基于環(huán)境振動(dòng)的橋梁結(jié)構(gòu)使用性能評(píng)價(jià)

朱翔雷，王明偉，李廣慧

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450046)

1 引 言

橋梁結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，在各種因素作用下，往往會(huì)產(chǎn)生一定的損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗力大幅度的衰減，對(duì)交通安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響；因此需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)其安全性進(jìn)行評(píng)估，防止事故的發(fā)生。我國(guó)在大部分橋梁均安裝有健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如蔡家嘉陵江特大橋[1]、東江大橋[2]、南廣鐵路西江特大橋[3]、南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋[4]、青銀線濟(jì)南黃河大橋[5]。

常規(guī)的橋梁健康監(jiān)測(cè)，均是借助預(yù)埋在橋梁關(guān)鍵截面上的應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變計(jì)或位移計(jì)，以關(guān)鍵斷面應(yīng)力或位移為監(jiān)測(cè)對(duì)象，通過(guò)采集到的橋梁結(jié)構(gòu)截面上的技術(shù)參數(shù)(應(yīng)力、應(yīng)變、位移)與設(shè)定參數(shù)閾值對(duì)比，來(lái)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)使用性能或健康狀況的評(píng)價(jià)，但是這種橋梁使用性能評(píng)價(jià)方法有兩個(gè)致命的缺陷：

一是在橋梁關(guān)鍵截面預(yù)埋的應(yīng)力計(jì)等元件的壽命一般只有15年，服役壽命遠(yuǎn)低于橋梁壽命(120年)；其次，對(duì)于高次超靜定的多跨連續(xù)橋梁來(lái)說(shuō)，個(gè)別截面的應(yīng)力和變形超限或破壞未必會(huì)造成橋梁結(jié)構(gòu)體系的性能降低，也并不會(huì)影響整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)體系的健康或安全。正是這兩個(gè)明顯缺陷的存在，嚴(yán)重制約了常規(guī)橋梁健康監(jiān)控技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

基于振型的橋梁安全性評(píng)估是基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的整體評(píng)估方法[6]。橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼等物理參數(shù)與橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)存在著明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，模態(tài)參數(shù)反映了結(jié)構(gòu)固有的動(dòng)力性能，若結(jié)構(gòu)發(fā)生了損傷，其物理參數(shù)必然會(huì)發(fā)生改變，物理參數(shù)的變化又會(huì)引起結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的改變。因此，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行激振獲取模態(tài)參數(shù)的變化，可對(duì)橋梁的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估?；诖?，本文建立有限元模型獲取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀態(tài)的振型和頻率等模態(tài)參數(shù)，對(duì)橋梁現(xiàn)場(chǎng)采樣利用環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析的方法獲取橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，并對(duì)橋梁進(jìn)行外觀檢測(cè)。通過(guò)對(duì)比綜合評(píng)價(jià)橋梁安全狀況。

2 橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)健康監(jiān)測(cè)

橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)健康監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)對(duì)橋梁振動(dòng)的監(jiān)測(cè)得到橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的時(shí)間歷程，通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)的分析求得橋梁結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)，從而得到橋梁結(jié)構(gòu)的非參數(shù)模型，通過(guò)參數(shù)識(shí)別方法求得橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)、物理參數(shù)，根據(jù)長(zhǎng)期觀測(cè)這些參數(shù)變化[8]，進(jìn)而由這些變化判定結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。

2.1 結(jié)構(gòu)振動(dòng)的模態(tài)分析基本理論

多自由度體系結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征可用運(yùn)動(dòng)微分方程表示[9]：

(1)

若無(wú)外荷載作用則：

(2)

式(2)為自由振動(dòng)，解此方程可得：n個(gè)自振頻率以及與之相應(yīng)的n個(gè)振型，則稱這一頻率與振型的組合為該結(jié)構(gòu)的動(dòng)力模態(tài)。

由上知，結(jié)構(gòu)動(dòng)力模態(tài)是結(jié)構(gòu)固有動(dòng)力性能。結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能分析的一種手段。

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

多自由度系統(tǒng)頻響函數(shù)為一函數(shù)矩陣：

H(ω)中對(duì)角元素Hee(ω)表示僅在第e個(gè)物理坐標(biāo)上施加單位激勵(lì)而引起該坐標(biāo)的位移響應(yīng)。Hee(ω)稱為第e個(gè)物理坐標(biāo)上的原點(diǎn)頻響函數(shù)或驅(qū)動(dòng)點(diǎn)頻響函數(shù)。H(ω)中非對(duì)角元素Hef(ω)表示僅在第f個(gè)物理坐標(biāo)上施加單位激勵(lì)而引起第e個(gè)物理坐標(biāo)的位移響應(yīng)[10]。Hef(ω)稱為第e、f個(gè)物理坐標(biāo)之間的跨點(diǎn)頻響函數(shù)[11]。

由于頻響函數(shù)可直接測(cè)得。從理論上講，對(duì)于具有相同自由度的系統(tǒng)，模態(tài)參數(shù)數(shù)量遠(yuǎn)少于物理參數(shù)數(shù)量，因此辨識(shí)模態(tài)參數(shù)相對(duì)于辨識(shí)物理參數(shù)更加簡(jiǎn)單。由此促進(jìn)了結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

2.3 模態(tài)參數(shù)識(shí)別

根據(jù)體系振動(dòng)響應(yīng)反求振動(dòng)體系的模態(tài)參數(shù)、物理參數(shù)，即結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程求解的逆過(guò)程，是為參數(shù)識(shí)別。結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)識(shí)別屬于系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別這一大課題的一分支，現(xiàn)代意義上的系統(tǒng)識(shí)別都是建立在最優(yōu)控制原則上的，按照一定的最優(yōu)控制準(zhǔn)則和算法，使實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型和理論數(shù)學(xué)模型誤差最小，從而得到反映系統(tǒng)特性的最優(yōu)數(shù)學(xué)模型。結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)分析可在頻域、時(shí)域內(nèi)進(jìn)行，因借助的數(shù)學(xué)手段不一樣，形成多種分析方法。

2.4 環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析

借助參數(shù)識(shí)別方法的發(fā)展，傳統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法發(fā)展為工作模態(tài)分析。橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境擾動(dòng)作用下亦會(huì)發(fā)生輕微的振動(dòng)，其振幅雖小，但頻率振型仍很明確[12]，這種隨機(jī)振動(dòng)可借高精度測(cè)振設(shè)備測(cè)得；利用環(huán)境激勵(lì)作復(fù)點(diǎn)響應(yīng)測(cè)量，即可測(cè)得運(yùn)行狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)模態(tài)，對(duì)之作結(jié)構(gòu)模態(tài)分析稱為環(huán)境激勵(lì)模態(tài)分析。其最大優(yōu)點(diǎn)為無(wú)須停車(chē)，無(wú)須預(yù)埋件，無(wú)須現(xiàn)場(chǎng)操作。

2.5 結(jié)構(gòu)使用性能評(píng)價(jià)

與正常結(jié)構(gòu)比較，結(jié)構(gòu)受損傷后，其性能必會(huì)發(fā)生某些變化，根據(jù)這些變化，亦可判別結(jié)構(gòu)損傷，基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能檢測(cè)的結(jié)構(gòu)損傷判別，有如下判別方法：

(1)基于動(dòng)力指紋的判別；

(2)基于小波變換的損傷診斷；

(3)基于人工智能的損傷判別。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人腦識(shí)別的網(wǎng)絡(luò)，以積累的結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試、損傷判斷、損傷處理為樣本，以結(jié)構(gòu)體系為分類依據(jù)，用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可編制結(jié)構(gòu)損傷診斷的人工智能搜索系統(tǒng)?；诃h(huán)境振動(dòng)的橋梁使用性能評(píng)價(jià)方法主要是利用橋面上布置的加速度傳感器采集環(huán)境振動(dòng)條件下的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)模式轉(zhuǎn)換分析給出橋梁的振動(dòng)模態(tài)，對(duì)橋梁整體健康狀況做出科學(xué)合理的評(píng)價(jià)。

3 實(shí)例分析

3.1 項(xiàng)目概況

某橋梁為75m+135m+75m的波形鋼腹板PC組合箱梁橋，分上、下行兩幅。支點(diǎn)處梁高7.5米，跨中梁高3.5米，從支點(diǎn)到跨中箱梁下緣按1.8次拋物線變化。主梁采用單箱單室斷面，單幅箱梁頂板寬16.25m，箱梁底板寬9m，箱體寬度在國(guó)內(nèi)同類型橋梁中居領(lǐng)先地位，如圖1、圖2所示。為提高箱梁的抗扭剛度，同時(shí)滿足體外束轉(zhuǎn)向的需要，因此在邊跨設(shè)置四道橫隔板，中跨設(shè)置八道橫隔板，橫隔板間距9.6—17.6m。為了提高橋面板的橫向抗彎剛度，適當(dāng)加厚了頂板厚度。橋梁共劃分節(jié)段68段，除0#塊外，其余節(jié)段長(zhǎng)度分為3.2m和4.8m兩種。梁體建造采用支架現(xiàn)澆和掛籃懸澆的方式進(jìn)行施工。

圖1 跨中截面圖

圖2 支點(diǎn)截面圖

3.2 橋跨主體結(jié)構(gòu)外觀檢測(cè)

3.2.1橋面系檢查

在右幅橋梁橋面系伸縮縫錨固區(qū)混凝土順向開(kāi)裂30道，可見(jiàn)裂縫長(zhǎng)度達(dá)0.4m，最大寬度達(dá)到0.3mm。止水帶開(kāi)裂，長(zhǎng)度達(dá)8.0m。左幅橋梁橋面系未發(fā)現(xiàn)明顯病害。

3.2.2上部結(jié)構(gòu)檢查

右幅橋梁上部結(jié)構(gòu)箱室鋼混結(jié)合處距墩3.4m，距底板1.4m處斜向裂縫1道，長(zhǎng)1.4m，寬0.2mm。左幅橋梁：在距墩3.5m箱室內(nèi)鋼混結(jié)合處，出現(xiàn)長(zhǎng)度達(dá)1.1m，寬度達(dá)0.2mm的橫向裂縫并在附近出現(xiàn)斜裂縫，長(zhǎng)度達(dá)1.9m，最大寬度達(dá)到0.15mm(見(jiàn)圖3)。在梁板底跨中處距左側(cè)腹板1.1m處附近出現(xiàn)混凝土不密實(shí)，露筋，面積約為1.8m×0.4m(見(jiàn)圖4)。梁左側(cè)腹板距墩3.4m，距腹板底1.2m處出現(xiàn)斜向裂縫，長(zhǎng)度達(dá)2.8m，寬度0.2mm；距墩1.4m，距腹板底1.0m處出現(xiàn)斜向45°裂縫1道，長(zhǎng)1.5m，寬0.18mm。

3.2.3下部結(jié)構(gòu)檢查

左右幅橋梁下部結(jié)構(gòu)并未發(fā)現(xiàn)明顯的破損現(xiàn)象。

圖3 腹板斜裂縫

圖4 混凝土破損

3.3 基于環(huán)境振動(dòng)的模態(tài)分析

3.3.1有限元模型建立

利用有限元軟件Midas/civil建立三維橋梁結(jié)構(gòu)模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性和地震反應(yīng)分析?？紤]相鄰結(jié)構(gòu)的耦聯(lián)作用，建立包括相鄰連續(xù)箱梁的三維有限元模型，如圖5所示。

圖5 橋梁有限元模型

3.3.2現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)加速度測(cè)試

為提高大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的模態(tài)參數(shù)的模態(tài)分辨率，傳感器采用非均勻布置的方案。全橋共三跨，邊跨在跨中、中跨在四分點(diǎn)處設(shè)置加速度測(cè)點(diǎn)，共計(jì)5個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)；采樣頻率為100Hz，采集時(shí)間為20min。對(duì)橋梁振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。該橋梁體實(shí)測(cè)自振頻率和理論頻率如表 1所示,測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)布置圖

3.3.3振動(dòng)模態(tài)分析

表1 結(jié)構(gòu)體系基本動(dòng)力特征

圖7 橋梁振型圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表1、圖7所示：橋梁實(shí)測(cè)一階對(duì)稱豎向彎曲頻率為1.074Hz，計(jì)算值為0.76205Hz；橋梁一階反對(duì)稱豎向彎曲頻率為2.051Hz，計(jì)算值為1.2386Hz。阻尼比為6.592%；橋梁橫向?qū)ΨQ彎曲頻率為2.051Hz，阻尼比為6.853%。

3.4 使用性能評(píng)價(jià)

在橋梁外觀檢測(cè)中可以看到，雖然在伸縮縫錨固區(qū)出現(xiàn)開(kāi)裂、部分混凝土不密實(shí)，鋼混結(jié)合處出現(xiàn)斜裂縫，但橋梁結(jié)構(gòu)的完整性強(qiáng)，橋梁的檢測(cè)振型和設(shè)計(jì)振型保持一致，橋梁實(shí)測(cè)一階頻率1.074Hz大于一階設(shè)計(jì)頻率0.76205Hz，二階頻率2.05Hz大于二階設(shè)計(jì)頻率1.2386Hz；結(jié)構(gòu)的豎向動(dòng)力剛度滿足安全性要求，橋梁整體健康。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于高次超靜定的多跨連續(xù)橋梁來(lái)說(shuō)，個(gè)別截面的應(yīng)力和變形超限或破壞未必會(huì)造成橋梁結(jié)構(gòu)體系的性能降低，也并不會(huì)影響整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)體系的健康或安全。目前橋梁健康評(píng)價(jià)體系中難以反映局部損傷對(duì)結(jié)構(gòu)整體健康狀態(tài)的影響情況。本文提出基于環(huán)境振動(dòng)的橋梁使用性能評(píng)價(jià)是基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的整體評(píng)價(jià)方法，通過(guò)外觀檢測(cè)和環(huán)境振動(dòng)模態(tài)分析綜合評(píng)估橋梁健康狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀況的評(píng)估具有借鑒意義。