毕波1，伍雪南2，高威巍1
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摘要：本文将吊索张力做为损伤识别指标，应用于悬索桥有限元模型的损伤识别中，数值分析结果表明，将吊索的张力变化指标做为悬索桥损伤识别的手段是可行的。
1 引言
桥梁结构的损伤定位是损伤识别中的一个重要环节[70,71]。孙宗光在大跨斜拉桥的损伤识别中，提出了基于斜拉索张力指标的方法。并用此法对香港汲水门大桥损伤进行识别，取得了很好的效果[1,2]。该方法基本思想为：当斜拉桥桥面结构的某部位发生损伤时，通常将导致与该位置相联系的斜拉索的张力变化。由于斜拉索直接与桥面位置相联系，因此，可以根据斜拉索张力变化来确定斜拉桥面结构损伤的位置。
本文在其研究基础之上，将该方法推广应用于悬索桥结构的损伤识别当中。
2 索张力指标
无论是斜拉桥还是悬索桥，通常其索（斜拉索、吊索）的张力可通过测量其固有频率来获得。设索为等截面均质直杆，单位长度的质量为m，截面抗弯刚度为EI，沿轴线均匀分布的张力为T，则其横向自由振动方程为[3]
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对于不计抗弯刚度和垂度的索，第i阶模态的固有频率与张力T之间的关系可由式(2.3)确定:
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式(2.5)定义的索张力指标是索编号的函数。索沿桥面纵向分布，当桥面某位置发生损伤时，将导致相应的索的张力变化。张力变化直接影响索的固有频率，因此，通过监测索固有频率的变化可以获得桥面结构的损伤信息。
3 数值模拟分析
用ANSYS建立的面向健康监测与损伤诊断的高精度悬索桥有限元模型如图3.1所示。
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基于此有限元模型，对大桥可能发生的最大损伤进行分析后，确定了四种损伤位置进行模拟，如表3.1所列。
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两侧进行。跨中为0号，左侧从-1到-24，右侧从1到24。假设健康结构的吊索的基本频率是已知的。通过对吊索的测量，获得结构未知状态下每一根吊索的基本频率。然后按式(2.5)计算吊索张力指标。对每一种损伤情况，可绘出吊索张力指标沿桥面纵向的分布图形，如图3.2所示。
从图3.2中可以看出，当损伤工况不同时，各位置吊索的张力变化指标也不相同，在每一种损伤均对应着某一位置吊索张力的变化。如工况A时，-1、0、1号索的张力变化较大，在损伤识别中，如果此三处索张力变化较大，就可以初步确定跨中处吊索发生了损伤。因此将吊索的张力变化指标做为悬索桥损伤识别的手段是可行的。
4 结论
本文在孙宗光研究基础之上，将基于吊索张力指标进行损伤定位的方法推广应用于悬索桥，通过数值模拟分析证明，将吊索的张力变化指标做为悬索桥损伤识别的手段是可行的。
[1] 孙宗光; 倪一清; 高赞明.基于斜拉索振动测量与神经网络技术的斜拉桥损伤位置识别方法[J]. 工程力学， 2003，20(3):26-30
[2] 孙宗光，伍雪南，苏健，基于斜拉索张力测定的斜拉桥健康诊断，公路交通科技，2008：25(8): 57-60
[3] Kenley， M.， and Wood， R. “Monitoring bridge performance.” Bridge Design and Engineering， February， 1997， 37-39.