大跨度橋的安全性檢測理論的幾點思考

大跨度連續(xù)梁橋施工控制的主要目的是使成橋線形和內力最大限度地滿足設計要求。影響大跨度連續(xù)梁橋施工控制精度的因素眾多。其中，在施工過程中，溫度是影響控制精度的一個非常重要的因素。目前施工控制方法主要有三種:一是采用糾偏終點控制法。二是應用現(xiàn)代控制理論中的自適應控制法，三是設計時給予主梁標高和內力最大的誤差容許值控制法。

但隨著跨度的增大，從幾百m到3000m，加勁梁的高跨比越來越小，(1/40-1/300);安全系數(shù)也隨之下降，由以前的4-5下降為2-3。另外，由于其柔性大，頻率低，對風的作用很敏感。由于缺乏必要的監(jiān)測和相應的養(yǎng)護，世界各地出現(xiàn)了大量橋梁損壞事故，給國民經(jīng)濟和生命財產造成了巨大損失。浸沒在氣流中的任一物體，都會受到氣流的作用，這種作用通常稱為空氣力作用。當氣流繞過一般為非流線形(鈍體)截面的橋梁結構時，會產生渦旋和流動的分離，形成復雜的空氣作用力。當橋梁結構的剛度較大時，結構保持靜止不動，這種空氣力的作用只相當于靜力作用;當橋梁結構的剛度較小時，結構振動得到激發(fā)，這時空氣力不僅具有靜力作用，而且具有動力作用。風的動力作用激發(fā)了橋梁風致振動，而振動起來的橋梁結構又反過來影響空氣的流場，改變空氣作用力，形成了風與結構的相互作用機制。當空氣力受結構振動的影響較小時，空氣作用力作為一種強迫力，引起結構的強迫振動，當空氣力受結構振動的影響較大時，受振動結構反饋制約的空氣作用力，主要表現(xiàn)為一種自激力，導致橋梁結構的自激振動。當空氣的流動速度影響或改變了不同自由度運動之間的振幅及相位關系，使得橋梁結構能夠在流動的氣流中不斷汲取能量，而該能量又大干結構阻尼所耗散的能量，這種形式的發(fā)散性自激振動稱為橋梁顫振。橋梁顫振物理關系復雜，振動機理深奧，因而橋梁顫振穩(wěn)定性研究也經(jīng)歷了由古典耦合顫振理論到分離流顫振機理再到三維橋梁顫振分析的發(fā)展過程。

一、古典耦合顫振理論

盡管由氣動彈性影響所引起的機翼動力失穩(wěn)現(xiàn)象早在人類實現(xiàn)空中飛行夢想的最初年代里已經(jīng)觀察到了，但是非定常機翼顫振理論直到20年代初才取得了實質性的進展。

Theodorsen機翼顫振理論

Bleich懸索橋顫振分析

KLoppel/Thiele諾模圖

Van der Put計算公式

二、三線橋梁顫振分析

Scanlan提出的非定常氣動力計算模型較好地解決了非流線形截面的非定常氣動力描述問題，其中二維顫振分析最為簡單實用。但是隨著橋梁跨徑的日益增大，結構剛度急劇下降，特別是側向剛度的下降，導致了側彎與扭轉振型緊密耦合。此外，結構各階自振頻率的差異很小，兩個或兩個以上振型參予顫振的可能性逐漸增加，因此，為了提高橋梁顫振分析精度，有必要尋求更精確的三維橋梁額振分析方法。

1、時域分析法

盡管橋梁顫振分析一般是在頻域內進行的，但是也出現(xiàn)了一些時域分析方法。早在70年代初，Scanlan，Behveau和Budlong采用飛行器設計中的傳遞函數(shù)首先提出了全時域分析方法，Bucher和Lin將這種方法推廣到了耦合模態(tài)顫振。但是，這一方法的主要困難在于尋找與實驗所確定的氣動導數(shù)相對應的合適的過渡函數(shù)，特別是當截面為非流線型時，難度更大。近年來。人們之所以投入了大量的精力從事開發(fā)有效的非定常氣動力的時域表達式，主要是因為這種時域表達式既可與有限元結構計算模型相結合又能包含幾乎所有的非線性因素，而這些非線性因素以前是一概忽略的。時域方法的發(fā)展是與諸如日本Akashi橋、丹麥Storebraelt橋和意大利的Messina橋等超大跨度橋梁的規(guī)劃和設計緊密聯(lián)系在一起的。

2、多模態(tài)耦合顫振

三維橋梁顫振分析更多地是采用頻域分析方法。放棄片條假定后的三維橋梁顫振分析方法的應用還只有很短的歷史，這種分析主要通過兩種不同的途徑來實現(xiàn):第一條途徑是將頻率或時域內的非定常氣動力直接作用到結構的三維有限元計算模型上，一般稱為直接方法I第二條途徑是把結構響應看作是分散在各階模態(tài)上的影響，然后將各階模態(tài)所對應的響應疊加起來，稱為模態(tài)疊加法。

3、全模態(tài)顫振分析

全模態(tài)顫振分析方法是由本文作者提出的一種適合于大跨度橋梁顫振計算的方法，它是在scanlan非定常氣動力假定基礎上建立起來的一種頻域內顫振分析的精確方法，是對多模態(tài)顫振分析的一種推廣

三、橋梁安全監(jiān)測的意義

1994年10月韓國漢城發(fā)生了橫跨漢江的圣水大橋中央斷場50m，其中15m掉入江中，造成死亡32人、重傷17人的重大事故。據(jù)稱造成橋梁在行車高峰期突然斷裂的原因是長期超負荷運營，鋼梁螺栓及桿件疲勞破壞所致。

1940年完工的主跨853m的塔可馬大橋(Tacoma Narrows)，只使用了三個月，便在19m/s的風速下成了塌橋事故:1951年主跨1280m的金門大橋于風速15-1520m/s時因振動而造成橋體部分損壞，過去十幾年里，我國已建成一批大跨度橋梁，僅上海就有南浦、楊浦和徐浦大橋等具有世界先進水平的橋梁，另外，香港的青馬大橋和虎門的虎門大橋又是我國首次建立的懸索橋，近年來我國特別是沿海地區(qū)交通發(fā)展迅速。迫切需要建立一大批大跨度橋梁。為了確保這些耗資巨大，與國計民生密切相關的大橋的安全耐久，必須對這些大橋進行連續(xù)的監(jiān)測。

四、橋梁位移監(jiān)測儀器的現(xiàn)狀

大跨度橋梁受風荷載，車載，溫度和地震影響較大，而在沿海地區(qū)一般無地震，主要受臺風，車載和溫度的影響，為保證其在上述條件下的安全運營，必須研究橋梁在上述條件下的實際位移曲線，而目前對風的研究僅局限于理論和模型實驗，對實橋在風作用下的研究還不充分，對車載的研究也只是在特定時間和空間下進行。主要原因是測試儀器的不合理.對大橋不能連續(xù)實時監(jiān)測。目前用于結構監(jiān)測的儀器主要有:經(jīng)緯儀、位移傳感器、加速度傳感器和激光測試方法。

上海楊浦大橋就采用的是全站儀自動掃描法，對各個測點進行7s一周的連續(xù)掃描，其缺點是各測點不同步以及大變形時不可測。位移傳感器是一種接觸型傳感器，必須與測點相接觸，其缺點是對于難以接近點無法測量以及對橫向位移測量有困難。

加速度傳感器，對于低頻靜態(tài)位移鑒別效果差，為獲得位移必須對它進行兩次積分，精度不高，也無法實時。而大型懸索橋的頻率一般都較低。激光法測試精度較高，但在橋梁晃動大時由于無法捕捉光點也無法測量。

五、橋架空全監(jiān)測的理論研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)檢測手段可以對橋梁的外觀及某些結構特性進行監(jiān)測。檢測的結果一般也能部分地反映結構當前狀態(tài)，但是卻難以全面反映橋梁的健康狀況，尤其是難以對橋梁的安全儲備以及退化的途徑作出系統(tǒng)的評估。此外常規(guī)的檢測技術也難以發(fā)現(xiàn)隱秘構件的損傷。目前得到普遍認同的一種最有前途的方法就是結合系統(tǒng)識別，振動理論，振動測試技術，信號采集與分析等跨學科技術的實驗模態(tài)分析法。

在系統(tǒng)參數(shù)識別方面目前普遍采用兩種方法:頻域法和時域法。頻域法利用所施加的激勵和由此得到的響應，經(jīng)過FFT分析得到頻響函數(shù)，然后采用諸如多項式擬和的方法得到模態(tài)參數(shù)，由于可以采用多次平均來消除隨機誤差對頻響函數(shù)的影響，采用頻域識別方法的精度有一定的保證。

大跨度橋的應用研究已經(jīng)十分廣泛和深入，國內在許多方面與國外還有一定的差距，這就要求我們工程技術人員還要加倍的努力，以達到世界先進水平。