橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別評(píng)價(jià)應(yīng)用技術(shù)研究

郭訓(xùn)如

（河南省濮陽(yáng)市農(nóng)村公路管理處，河南 濮陽(yáng) 457000）

隨著橋梁在交通運(yùn)輸中占據(jù)日益重要的地位，橋梁設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)的不斷進(jìn)步使得橋梁跨度不斷有新的突破，結(jié)構(gòu)形式也日趨復(fù)雜。但是，目前中、老齡橋梁在國(guó)內(nèi)陸路交通網(wǎng)絡(luò)中占相當(dāng)?shù)谋戎?，隨著橋齡的增長(zhǎng)，由于環(huán)境、氣候等自然因素的作用、日益增加的交通量及重車、超重車過橋數(shù)量的不斷增加和人為事故等因素，不少橋梁已出現(xiàn)嚴(yán)重的功能退化情況。而建造和維護(hù)大型橋梁需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，滯后于橋梁建設(shè)與發(fā)展的綜合監(jiān)測(cè)及評(píng)估手段，使橋梁管理層和決策層無法對(duì)其整體使用性能做出客觀準(zhǔn)確的評(píng)估，因此也無法采用低成本、高效益的維修養(yǎng)護(hù)方法。在這種形勢(shì)下，建立與之相適應(yīng)相匹配的橋梁綜合監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)成為橋梁界研究的熱點(diǎn)之一，具有極為重要的意義。

1 國(guó)內(nèi)外橋梁安全識(shí)別與評(píng)價(jià)研究概況

針對(duì)不同類型的新舊橋梁損傷和老化現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外橋梁研究人員提出了各種各樣的損傷檢測(cè)技術(shù)。大體上說，主要分為3類。

1.1 基于靜載試驗(yàn)的橋梁損傷識(shí)別評(píng)價(jià)技術(shù)

基于靜載試驗(yàn)的橋梁結(jié)構(gòu)整體損傷識(shí)別是在橋梁停止使用的狀態(tài)下對(duì)橋梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，量測(cè)與橋梁結(jié)構(gòu)性能有關(guān)的靜力參數(shù)，如橋梁在靜載下的變形、撓度、應(yīng)變、裂縫等。通過分析這些參數(shù)，可直接判定全橋靜承載能力，并得出結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及抗裂性能。在橋梁結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)中，基于靜載測(cè)試的橋梁結(jié)構(gòu)分析方法是主要的和基本的方法，也是目前對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能的比較直觀、可靠的檢測(cè)方法，在我國(guó)已經(jīng)有成熟的方法和標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 基于動(dòng)載試驗(yàn)的橋梁損傷識(shí)別評(píng)價(jià)技術(shù)

基于動(dòng)載測(cè)試的橋梁結(jié)構(gòu)整體損傷識(shí)別是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力荷載試驗(yàn)，利用結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能作為判斷橋梁運(yùn)營(yíng)狀況和承載力的依據(jù)。該方法是對(duì)待測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)，通過振動(dòng)測(cè)試、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析與處理，由系統(tǒng)的輸入和輸出確定結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，根據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特性來識(shí)別損傷。

1.2.1 基于結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)頻率的損傷識(shí)別方法

在動(dòng)力參數(shù)中，固有頻率是比較容易獲得的一個(gè)參數(shù)，識(shí)別精度高，因此是損傷中應(yīng)用比較廣泛的模態(tài)參數(shù)。由結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征方程可知，頻率是結(jié)構(gòu)整體剛度與整體質(zhì)量的函數(shù)，是一個(gè)整體量。結(jié)構(gòu)某個(gè)構(gòu)件或某一部分發(fā)生損傷都會(huì)造成結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度減小，引起頻率變化。因此可用固有頻率的變化來確定結(jié)構(gòu)的損傷。目前，利用結(jié)構(gòu)固有頻率的變化進(jìn)行損傷識(shí)別的方法有很多。

1.2.2 基于結(jié)構(gòu)振型的損傷識(shí)別方法

由于振型包含較多的損傷信息，且模態(tài)振型的變化對(duì)損傷較為敏感，因此可用振型來確定結(jié)構(gòu)的損傷。很多學(xué)者從振型的基礎(chǔ)上提取出許多模態(tài)參數(shù)，如MAC和COMAC，MSF、曲率模態(tài)等。

模態(tài)比例因子（MSF）判別法：

式（1）表示振型相關(guān)圖的最佳直線的斜率。當(dāng)模態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系不知道時(shí)，可用坐標(biāo)模態(tài)因子對(duì)其進(jìn)行分析。當(dāng)MSF接近于0時(shí)，說明損傷前后的模態(tài)不相關(guān)，即結(jié)構(gòu)中有損傷，當(dāng)MSF接近于1時(shí)，說明損傷前后的模態(tài)相關(guān)性好，即結(jié)構(gòu)中無損傷。

曲率模態(tài)判別法：

曲率模態(tài)與梁截面的彎曲剛度有關(guān)，梁在某點(diǎn)的曲率vi=M/EI，損傷減小截面剛度，增加損傷截面的曲率。計(jì)算模態(tài)時(shí)，通過位移中心差分可得曲率模態(tài)振型。曲率模態(tài)振型對(duì)損傷很敏感，因此用來識(shí)別損傷。計(jì)算公式如下：

式（2）中yi為i點(diǎn)的位移；h為測(cè)點(diǎn)間距。

振型變化圖形判別法：

以振型相對(duì)變化量作為定位參數(shù)，即損傷前后振型的差值與損傷前振型的比值。當(dāng)發(fā)生損傷時(shí)，受到影響的自由度上的振型相對(duì)變化量在損傷區(qū)域內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)較大的值，所以可以用來識(shí)別損傷位置。

1.2.3 基于剛度和柔度矩陣的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷診斷時(shí)，由于損傷多表現(xiàn)為剛度的下降，很自然地想到要利用剛度矩陣來判斷結(jié)構(gòu)損傷。Park和Lee運(yùn)用損傷結(jié)構(gòu)與未損傷結(jié)構(gòu)之間的剛度誤差來定位損傷，對(duì)于大的損傷，此方法非常有效。但Gysin認(rèn)為損傷剛度矩陣法只有在包含了足夠多的振型，尤其是包含了那些對(duì)結(jié)構(gòu)剛度矩陣影響較大的振型時(shí)，此方法才有效。

柔度矩陣與剛度矩陣是互逆的，利用柔度矩陣與剛度矩陣的互逆性，根據(jù)振動(dòng)理論，可得到以下表達(dá)式：

式中：F：結(jié)構(gòu)的柔度矩陣；

φi：振型矩陣的列向量；

λi：對(duì)角矩陣Λ的元素，即固有頻率的平方；

n：結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)。

可以看出，柔度矩陣F的元素反比于固有頻率的平方，即低階振動(dòng)的模態(tài)和頻率信息在F中所占的影響成分很大，實(shí)際應(yīng)用中，一般只能測(cè)得結(jié)構(gòu)最低的幾階模態(tài)與頻率，以此來近似得出實(shí)際的柔度矩陣。

1.2.4 基于結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)變類參數(shù)損傷識(shí)別方法

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論可知：當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，損傷附近區(qū)域?qū)a(chǎn)生較顯著的應(yīng)力重分布，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)將發(fā)生改變，應(yīng)變是位移的一階導(dǎo)數(shù)，根據(jù)損傷前后位移和應(yīng)變模態(tài)，就可判斷損傷的位置。

2 橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)存在的問題

通過研究現(xiàn)狀的闡述，當(dāng)前結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別存在的主要問題有：

（1）現(xiàn)役公路橋梁上存在著大量的中小跨徑梁橋，采用傳統(tǒng)荷載試驗(yàn)的方式進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，有關(guān)部門難以對(duì)橋梁的養(yǎng)護(hù)、維修、加固、監(jiān)測(cè)進(jìn)行有效的科學(xué)管理，使得大量公路橋梁的健康檢測(cè)受到限制、拖延，乃至忽略。

（2）缺少通用的損傷量化指標(biāo)。目前提出的損傷指標(biāo)一般只能進(jìn)行損傷的識(shí)別與定位，而無法進(jìn)行損傷程度的標(biāo)定。

（3）建模誤差及測(cè)量誤差問題。測(cè)量噪聲和模型誤差在損傷檢測(cè)過程中是不可避免的，它們對(duì)損傷檢測(cè)的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，如何較好地將這些不確定性的因素與確定性的損傷診斷有機(jī)地結(jié)合起來，是解決該問題的關(guān)鍵。

3 課題研究的主要內(nèi)容

文章結(jié)合目前橋梁工程檢測(cè)的若干問題，在已有的研究成果上，進(jìn)行簡(jiǎn)支梁橋幾何變形分析，探討其結(jié)構(gòu)截面、開裂曲率與撓曲變形的關(guān)系；應(yīng)用有限元軟件ANSYS分析驗(yàn)證試驗(yàn)檢測(cè)的撓度可靠性。課題主要研究?jī)?nèi)容如下：

（1）收集分析橋梁安全識(shí)別與評(píng)價(jià)技術(shù)現(xiàn)狀、橋梁檢測(cè)測(cè)量的內(nèi)容，總結(jié)現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)存在的問題。

（2）建立橋梁檢測(cè)測(cè)量控制網(wǎng)，采用全站儀觀測(cè)橋梁變形，取得詳細(xì)的橋梁變形基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性。

（4）進(jìn)行簡(jiǎn)支梁橋幾何變形分析，找出其結(jié)構(gòu)截面、開裂曲率與撓曲變形的關(guān)系；并應(yīng)用有限元軟件ANSYS分析驗(yàn)證試驗(yàn)檢測(cè)的撓度可靠性。

（5）分析結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率的改變來進(jìn)行損傷識(shí)別的原理，提出利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)振頻方程進(jìn)行橋梁評(píng)價(jià)的方法。