混凝土橋梁的損傷診斷與承載力評估

白應(yīng)華

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430068）

摘要： 基于結(jié)構(gòu)振動理論和系統(tǒng)識別技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)已顯示出了良好的發(fā)展前景。主 要闡述了鋼筋混凝土橋梁損傷的五種診斷方法，即振動模態(tài)參數(shù)識別法、動力響應(yīng)及 動力系數(shù)法、超聲波法、沖擊回波診斷法和自然電位法，并對這些方法的特點和應(yīng)用作了比 較。同時提出了混凝土損傷識別的四種方法，即模型修正法、動力指紋分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 和專家系統(tǒng)法，并系統(tǒng)介紹了這四種方法的特點。通過對鋼筋混凝土橋梁的損傷診斷和損傷 識別，正確客觀的評估橋梁的承載力和安全狀況。最后介紹了國內(nèi)外幾種典型的評估橋梁承 載力的理論和方法，并對其發(fā)展趨勢作了展望。

關(guān)鍵詞：混凝土橋梁；損傷診斷；承載力評估

中圖分類號：U441.4文獻標識碼：A[WT]文章編號：16721098(2008)02003404

Damage Diagnosis and Strength Evaluation of Concrete Bridges

BAI Yinghua

(Institute of Civil Engineering and Architecture, Hubei University of Technology ,Wuhan Hubei 430068,China) Abstract: The bridge health monitoring system based on structural vibration theo ry and system identification technique has been presenting its good prospect ofdevelopment．In the paper five kinds of steel-concrete bridge damage detection m ethods were expatiated. They are vibration mode parameters identification method , dynamic response and dynamic parameters method, ultrasonic method, impact echodetection method, and electrical potential method, which characteristics and ap plication were compared. Four kinds of concrete damage identification methods we re put forward, namely model modification method, dynamic fingerprint analysis m ethod, nerve network method and expert system method. Characteristics of the fou r methods were presented. Steel-concrete bridge damage diagnosis and detection b y the methods provide subjective evaluation of bridge strength and safety level.Finally, some typical theories and methods of bridge strength evaluation in Chi na and abroad were presented and their development trend was predicted.

Key words:concrete bridge；damage diagnosis；strength evalua tion

自20世紀50年代以來，人們就意識到橋梁安全監(jiān)測的重要性，但由于早期的監(jiān)測手段比較落 后，在應(yīng)用上一直受到限制。近年來隨著大跨橋梁設(shè)計的輕柔化以及形式與功能的日趨復(fù)雜 化，安全問題日益突出。全國公路橋梁普查結(jié)果顯示，已有相當(dāng)一部分橋梁存在不同程度的 損傷，其中四千多座存在嚴重安全隱患［1］113。國內(nèi)發(fā)生的觸目驚心的橋梁垮塌事 故，提醒人們必須重視橋梁的定期健康檢測、安全評估以及危橋的損傷檢測和監(jiān)控，力爭把 隱患消滅在萌芽之中。因此橋梁健康監(jiān)測、檢測技術(shù)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界的研究熱點 。本文旨在介紹鋼筋混凝土橋梁損傷診斷及承載力評估方法和發(fā)展趨勢。

1混凝土橋梁的損傷診斷

1.1振動模態(tài)參數(shù)識別法

橋梁在發(fā)生損傷時，其阻尼比和剛度必然要發(fā)生變化。如果用直接測量橋梁剛度的變化來診 斷橋梁損傷是十分困難的。但剛度的變化必然要引起橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)（如固有頻率和模態(tài) 振型）的變化。因此首先在橋梁建成未使用前或在橋梁無損傷時測出它的模態(tài)參數(shù)，作為該 橋梁的初始檔案，然后在橋梁使用過程中隨時測出它的模態(tài)參數(shù)，把所測參數(shù)和初始檔案相 比較，觀察這些參數(shù)是否發(fā)生變化和變化大小，從而比較容易地實現(xiàn)對橋梁損傷的診斷。

用激振錘、伺服液力激振器、火箭或環(huán)境振動產(chǎn)生的激勵力使橋梁產(chǎn)生自由振動，由在橋梁 上布置的傳感器測下橋梁的振動響應(yīng)，然后由放大器對這些微弱電信號進行放大。為了防止 混疊效應(yīng)，用低通濾波器將放大的信號進行濾波，濾掉中、高頻信號。A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 將模擬的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，這些數(shù)字信號由計算機采集存儲，分析處理——時域和頻 域分析，求出輸入信號和輸出信號之間的傳遞函數(shù)或頻響函數(shù)。在頻響函數(shù)圖上，由振動峰 值找出橋梁的各階固有頻率的數(shù)值，由半功率帶寬法求出橋梁的阻尼比。振型相位和振型幅 值分別由互譜和自譜獲得。這樣就一一求得了橋梁的各階固有頻率、阻尼比和振型［2 ］410。

橋梁的固有頻率大都只有幾十赫茲或幾赫茲，因此利用刮風(fēng)和行駛的車輛這樣環(huán)境振動對橋 梁進行激勵拾取其響應(yīng)信號，既可以節(jié)省開支又可以不關(guān)閉交通，是一種非常理想的振動激 勵方法。但需注意的是，行駛的車輛會對橋梁的各階固有頻率有輕微的改變。

1.2動力響應(yīng)及動力系數(shù)法

當(dāng)車輛在橋梁上行駛時，橋梁會發(fā)生振動；當(dāng)橋梁發(fā)生損傷時，橋梁的振動動力響應(yīng)參數(shù)值 會增長。因此在橋梁的關(guān)鍵部位（如橋墩底部）布置一些拾振傳感器（如速度傳感器、加速 度計和應(yīng)變傳感器)測下橋梁的動力響應(yīng)，然后由放大器對這些微弱電信號進行放大。為了 防止混疊效應(yīng)，用低通濾波器將放大的信號進行濾波，濾掉中、高頻信號。A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn) 換器將模擬的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，這些數(shù)字信號由計算機采集存儲、分析處理——時域 和頻域分析，分析這些動力響應(yīng)參數(shù)值是否超過允許值及超過數(shù)值的多少，可對橋梁的一部 分或整座橋梁發(fā)生的損傷進行診斷。

動力系數(shù)指的是橋梁由于振動而增加的橋梁應(yīng)力或動撓度對于靜載所增的比率。當(dāng)橋梁發(fā)生 損傷時，動力系數(shù)必然會增大。用電阻應(yīng)變片和紅外線撓度儀可測橋梁的動、靜應(yīng)力和動、 靜撓度信號，然后由信號處理采集系統(tǒng)采集信號，再利用計算機專用軟件監(jiān)測和記錄車輛行 駛引起的時程應(yīng)力和時程撓度并計算動力系數(shù)，分析動力系數(shù)是否超過允許值及超過數(shù)值的 多少，從而可對橋梁的損傷進行診斷。

1.3超聲波法

超聲波法是利用應(yīng)力波在固體中傳播是否受到干擾來診斷橋梁是否受到損傷(如裂縫和斷面 等)。超聲波法把由壓電元件組成的發(fā)射探頭(即電—聲換能器)和接受探頭(即聲—電換能器 )接觸在混凝土表面上，由發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波便被接受探頭所接受。根據(jù)超聲波的聲波 、頻率、相位、振幅等聲學(xué)參數(shù)進行診斷。用超聲波診斷橋梁內(nèi)部損傷的檢測方法有透射法 和反射法。測定透射超聲波的傳播速度(透射法)或通過測定反射波到達接收探頭的傳播時間 (反射法)來診斷是否有損傷及損傷的部位。

1.4沖擊回波診斷法

沖擊回波法是通過在被測橋梁結(jié)構(gòu)表面人工施加一個沖擊，由沖擊產(chǎn)生很高能量的瞬態(tài)應(yīng)力 脈沖會沿著球面波（玃波和S波的波前）在被測橋梁結(jié)構(gòu)中傳播；與此同時由沖擊產(chǎn)生的表 面波也會沿著被測橋梁結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鞑?。P波和S波會被被測橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫孔洞和邊界反射 。當(dāng)這些反射波到達產(chǎn)生沖擊力附近的被測橋梁結(jié)構(gòu)表面時產(chǎn)生位移，這個位移可由位移傳 感器測量。如果這個位移傳感器放得靠近沖擊點，那么傳感器所測量的位移波形就是由P波 引起的。位移波形可用來確定應(yīng)力脈沖從產(chǎn)生至反射P波到達結(jié)構(gòu)表面之間的時間間隔Δ 玹。如果P波在被測結(jié)構(gòu)中的速度已知，那么反射界面的位置也就可以確定，損傷的部位也 就診斷出來了［2］408。

1.5自然電位法

自然電位法是根據(jù)金屬在一定的環(huán)境中電位是否變化的原理來對混凝土橋梁中鋼筋銹蝕進行 診斷。當(dāng)混凝土中的鋼筋發(fā)生銹蝕時就會形成銹蝕的電池，可分為產(chǎn)生正極反應(yīng)的部分(銹 蝕部位)和負極反應(yīng)的部分(非銹蝕部位)，此時自然電位發(fā)生了變化。根據(jù)對此電位的量測 ，就可以判斷是否發(fā)生了銹蝕。由于診斷時必須將鋼筋暴露出來，因此這種方法對混凝土中 最內(nèi)層鋼筋的銹蝕診斷無能為力。

1.6其他診斷方法

除了上述幾種損傷診斷方法外，還有紅外成像檢測、聲發(fā)射、磁試驗、γ或X射線檢測、光 干涉、脈沖雷達回波法等方法。除振動模態(tài)參數(shù)識別法以外，多數(shù)無損檢測技術(shù)屬于局部檢 測方法。局部檢測方法需要人工地毯式搜索，雖較費時費力且可靠性差，但對于量大面廣的 中小橋梁來說，從技術(shù)、經(jīng)濟上考慮，人工檢測仍然是一種重要的比較現(xiàn)實的技術(shù)管理手段 。

2混凝土橋梁的損傷識別

混凝土橋梁基于不同的損傷診斷技術(shù)有不同的損傷識別方法。大致分為四種，即：模型修正 法、動力指紋分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和專家系統(tǒng)法。

2.1模型修正法

先建立非損傷分析模型，再利用混凝土橋梁動靜載試驗測得的數(shù)據(jù)（如頻率、振型、撓度、 應(yīng)變）對橋梁結(jié)構(gòu)的非損傷分析模型的單元剛度（或材料參數(shù)）進行修正。此時，模型的計 算模態(tài)則為損傷結(jié)構(gòu)的測試模態(tài)，接下來建立損傷診斷方程，運用優(yōu)化法確定受損單元的剛 度減少程度，最后根據(jù)模型剛度的變化來實現(xiàn)損傷的定位和損傷程度的評估。這種方法的缺 陷在于測試不可能得到結(jié)構(gòu)的完整模態(tài)集且測量中的信噪比較低，因而由測試數(shù)據(jù)難以給出 足夠的修正信息，導(dǎo)致了解的不唯一性。2.2動力指紋分析法

動力指紋法也稱對比法。根據(jù)結(jié)構(gòu)特性，若結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，其結(jié)構(gòu)參數(shù)會發(fā)生變化，從而引 起相應(yīng)的動力指紋的變化。在損傷識別時，先建立包括損傷大小及位置的數(shù)據(jù)庫；再將結(jié)構(gòu) 實測值與數(shù)據(jù)庫中各值相比較，最相近的一組數(shù)據(jù)代表的損傷位置就是該結(jié)構(gòu)最可能的損傷 位置。常用的動力指紋有：頻率、振型、振型曲率、應(yīng)變模態(tài)、頻響函數(shù)、模態(tài)柔度矩陣、 模態(tài)保證準則(MAC)和坐標模態(tài)保證準則(COMAC)等。這些方法的缺點是工作量太大，敏感性 不是很高，與所有潛在損傷情況相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫較難建立。用這類方法識別損傷的研究成果 很多，如擬牛頓法(Quasi Newton Method)將剛度變化作為指紋，用于識別結(jié)構(gòu)在地震過后 內(nèi)部的不可見損傷［1］114。2.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法ド窬網(wǎng)絡(luò) 法用于損傷識別是結(jié)構(gòu)智能診斷的重要組成部分。其基本思想是：利用數(shù)值求解法(如有限 元法、能量法)或?qū)崪y方法，獲取結(jié)構(gòu)中所需物理量(如頻率、振型等)作為訓(xùn)練樣本的輸入 參數(shù)，以結(jié)構(gòu)的缺陷作為輸出參數(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的自組織、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力 的特點，通過一定數(shù)量的訓(xùn)練樣本讓網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會記住這些知識，實現(xiàn)從輸入?yún)?shù) (如結(jié)構(gòu)頻率向量等)到輸出參數(shù)(如結(jié)構(gòu)損傷位置、程度等)之間的非線性映射，從而可以求 得反問題的解［3］。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法雖不是為混凝土橋梁損傷識別設(shè)計，但其處理非線 性問題的手段非常適合于非線性很強的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)損傷診斷。很多學(xué)者在這方面做了大 量工作?，F(xiàn)在常用于損傷診斷的網(wǎng)絡(luò)模型有BP網(wǎng)絡(luò)模型、對偶傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基函數(shù)(R BF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的容錯性好、魯棒性強，能進行聯(lián)想、綜合和 推廣，對輸入?yún)?shù)的準確性要求不高，因此其前景看好。

2.4專家系統(tǒng)法

專家系統(tǒng)是一種模擬專家解決土木工程領(lǐng)域問題的計算機程序系統(tǒng)。用來進行損傷診斷時， 系統(tǒng)內(nèi)部含有大量的混凝土橋梁損傷診斷知識與經(jīng)驗，專家系統(tǒng)利用損傷診斷知識與經(jīng)驗進 行損傷診斷。專家系統(tǒng)具有準確、效率高、不受環(huán)境影響等優(yōu)點。但混凝土結(jié)構(gòu)的離散性和 橋梁結(jié)構(gòu)的多樣性使得該系統(tǒng)難于推廣［4］。

3混凝土橋梁的承載力評估

混凝土橋梁的損傷診斷與識別是手段，對橋梁進行承載力與安全評估才是目的。帶損傷橋梁 的承載力評估比設(shè)計新橋復(fù)雜得多。目前各國評估混凝土橋梁承載力的方法都比較抽象模糊 ，這里介紹幾種典型的混凝土橋梁承載力評估方法。

3.1英國公路橋梁檢測優(yōu)先權(quán)標準

首先對運營期長、社會重要性高、先天或后天結(jié)構(gòu)缺陷嚴重、交通繁重、繞行線路不足的橋 梁優(yōu)先給予檢測。為此需要對橋梁檢測的先后次序作出評價，評價指標分為橋齡（玆玜 ）、橋型（玆玣）、薄弱部位（玆玠）、交通量（玆玽和玆玼）、線路重 要性（玆玦）等5項，分別對這些評價指標評分（1~5分），由此可以得出整體評價分級 玊A=4R玜+2玆玣+玆玠+玆玽+玆玼+玆玦，最后按整體評價分級 TA的分值將優(yōu)先權(quán)分為5個等級，依次為1、2、3、4、5，級數(shù)小的橋梁要優(yōu)先予以檢測。

3.2美國公路橋梁評定標準

用下式評定帶損傷橋梁的承載力［1］115オЕ誖≥RFγLL(1+I)+∑[DD(]m[]i=1[DD)]γ〥iDi

式中：玆為結(jié)構(gòu)承載能力；φ為承載能力折減系數(shù)；RF為允許通過橋梁的荷載等級系數(shù)； γL為活載系數(shù)；L為活載；I為沖擊系數(shù)；m為恒載類型數(shù)；γ〥i為第i類恒載安 全系數(shù)；Di為恒載。

3.3中國公路橋梁綜合評定方法

橋梁的綜合評定算式

標度（0～5）；Wi為各部件權(quán)重。

4結(jié)語

橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測與評估涉及到結(jié)構(gòu)、通訊、計算機等多個學(xué)科領(lǐng)域，系統(tǒng)論、信息論、控 制論、非線性科學(xué)等最新技術(shù)都在其中有廣泛應(yīng)用。隨著各學(xué)科的進一步交叉與同步發(fā)展， 相信橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與評估這一門新興的科學(xué)將會在損傷檢測儀器的研究、傳感器的優(yōu) 化布置、參數(shù)識別研究等方面得到較大的發(fā)展。

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華)