數據（jù）能夠（gòu）在一定程度上判斷纜索是否完好，但（dàn）是無法判（pàn）斷纜索缺陷類型和缺陷位置等具體（tǐ）情（qíng）況。
　　1.6 聲發射（shè）監測法
　　聲（shēng）發射檢測（cè）技（jì）術是一（yī）種被動檢測技術，能夠實時反應材料內（nèi）部狀態。聲發（fā）射的基本原理是：當材料（liào）內部發生損傷，會產（chǎn）生瞬時彈性波向四（sì）周擴散傳播，損傷部位就是聲發射源。聲發（fā）射技術（shù）具有高靈敏（mǐn）性和實時性的特（tè）點。
　　20世紀90年代，國外開始進行（háng）應用聲發射技術監測拉索損傷的研究。Mohammad R[20]在實驗室對（duì）吊（diào）杆和拉索的鋼絲斷裂進行試驗研究，將聲（shēng）發射檢測技術與其他（tā）檢測（cè）方法進行了比較，試驗（yàn）結果表明，聲發射（shè）檢測技術能夠對索中單個（gè）鋼絲斷裂進行有效捕捉（zhuō），並製作了一種可以置於索中的裝置，可（kě）以對鋼絲的變化進行動態監（jiān）測（cè），為工程應用奠（diàn）定（dìng）基礎。Paulson PO[21]研究了應用聲發射技術對斜拉索和懸索（suǒ）橋主纜進行長（zhǎng）期持續監測的方法，結果（guǒ）表明，拉索斷絲損（sǔn）傷所產（chǎn）生的聲發射信號具有能量高、頻帶寬（kuān）和（hé）持續時間短（duǎn）的（de）特點，因此將斷絲（sī）信（xìn）號與噪聲信號（hào）分離開來比較容易，從而利用聲發射技術能（néng）監（jiān）測拉索損傷全過程。
　　國內也有一些（xiē）學者應用聲發射技術進行拉索損傷監測的研究。丁穗坤[22]通過（guò）試驗方（fāng）法（fǎ）對拉索（suǒ）腐蝕損傷聲發射監測技術進行研（yán）究，並且通過數值模擬對限製聲發（fā）射技術最重要的因（yīn）素―― 波型效應進行了深入地分析和研究。李冬生等[23]通過對（duì）鋼絞線進行拉伸試驗，獲得了整個損傷過程的聲發射特征參數。試驗結果（guǒ）表明：通（tōng）過（guò）持續時間、計數、時間的相關點圖、幅值和能量來綜合表征損傷（shāng），不僅能對全過程（chéng）損傷進行跟蹤，而且還可（kě）以準確找到斷（duàn）絲位置以及（jí）判斷出斷絲信號和非斷絲信號（hào）。鄧揚等[24]通過有限元軟件仿真獲得拉索損傷聲發射仿真信號，運用小波包分析技術對拉索損傷聲發射的仿真信號（hào）進（jìn）行了特征提取（qǔ）。結果表明：選取少數特征頻帶並（bìng）選擇適當小波包分解層次，小波（bō）包能量譜就能精確地反映聲發射信號的特征（zhēng）信（xìn）息；基於小波包（bāo）能量（liàng）譜的特征參數對拉索損傷敏感，並可以在強噪聲下實現對拉索（suǒ）不同損傷類型的判別（bié）。李冬生等[25]對多齡（líng）期斜拉索進行了疲勞損傷監測（cè）試驗，運用（yòng）聲發射技（jì）術對它的（de）動態（tài）損（sǔn）傷過程進行了監測，獲得了斜拉索整個損傷過程的（de）聲發射特征參數，進而得到了多齡期斜拉索疲（pí）勞損傷演化規律； 然後，對損傷過程各個階段聲發射（shè）波形進行小波分析（xī），得到特征波形，並運（yùn）用FFT分析其（qí）頻率分布範圍，進一步分析了損傷的形（xíng）成原因，實現了（le）對多齡期斜拉索損傷（shāng）聲（shēng）發射源類型的確定。 　　1.7 模態測試法（fǎ）
　　模（mó）態是結（jié）構的固有特性，結構模態參數包括固有頻率、振型和阻尼。模態參數是結構剛度、質（zhì）量等物理參量的函（hán）數，當結構發生損傷時，結構的物理參量會（huì）發生改變，那麽結（jié）構的模（mó）態參數也會隨之改變。因此，我們可（kě）以通過結構模態參數的變化來進（jìn）行結構的損傷識別。
　　張戌社等[26]通（tōng）過（guò）數值仿真計（jì）算，探討了應變模態法對於斜拉橋拉索的（de）損傷識別能力，並且利用應（yīng）變模態（tài）差（chà）準確地（dì）識別出了斜拉索損傷的位置。趙玲等[27]通過對潤揚長江大橋的數值模（mó）擬（nǐ），提出（chū）了綜合運用斜拉橋豎彎振型頻率變化、主梁模態曲率變化和拉（lā）索索力變化來識別拉索損傷位置的方法。譚冬梅等[28]以結構損傷和完好狀況下（xià）的自振頻率（lǜ）歸一化的頻（pín）率差作為損傷標識量（liàng），以此建（jiàn）立拉索損傷的模糊模式識（shí）別子集，再利用（yòng）模糊模式識別方法對拉索損傷位置（zhì）和程度進行識別。楊傑等[29]對潤揚長江大橋（qiáo）斜（xié）拉橋進行了520種工況的拉索損傷動力計算，定義（yì）了歸一化固有頻（pín）率， 並（bìng）且分別分析了拉索損傷位置和損傷程度對歸（guī）一化固有頻率的影響（xiǎng），並通過建立BP神經網絡， 分別采（cǎi）用不同工況組的（de）數據進行訓練和識別， 對該方法（fǎ）進行了驗證。董曉馬（mǎ）等[30]提出了基於（yú）柔度差矩陣斜拉橋拉索損傷識別方法，以潤揚大橋為試驗對象模擬4種不同的損傷工況驗證該方法的適用性。張治國（guó）等[31]以（yǐ）模態頻率、位移振型模態、曲率模態3種（zhǒng）指標作為神經網（wǎng）絡（luò）的輸入參數，建立9個BP神經網絡模型，對斜拉（lā）橋拉索損傷程度和損（sǔn）傷位置進行損傷識別（bié）研究。鄭婷婷等[32]基於ANSYS有限元模型，采用RBF網（wǎng）絡，模擬了斜拉索的損傷情況，以不同損傷程度下自振頻率和局（jú）部模態作為神經網絡的訓練與測（cè）試輸入樣本，由神經網絡的輸出來指示損傷位置和損傷程度，並與BP神（shén）經網絡（luò）的識別效果進行比較。董曉馬等[33]提出了（le）基於單元模態應變能變化率斜拉（lā）橋（qiáo）拉索損傷識別的（de）實用方法（fǎ），並以國內某重點斜拉橋為試驗對象模擬3種不同的損傷工況情況，研究該方法的適用（yòng）性。結果表（biǎo）明，單元模（mó）態應變（biàn）能變化率指標對於單位（wèi）置和多位置的損傷都有較好的效（xiào）果。楊亮亮等[34]以某（mǒu）特大料拉橋為工程（chéng）背景，該文以某特大料（liào）拉橋為工（gōng）程背景，建立了橋梁動力有限元計算模型。通過拉索有效麵（miàn）積的變化來模擬拉索的損傷，研究拉索不同程度和不同位置的損傷對斜拉（lā）橋（qiáo）動力特性的影響。結果表明，斜拉橋拉索損傷對豎向彎曲振型影響較大，而對側（cè）向彎曲和扭轉振型的影響較小。長（zhǎng）拉索損傷對斜拉橋低階振型影響較（jiào）大，短（duǎn）拉（lā）索則對斜拉橋高階振（zhèn）型的（de）影響較大。趙翔[35]對潤揚大橋建立有限元模型，利用模態曲率進行拉索的損傷識別（bié）。朱鴻（hóng）雯[36]運用樂（lè）音準則法（fǎ）對斜拉橋進行（háng）了損傷檢測研究，把頻率差作為拉索損傷檢測（cè）的指標，成功檢（jiǎn）測出拉索的損傷。
　　1.8 布拉格光纖光柵傳感器監測法
　　布拉格光纖光柵技術是（shì）通過對（duì）光柵布拉格波長的檢（jiǎn）測來實現對結構溫度值和應變值的絕對測量。拉索發生損傷會引起拉索應變的變化（huà），通（tōng）過監測（cè）光（guāng）柵布拉格波長的變（biàn）化，我們能對拉索的狀態進行評定。布拉格光纖光柵傳感器具有測量線性度高，抗電磁幹擾能力強，傳感精度高，體積小（xiǎo），耐高溫等優點，適合斜（xié）拉橋拉索的健康監測。應用光纖光柵（shān）傳感器對斜拉橋拉索進行健康監測有兩種形式，一種是直接（jiē）在普通鋼拉索上粘（zhān）貼裸光纖光柵，適合（hé）已有的橋梁拉索的健康監測，另一種是在鋼拉索中直接加入FRP-OFBG筋，適合新建斜拉橋拉索健康監（jiān）測。
　　1978年Hill製作了第一根光纖光柵， 直到20世紀90年代人們（men）才（cái）逐漸認識到光纖光柵傳感器（qì）的優點，並在（zài）土木（mù）工程中廣泛應用（yòng）。1999年（nián）以來我國對光纖（xiān）光柵傳感（gǎn）器進行了廣泛地研究和應用。歐進萍等[37-40]對布拉格光纖光柵傳（chuán）感器的機理進行研究，並且對應用光纖光柵傳感器進行拉索的健康監測的（de）若幹技術進行了詳細地研究（jiū）。張鵬等[41]提出了直接把FRP-OFBG筋或光纖光柵智能鋼絞線加入（rù）拉索中的（de）辦法來測量鋼（gāng）絞線拉應變應（yīng）力，並（bìng）對這種拉索進行試驗研究，試驗結（jié）果表明該方法可行。莊勁鬆等[42]對泗陽大橋工程中的光纖光柵智能拉索進行（háng）了研究，解決了橋梁拉索適時智能檢測索力的問題。王丹生等[43]介紹了布拉格光纖光柵傳感器在（zài）國內外橋梁結構健（jiàn）康監測中的研究（jiū）和應用（yòng），探（tàn）討了在應用過程中（zhōng）存在的問題，並對光纖光柵傳感器未來的發（fā）展進行展（zhǎn）望。
　　2 結語
　　近年（nián）來，斜拉橋拉索（suǒ）的安全性（xìng）已經引起了科研人員的高（gāo）度重視，人們（men）已經從射線、磁性方法、超（chāo）聲波、索力、聲發射、振動測試和光纖光柵傳感器等多個（gè）角度對拉索的（de）損傷監測和狀態評估進行了深入地研究，已取得（dé）很多的科研（yán）成果，並且部分成果已經應（yīng）用到實際工程。但（dàn）有效的（de）檢測或監測（cè）技術尚不成熟，有些方法還停留（liú）在數值模擬或試驗研究階段，要找到簡便、快捷且有效的手（shǒu）段來解決拉索損傷診斷（duàn）的問題還有待進一（yī）步研究。