智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

馬翠花

(山西路華通工程咨詢有限公司，山西太原 030006)

智能預(yù)應(yīng)力技術(shù)是傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力技術(shù)基礎(chǔ)上一次質(zhì)的飛躍，作為調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力、控制結(jié)構(gòu)變形的重要手段，特別是給工程控制中的小應(yīng)力、小變形控制難題提供了解決途徑，具有良好的應(yīng)用前景。

以梁橋?yàn)槔簶蛞允軓潪橹鞯闹髁鹤鳛槌兄貥?gòu)件的橋梁。長期高應(yīng)力狀態(tài)下的主梁容易發(fā)生徐變，將影響橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用。而將智能預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于梁橋主梁，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)精確調(diào)整主梁預(yù)應(yīng)力大小，可以很好地保障橋梁結(jié)構(gòu)安全。

1 智能預(yù)應(yīng)力

預(yù)應(yīng)力是指結(jié)構(gòu)在沒有承受荷載之前，預(yù)先對其施加應(yīng)力，結(jié)構(gòu)內(nèi)力重復(fù)、遷移和質(zhì)變從而使得結(jié)構(gòu)剛度、耐久性和承載能力提高的一種技術(shù)，包括單次預(yù)應(yīng)力和多次預(yù)應(yīng)力。單次預(yù)應(yīng)力是只對結(jié)構(gòu)加載一次預(yù)應(yīng)力來抵消荷載效應(yīng)，多次預(yù)應(yīng)力是通過“加載—張拉—再加載—再張拉”的循環(huán)過程來抵消荷載效應(yīng)(見圖1)。多次預(yù)應(yīng)力的原理主要是多次利用材料彈性強(qiáng)度的優(yōu)勢，降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力，提高承載力，減小結(jié)構(gòu)的變形，降低結(jié)構(gòu)的成本。而智能預(yù)應(yīng)力更是將多次預(yù)應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)的使用過程中，根據(jù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力和變形等自動調(diào)整預(yù)應(yīng)力，使得結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力和變形控制在規(guī)定的范圍以內(nèi)。

圖1 預(yù)應(yīng)力提高承載性能的原理

智能預(yù)應(yīng)力發(fā)展的前提條件：1)信息技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為智能化提供了工具。2)工程檢測技術(shù)的發(fā)展。新型檢測技術(shù)層出不窮，高精度檢測成可能，打破了傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷。3)記憶金屬材料的發(fā)展，帶來了預(yù)應(yīng)力材料技術(shù)的新發(fā)展。上述技術(shù)的發(fā)展，使具有仿生意義的智能預(yù)應(yīng)力技術(shù)面世才成為可能。

智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的構(gòu)成除預(yù)應(yīng)力鋼材和錨具等材料外，主要還包括硬件及軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要是傳感器、電子控制線路(控制器)和動作器三個組成部分。對結(jié)構(gòu)狀態(tài)較敏感的傳感器采集主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、速度、溫度等信息;控制器根據(jù)采集器收集的信息做出調(diào)整方案;動作器根據(jù)調(diào)整方案調(diào)整主梁的受力狀態(tài)。軟件系統(tǒng)是控制決策系統(tǒng)。通過三部分的結(jié)合，使主梁主動適應(yīng)外部荷載和內(nèi)部應(yīng)力變化(見圖2)。

圖2 智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

主梁的智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)主動適應(yīng)外部環(huán)境與內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化，且對結(jié)構(gòu)自身在長期作用下的老化、損害等引起的各種結(jié)構(gòu)的變化，做到“自檢測、自調(diào)整、自適應(yīng)”的目標(biāo)。

2 智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的工程，涉及到了結(jié)構(gòu)工程及機(jī)械與傳動等很多方面。本文將從自身結(jié)構(gòu)，控制硬件及控制軟件方面做初步的設(shè)計(jì)探討。

2.1 自身結(jié)構(gòu)

1)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力與體外預(yù)應(yīng)力。體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)處于混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，因其與結(jié)構(gòu)完全粘結(jié)，結(jié)構(gòu)的耐久性容易出問題。而外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)是力筋在混凝土體外，便于檢測、更換和保養(yǎng)。由于需要根據(jù)承載力等調(diào)整自身的預(yù)應(yīng)力值，一般選擇體外預(yù)應(yīng)力體系。

2)梁的剛度及預(yù)應(yīng)力筋。主梁自身的剛度在外部荷載、使用環(huán)境及內(nèi)部應(yīng)力的共同作用下，結(jié)構(gòu)性能保持穩(wěn)定，同時，基頻必須高于車輛或者行人，防止二者共振。

預(yù)應(yīng)力筋選擇時，一般體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)使用高強(qiáng)度鋼絲束或無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞等傳統(tǒng)錨具材料;非金屬復(fù)合筋材材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，適宜作為體外力筋使用，防止脆性破壞。

在承受荷載的體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，須考慮體外筋與結(jié)構(gòu)的獨(dú)立振動性，主要是防止二者形成共振，如果體外預(yù)應(yīng)力筋在動力荷載作用下發(fā)生共振，錨具的疲勞破壞和轉(zhuǎn)向構(gòu)件處的預(yù)應(yīng)力筋的彎折疲勞破壞就極易發(fā)生。在地震區(qū)設(shè)計(jì)時還必須考慮提高體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.2 控制硬件

智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)硬件包括傳感器、控制器及動作器三部分。

1)傳感器。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出。傳感器應(yīng)對結(jié)構(gòu)狀態(tài)敏感，適應(yīng)性好，抗干擾能力強(qiáng)。傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變式傳感器靈敏度及精確度高，測量范圍大，但是容易受到干擾。一般選用布拉格光柵應(yīng)變傳感器，其有耐腐蝕，耐久性好，能避免磁場干擾，不影響應(yīng)力結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。新技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展，市場上出現(xiàn)了有記憶合金傳感器，碳纖維傳感器等新型傳感器。傳感器各項(xiàng)指標(biāo)比較見表1。

表1 四種傳感器各項(xiàng)指標(biāo)比較

在不同的使用環(huán)境中，根據(jù)被測對象的實(shí)際情況，選擇多種傳感器相互搭配，取長補(bǔ)短，以達(dá)到更好的檢測效果。

2)控制器。控制器主要是接受輸入的傳感器信息和外部命令進(jìn)行集中、存儲、分析及加工等信息處理，并輸出執(zhí)行命令到動作器。它是智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的中樞，它直接決定了智能控制系統(tǒng)的控制效果。主要有單片機(jī)、可編程控制器等。選擇合適的控制器是智力控制系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

3)動作器。動作器是對接受的控制器信息進(jìn)行執(zhí)行的機(jī)構(gòu)。主要有電氣驅(qū)動器、流體驅(qū)動器、可記憶金屬驅(qū)動器等。液壓、氣壓驅(qū)動需要備有動力源，不宜長期待機(jī);可記憶金屬驅(qū)動等新型技術(shù)精度高，成本也不菲，目前技術(shù)還不適宜應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu);電氣驅(qū)動成本低，效率高，易于控制，適宜于智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)。從驅(qū)動部件到受控對象要通過機(jī)械傳動。機(jī)械傳動一般選擇滾動摩擦的傳動機(jī)構(gòu)，具有精度高，摩擦小、壽命長、傳動平穩(wěn)的特點(diǎn)。

2.3 控制軟件

傳統(tǒng)的控制方法難以完成智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的控制，智能控制則是將自動控制與人工智能很好地結(jié)合來解決傳統(tǒng)方法難以解決的問題。智能控制就是依據(jù)人工智能的理論與技術(shù)和運(yùn)籌學(xué)的優(yōu)化方法，并將其同控制理論的方法和技術(shù)相互結(jié)合，在未知的環(huán)境下，仿效人工智能，來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。主要包括四部分，分別是：模糊邏輯控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法。模糊控制的基本思想是用機(jī)器去模擬人對系統(tǒng)的控制，適用于任意復(fù)雜的對象控制。專家系統(tǒng)是利用專家知識對專門的或困難的問題進(jìn)行描述。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要特征是具備類似人類的學(xué)習(xí)功能，在復(fù)雜多變的環(huán)境中進(jìn)行有效的自我調(diào)節(jié)。遺傳算法作為一種非確定的擬自然隨機(jī)優(yōu)化搜索工具，具有并行計(jì)算、搜索覆蓋面大、快速尋找全局最優(yōu)解等特點(diǎn)，一般用于智能控制的參數(shù)、結(jié)構(gòu)或環(huán)境的最優(yōu)控制。智能控制系統(tǒng)是將多種策略相互結(jié)合，取長補(bǔ)短，組成復(fù)合的控制算法，使智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)對使用環(huán)境不斷的適應(yīng)性。智能控制系統(tǒng)核心是高層控制，具有非線性和變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、可以總體自尋優(yōu)特征、能滿足多樣性目標(biāo)的高性能要求。智能控制算法的框架見圖3。

圖3 智能控制算法的框架

3 結(jié)語

智能預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相比較傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有極大的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力技術(shù)在長期的高應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)較大變形，影響結(jié)構(gòu)的正常使用。智能預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以明顯的改善預(yù)應(yīng)力效果，使應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有良好的自適應(yīng)性，達(dá)到控制短期撓度和長期的徐變效應(yīng)，具有良好的前瞻性和現(xiàn)實(shí)意義。

智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的研究還處于起步階段，但其在保證結(jié)構(gòu)應(yīng)力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全的優(yōu)勢是傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)不可比擬的，距離這種技術(shù)從推廣到實(shí)際應(yīng)用還要很長的路要走，尚需要繼續(xù)深入研究。

［1］ 鄧友生，劉 釗，曹三鵬.智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)初探［J］.公路，2005(16)：7-10.

［2］ 熊學(xué)玉.體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［3］ 徐偉蔚，呂志濤.智能預(yù)應(yīng)力梁初探［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(37)：99-100.