橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)及安全性評(píng)估

余利 姚鵬勛

摘要：近年來(lái)，隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，橋梁的重要性越來(lái)越大，其通行能力、承載能力和結(jié)構(gòu)安全是交通正常運(yùn)行的關(guān)鍵，但由于交通量的增大、重型汽車(chē)的增加以及人類(lèi)或自然環(huán)境影響，我國(guó)現(xiàn)役橋梁劣化程度嚴(yán)重，橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)和安全評(píng)估成了橋梁功能和安全的重要保證。本文介紹了目前國(guó)內(nèi)外采用的橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)和安全性評(píng)估的主要方法，并總結(jié)了這些方法的使用現(xiàn)狀和不足之處。

關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu) 損傷檢測(cè) 安全性評(píng)估

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，橋梁的重要性越來(lái)越大，其通行能力、承載能力和結(jié)構(gòu)安全是交通正常運(yùn)行的關(guān)鍵，但由于交通量的增大、重型汽車(chē)的增加以及人類(lèi)或自然環(huán)境影響，我國(guó)現(xiàn)役橋梁劣化程度嚴(yán)重。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行檢測(cè)和安全性評(píng)估，及早發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)上的缺隱或損傷，對(duì)于保證橋梁的安全運(yùn)行有著極為重要的實(shí)際意義。

一、橋梁損傷檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

為了掌握橋梁的技術(shù)狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行加固整修，確保橋梁運(yùn)營(yíng)安全，延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命，防止交通安全事故的發(fā)生，目前全球各國(guó)都在積極開(kāi)發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)技術(shù)和安全性評(píng)估技術(shù)，包括振動(dòng)測(cè)試法、沖擊振動(dòng)試驗(yàn)法、超場(chǎng)波檢測(cè)法等多種橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)技術(shù)。在具體應(yīng)用中，對(duì)既有橋梁進(jìn)行損傷檢測(cè)和安全性評(píng)估時(shí)，主要采用靜力評(píng)估法和動(dòng)力評(píng)估法兩種方法。其中，靜力評(píng)估法又稱(chēng)為荷載試驗(yàn)法，其基本思路是用等效于設(shè)計(jì)荷載的車(chē)輛荷載來(lái)對(duì)橋梁進(jìn)行加載，以測(cè)量橋梁的應(yīng)變和撓度等指標(biāo)，同設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，從而通過(guò)檢驗(yàn)系數(shù)來(lái)對(duì)橋梁的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。動(dòng)力評(píng)估法是利用振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行檢測(cè)的方法，其基本思路是對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，從結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的改變來(lái)判定橋梁結(jié)構(gòu)是否存在損傷，并利用結(jié)構(gòu)破壞前后動(dòng)力學(xué)特性的變化來(lái)診斷出結(jié)構(gòu)的損傷。

總的來(lái)說(shuō)，近年來(lái)在橋梁損傷檢測(cè)和安全性評(píng)估方面的研究，已經(jīng)取得了極大的發(fā)展，但依然存在眾多問(wèn)題，究其主要原因，一方面是因?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和材料的多樣性，其各個(gè)部分的應(yīng)力狀態(tài)、動(dòng)力特性、剛度等差異較大，用單一的動(dòng)力特性變化指標(biāo)很難評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)。另一方面則是因?yàn)楝F(xiàn)有的檢測(cè)及評(píng)估指標(biāo)對(duì)環(huán)境因素的考慮不足，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)損傷后整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的非線性特性把握不全面，無(wú)法全面或者正確的反映橋梁結(jié)構(gòu)損傷的實(shí)際情況。此外，測(cè)量?jī)x器的精度和效率也有待提高。

二、橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法

橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)通常分為局部檢測(cè)和整體檢測(cè)兩類(lèi)，局部檢測(cè)是對(duì)橋梁重點(diǎn)部位進(jìn)行細(xì)致的檢測(cè)，主要是為了清楚結(jié)構(gòu)局部的物理、力學(xué)、構(gòu)造特性的實(shí)際狀態(tài)。整體檢測(cè)是從全局上把握橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)。

對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)、施工和維修加固的質(zhì)量和效果，可采用表觀檢測(cè)法進(jìn)行檢查，分析橋梁結(jié)構(gòu)各部分的運(yùn)行情況，分析出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的原因。此外，還可以采用各種儀器，如X射線、超場(chǎng)波、顯微鏡、聲學(xué)儀器、光學(xué)儀器等，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行檢測(cè)，這些設(shè)備價(jià)格昂貴，在檢測(cè)前需要對(duì)損傷的部位有一定的了解。對(duì)于與橋梁承載能力有關(guān)的變形、撓度、應(yīng)變、裂縫等結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，則可以通過(guò)靜載試驗(yàn)進(jìn)行，包括靜應(yīng)變測(cè)量、靜位移測(cè)量，通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到的應(yīng)變和位移推算出橋梁結(jié)構(gòu)有關(guān)的內(nèi)力值和撓度值，從檢測(cè)得出的參數(shù)中分析得出結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和抗裂性能。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，則需要通過(guò)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)荷載試驗(yàn)，以判斷橋梁運(yùn)營(yíng)狀況和承載能力，比如通過(guò)動(dòng)力放大系數(shù)確定車(chē)軸荷載對(duì)橋梁的動(dòng)力作用，這種理論的根據(jù)來(lái)源于結(jié)構(gòu)損傷必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變。

除了傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)外，隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)還發(fā)展出了一些新興橋梁損傷檢測(cè)技術(shù)，如基于GPRS技術(shù)的橋梁檢測(cè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可以迅速、安全的將橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。再如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在橋梁檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法構(gòu)造BP模型，與橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)建立映射關(guān)系，僅需對(duì)部分橋索受力情況進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，便可得除其余橋索受力情況。此外，數(shù)字圖像處理技術(shù)、光纖應(yīng)變傳感器測(cè)試系統(tǒng)等新興技術(shù)，在橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中都得到了極大的發(fā)展，有效的消除了檢測(cè)盲區(qū)，降低了單點(diǎn)檢測(cè)成本。

三、橋梁損傷識(shí)別方法

近年來(lái)，動(dòng)力破損評(píng)估法是橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別上常用的方法，其中基于模態(tài)參數(shù)損傷識(shí)別方法在實(shí)際應(yīng)用中被采用較為廣泛。其主要損傷識(shí)別方法包括以下幾類(lèi)：

1.基于固有頻率的損傷識(shí)別法

由于新材料、新技術(shù)在橋梁建設(shè)工程中的廣泛應(yīng)用，橋梁結(jié)構(gòu)形狀日趨復(fù)雜，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷和安全性評(píng)估時(shí)，有些位置不適合布置測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，這種情況下基于模態(tài)振型的損傷識(shí)別方法很難適用，但采用基于固有頻率的識(shí)別方法，卻有著測(cè)試簡(jiǎn)單、方法成熟、精度高的優(yōu)點(diǎn)，尤其是測(cè)試數(shù)據(jù)較長(zhǎng)，進(jìn)行多數(shù)據(jù)點(diǎn)頻譜分析時(shí)，更可以得到較精確的頻率分析，真實(shí)的反映出結(jié)構(gòu)損傷引起的頻率變化。實(shí)際測(cè)試中，一般僅需要對(duì)一兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行固有頻率測(cè)試，即可得出結(jié)構(gòu)多階自振頻率。

2.剛度和柔度矩陣法

橋梁結(jié)構(gòu)損傷通常表現(xiàn)為橋梁結(jié)構(gòu)剛度下降，所以采用剛度矩陣來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的損傷，運(yùn)用損傷結(jié)構(gòu)與未損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷得出剛度差，從而來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行定位具有極大的可行性，這種方法對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)大的損傷非常有效。但是，這種采取誤差對(duì)比的方法來(lái)判斷結(jié)構(gòu)損傷的檢測(cè)技術(shù)，需要包含足夠多的振蕩模型，尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)剛度矩陣影響較大的振蕩模型。柔度矩陣法則通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)低階振型，根據(jù)高階所占份量由于頻率的增大而迅速減小的原理，準(zhǔn)確的估計(jì)出結(jié)構(gòu)的柔度矩陣變化。

3.靈敏度結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別法

利用靈敏度檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)損傷，首先需要得到橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)或者在動(dòng)力響應(yīng)時(shí)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的靈敏度矩陣，再對(duì)結(jié)構(gòu)損傷前后的模態(tài)參數(shù)變化或者動(dòng)力響應(yīng)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的變化，來(lái)判斷橋梁結(jié)構(gòu)損傷。目前常用的靈敏度結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別法， 有實(shí)驗(yàn)靈敏度識(shí)別法、解釋靈敏度識(shí)別法、特征參數(shù)靈敏度分析法、噪聲靈敏度分析法、水平靈敏度分析法、正交關(guān)系靈敏度分析法等。各種基于靈敏度的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法， 其主要的區(qū)別在于形成靈敏度矩陣的方法上。

4.小波變換法

小波變換法可以看作是傅里葉變換法的擴(kuò)展，采取可調(diào)整的視頻窗口，以“可變焦”性能對(duì)局部信號(hào)進(jìn)行多尺度刻畫(huà)，其實(shí)質(zhì)是對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的原始信號(hào)進(jìn)行濾波處理，這種技術(shù)在損傷識(shí)別上有著極大的優(yōu)勢(shì)?？梢愿鶕?jù)結(jié)構(gòu)損傷的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，以動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)作為結(jié)構(gòu)損傷的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行有效的分析的判斷。

5.橋梁結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估

橋梁結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估一般分為初步評(píng)估和詳細(xì)評(píng)估兩個(gè)層次，初步評(píng)估主要用于橋梁安全性程度的評(píng)測(cè)，以根據(jù)橋梁重要性程度決定是否進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。初步評(píng)估主要是對(duì)橋梁耐震、耐荷、耐沖刷能力進(jìn)行評(píng)測(cè)。詳細(xì)評(píng)估則是根據(jù)橋梁實(shí)際情況，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)憲詳細(xì)分析以計(jì)算出橋梁的耐震和耐荷能力，最終評(píng)測(cè)橋梁安全性程度。

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