淺析橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究和結(jié)構(gòu)可靠性

阿布都克力木．卡馬力

摘要:本文用系統(tǒng)研究的思想來系統(tǒng)地理解橋梁結(jié)構(gòu)的一些新領(lǐng)域。分析表明橋梁結(jié)構(gòu)是一個(gè)要素和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、具有生存環(huán)境和結(jié)構(gòu)功能的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)可靠性是許多國家開始研究在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的應(yīng)用,使結(jié)構(gòu)可靠性理論的應(yīng)用進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)期。

關(guān)鍵詞:橋梁;結(jié)構(gòu);可靠性

1 橋架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

橋梁是由多種材料、不同結(jié)構(gòu)組合而成的復(fù)雜系統(tǒng)。橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的要素、結(jié)構(gòu)、功能及環(huán)境的簡要示意圖。橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是橋梁工程大系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng),不同的橋梁結(jié)構(gòu)體系又構(gòu)成各個(gè)更低層次的子系統(tǒng)。要素中的各種基本構(gòu)件也構(gòu)成一個(gè)層面上的系統(tǒng),有其自身的要素、結(jié)構(gòu)、功能和環(huán)境。

橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體不等于部分之和。單個(gè)基本構(gòu)件,比如單個(gè)梁構(gòu)件,是無法實(shí)現(xiàn)跨越峽谷甚至海峽的目的的,而多個(gè)構(gòu)件按照一定的構(gòu)造規(guī)則組成懸索橋或斜拉橋就可以實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體功能取決于構(gòu)件單元、結(jié)構(gòu)體系和環(huán)境狀況,其中起決定性的是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),通常只有大跨斜拉橋和懸索橋才能作為跨海大橋的候選橋型,對(duì)抗震性能要求較高的地區(qū),應(yīng)選用抗震性能較好的結(jié)構(gòu)系統(tǒng),如連續(xù)剛構(gòu)、斜拉橋等,或?qū)B續(xù)梁等橋型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn),設(shè)計(jì)支座單元,達(dá)到減震目的。

耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為,在遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的非平衡區(qū)內(nèi),在非線性的非平衡作用下系統(tǒng)演化方向是不確定的,系統(tǒng)的平衡可能失穩(wěn),發(fā)生突變,系統(tǒng)呈現(xiàn)出新的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)是一種非平衡的結(jié)構(gòu),接受環(huán)境注入系統(tǒng)的負(fù)熵流才能穩(wěn)定。橋梁的非線性行為同樣體現(xiàn)了這一思想,橋梁的失穩(wěn)為系統(tǒng)突變所致,地震荷載作用下的橋梁系統(tǒng)的延性抗震性能也是結(jié)構(gòu)非線性性能的體現(xiàn)。

2 橋架結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究思路

2.1 系統(tǒng)識(shí)別與健康監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識(shí)別是通過試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的建模。橋梁結(jié)構(gòu)可以看作“灰箱”系統(tǒng),處于一定環(huán)境中的橋梁結(jié)構(gòu),一定的輸入對(duì)應(yīng)一定的輸出,通過對(duì)系統(tǒng)輸出和輸入的分析,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的判斷和識(shí)別。對(duì)這樣一個(gè)灰箱的識(shí)別首先應(yīng)確立一個(gè)由梁整體監(jiān)測(cè)的許多困難,對(duì)橋梁在使用年限內(nèi)工作特性的變化缺乏全面深入的研究,難以建立客觀統(tǒng)一的橋梁狀態(tài)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。所以整個(gè)技術(shù)的成功開發(fā)乃至系統(tǒng)目標(biāo)的最終實(shí)現(xiàn)有賴于更好地結(jié)合系統(tǒng)自身的要素、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)工作環(huán)境。

具體實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估,當(dāng)前主要有以下幾方面的工作

針對(duì)系統(tǒng)輸出:開發(fā)和應(yīng)用以無線通訊技術(shù)為手段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);開發(fā)能適用于交通荷載風(fēng)荷載及定點(diǎn)測(cè)試荷載的傳感器最優(yōu)布設(shè)技術(shù);

針對(duì)系統(tǒng)輸入和輸出的反向分析:采用動(dòng)態(tài)邊界子結(jié)構(gòu)原理,開發(fā)以結(jié)構(gòu)模型修正法為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù);研究非線性結(jié)構(gòu)模型的時(shí)域評(píng)估方法及系統(tǒng)識(shí)別技術(shù);尋找更適合橋梁監(jiān)測(cè)的新指紋;開發(fā)橋梁觀察與監(jiān)測(cè)收據(jù)管理系統(tǒng)及決策專家系統(tǒng);綜合良態(tài)建模技術(shù),改善有限元模型修正方法;

系統(tǒng)分析的終端應(yīng)用:根據(jù)觀察與監(jiān)測(cè)的結(jié)果分析實(shí)橋的剩余承載能力;建立橋梁安全準(zhǔn)則及能用于橋梁整個(gè)壽命過程經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的估價(jià)模型。

2.2 系統(tǒng)控制

古典控制理論起源于本世紀(jì)20年代,主要以單變量線性定常系統(tǒng)為研究對(duì)象,以頻率法為主要方法研究控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。50年代以來,逐漸出現(xiàn)了多變量系統(tǒng)、系統(tǒng)靈敏度分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)測(cè)試狀態(tài)空間方法和 Bellman動(dòng)態(tài)規(guī)劃等現(xiàn)代控制理論方法。

在系統(tǒng)與控制理論中,主要研究動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下,表現(xiàn)為不確定性的隨機(jī)系統(tǒng),其非線性行為受到越來越多的關(guān)注和研究。尤其在橋梁的抗震和抗風(fēng)領(lǐng)域,近年來從傳統(tǒng)的抗震抗風(fēng)設(shè)計(jì)思路發(fā)展到結(jié)構(gòu)控制思想。目前的結(jié)構(gòu)控制方式主要有被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和混合控制,被動(dòng)控制是通過支座、阻尼器等裝置來消耗輸入系統(tǒng)的外部環(huán)境能量;主動(dòng)控制的基本思想是通過主動(dòng)施加外部能量來抵消和消耗環(huán)境輸入能量,使偏高平衡狀態(tài)的系統(tǒng)在新的注入能量流作用下找到平衡。

3 橋梁結(jié)構(gòu)可靠性理論研究現(xiàn)狀

長期以來,人們就廣泛采用“可靠性”這一概念來定性評(píng)價(jià)產(chǎn)品的質(zhì)量。這種靠人們經(jīng)驗(yàn)評(píng)定其產(chǎn)品可靠、比較可靠、不可靠,沒有一個(gè)量的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。

橋梁可靠性設(shè)計(jì)要解決的問題是在結(jié)構(gòu)承受外荷載和結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計(jì)特征已知的條件下,根據(jù)規(guī)定的目標(biāo)可靠指標(biāo),選擇結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)截面幾何參數(shù),使結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),在規(guī)定的條件下,保證其可靠度不低于預(yù)先給定的值。

可靠性的數(shù)量描述一般用可靠度。我國對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度的研究只限于理論方面,且側(cè)重于可靠度設(shè)計(jì)方面,對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究,特別是對(duì)耐久性評(píng)估理論的研究還很落后。實(shí)際上對(duì)現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)做出正確的可靠性評(píng)估,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出其剩余壽命,才能保證結(jié)構(gòu)在壽命延續(xù)期內(nèi)的安全性,節(jié)省大量的維修加固資金。

我國在橋梁設(shè)計(jì)過程中,存在著考慮強(qiáng)度多而考慮耐久性少;重視強(qiáng)度極限狀態(tài)不重視使用極限狀態(tài);重視橋梁結(jié)構(gòu)的建造而忽視其檢測(cè)和維護(hù),使結(jié)構(gòu)安全性存在不同程度的隱患和缺陷。近幾年來,國內(nèi)發(fā)生的幾起大橋坍塌或局部破壞事故在很大程度上是由于構(gòu)件疲勞損壞(如結(jié)構(gòu)開裂、變形過大等)所導(dǎo)致,從而嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能。為了保證橋梁安全運(yùn)營、延長其使用壽命以及提高橋梁的安全性和耐久性,減少早期橋梁病害,從而節(jié)約后期橋梁的維修費(fèi)用,因而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)可靠性研究非常必要和迫切。

4 工程結(jié)構(gòu)可靠性理論研究發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入二十世紀(jì)80年代后,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性理論研究工作已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)工程中的研究熱點(diǎn),并已出版了許多專著,對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析和先進(jìn)的計(jì)算方法蓬勃發(fā)展。概括而言,如下幾方面是結(jié)構(gòu)可靠度理論研究的熱點(diǎn):

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度分析。對(duì)于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析的非常復(fù)雜的研究課題,許多學(xué)者對(duì)此從不同角度進(jìn)行了研究,提出了一些概念和方法。如結(jié)構(gòu)可靠度分析的一階矩概念及荷載為Ferry Borges Castanheta組合情況下的計(jì)算方法問題;利用系統(tǒng)系數(shù),針對(duì)結(jié)構(gòu)各種破壞水平所對(duì)應(yīng)的極限狀態(tài)不同,計(jì)算系統(tǒng)可靠度并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法;利用蒙特卡洛(Monte-Carlo)法采用重要抽樣技術(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度等,同時(shí),一些學(xué)者還研究了系統(tǒng)可靠度界限的問題?？傊?系統(tǒng)可靠度分析研究內(nèi)容豐富,難度較大。

對(duì)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)分析的改進(jìn),除考慮強(qiáng)度極限狀態(tài)外,還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的正常使用極狀態(tài)、破壞安全極限狀態(tài),以及地震和其他特殊情況下考慮能量耗損極限狀態(tài)等。

目標(biāo)可靠度的量化問題。雖然校準(zhǔn)法已經(jīng)部分解決了這個(gè)問題,但與實(shí)際情況相比,這方面的問題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有解決。

人為差錯(cuò)的分析。許多結(jié)構(gòu)的失效并非由荷載、強(qiáng)度的不確定性造成,而往往是設(shè)計(jì)、施工、使用等環(huán)節(jié)中人為差錯(cuò)造成的,這方面事例很多,已成為目前研究熱點(diǎn)之一。

在役結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估與維修決策問題。對(duì)在役建筑結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估與維修決策正成為建筑結(jié)構(gòu)學(xué)的邊緣學(xué)科,它不僅涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)、斷裂力學(xué)、建筑材料科學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)等基礎(chǔ)理論,而且,與施工技術(shù)、檢驗(yàn)手段、建筑物的維修使用狀況等有密切的關(guān)系。同時(shí),經(jīng)典的結(jié)構(gòu)可靠性理論,在在役結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估中也必將得到相應(yīng)的發(fā)展。

模糊隨機(jī)可靠度的研究。模糊隨機(jī)可靠度理論研究是工程結(jié)構(gòu)廣義可靠度理論研究的重要內(nèi)容,隨著模糊數(shù)學(xué)理論與方法的完善,模糊隨機(jī)可靠度理論也必將進(jìn)一步完善和發(fā)展。

結(jié)語:

橋梁工程問題的解決總是理論與工程經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合,掌握的知識(shí)越多,主觀經(jīng)驗(yàn)越少,橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)越合理,這也正是橋梁工程技術(shù)研究追求的目標(biāo)。橋梁結(jié)構(gòu)可靠度理論研究是內(nèi)容極其豐富且復(fù)雜的重大研究課題,不僅僅在理論上有許多重大問題需要解決,而且,將其應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評(píng)估及維修決策之中尚有許多細(xì)致的工作要做。

參考文獻(xiàn)

[1]《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F41-2000)

[2]《公路橋梁工程建設(shè)危舊橋測(cè)試改造拆除加固維修技術(shù)及典型案例分析實(shí)務(wù)全書》 胡智慧 楊道江 光明日?qǐng)?bào)出版社

[3]劉玉彬.工程結(jié)構(gòu)可靠度理論研究綜述[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2002,19(2):41-43.