異形橋梁優(yōu)化設(shè)計與損傷識別方法

胡夢宇

（北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司廣東分院,廣東 廣州 510075）

0 引言

隨著國家對基礎(chǔ)設(shè)施的大力建設(shè)，橋梁作為我國交通運(yùn)輸通道的重要一環(huán)，在提升運(yùn)輸效率和城市空間利用率等方面，有著無可替代的作用。但因為我國對城市規(guī)劃、道路設(shè)計相關(guān)規(guī)范的要求，加之地形自然環(huán)境等因素影響，異形橋梁的設(shè)計也隨之而來。異形橋梁作為彎橋梁與直橋梁的連接，比普通橋梁有著更為復(fù)雜的計算模型與受力方式。因此傳統(tǒng)的計算模型與分析方法已無法準(zhǔn)確分析其復(fù)雜的空間效應(yīng)。如何對不同的異形橋梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計成為了一大難題。異形橋梁不僅在結(jié)構(gòu)層面有難以解決的問題，在道路行駛方面也需要較多的優(yōu)化。例如如何避免較多車輛同時匯入時產(chǎn)生的道路安全隱患等，橋梁也容易在外界重復(fù)荷載、材料老化等因素下發(fā)生疲勞損傷以及性能的不斷退化，使結(jié)構(gòu)的安全性降低，從而造成重大的交通安全事故[1]。因此，異形橋梁的優(yōu)化設(shè)計方案與損傷識別方法，對國家基礎(chǔ)建設(shè)以及保障人民的生命財產(chǎn)安全尤為重要。

1 工程概況

該文依托工程為某異形橋梁，橋梁全長為85 m，跨徑（20+30+20）=70 m，由拱形裝飾、主體結(jié)構(gòu)及懸挑平臺三部分組成。全橋分為左右兩幅，橋梁兩側(cè)均設(shè)置有10 cm的伸縮縫。圖1為異形橋梁效果圖。橋梁參數(shù)見表1所示。

圖1 異形橋梁效果圖

2 異形橋梁優(yōu)化設(shè)計

2.1 異形橋梁道路優(yōu)化設(shè)計

我國對異形橋梁的分類較多，有X形、Y形、三路相交及畸形相交等，圖2為Y形異形橋梁。由于異形橋梁的本身特征，導(dǎo)致車輛在經(jīng)過路口時的方向有較大的不確定性，行駛軌跡無規(guī)律；車輛的入口與出口沒有明確的指向性，導(dǎo)致駕駛員錯誤判斷；異形橋梁交叉口存在較多的多路交叉的現(xiàn)象，容易使雙方駕駛者難以發(fā)現(xiàn)對方，從而造成較大的交通事故。因此，有專家學(xué)者指出，考慮到各種不利因素，異形交叉口的優(yōu)化設(shè)計實施難度大。因此，對于多路交叉口和錯位交叉口的形式，可考慮限制一種一路或幾路實現(xiàn)交通優(yōu)化；對于通行能力接近飽和路口范圍大的多路交叉口，宜選擇環(huán)島交通組織[2]。

圖2 Y形異形橋梁

2.2 異形橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

作為直梁橋和彎梁橋的連接結(jié)構(gòu)，異形橋具有正橋受力和彎梁橋彎矩組合的受力特征。與一般傳統(tǒng)彎橋相比，異形橋梁的彎曲、畸變、翹曲和剪力滯后以及不同效應(yīng)的相互耦合是當(dāng)前研究的重點領(lǐng)域。當(dāng)前，由于異形橋梁結(jié)構(gòu)多樣，受力行為復(fù)雜，約束扭轉(zhuǎn)和剪力滯后的特征突出，采用一般的理論計算分析方法無法實現(xiàn)對異形橋梁結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確分析。

在異形橋梁設(shè)計過程中，存在諸多影響因素，對各個因素的影響權(quán)重分析，從而得到最優(yōu)設(shè)計參數(shù)組合是眾多研究人員的關(guān)注熱點。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者對薄壁箱梁開展理論計算和方法研究，然而考慮到異形橋梁與薄壁箱梁在受力特征方面存在著諸多差異，過往采用的理論解析法無法直接應(yīng)用。而隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，基于大型計算設(shè)備的數(shù)值模擬方法在結(jié)構(gòu)計算領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中，有限元計算為異形橋梁結(jié)構(gòu)的靜力和動力特性求解提供有效方法。通過建立有限單元模型、輸入荷載及開展數(shù)值計算，研究各設(shè)計參數(shù)對橋梁受力特征的影響程度發(fā)揮了重要作用。但是，在有限元計算方法中未建立準(zhǔn)確反映異形橋梁受力狀態(tài)的指標(biāo)體系。在開展設(shè)計參數(shù)對橋梁受力性能的分析過程中，考慮到多種影響因素，單因素試驗往往無法反映現(xiàn)實情況。對多種因素組合的全面試驗，需要開展多種工況下的數(shù)值建模及數(shù)值計算，模型計算量大，實施難度大。因此，采用正交試驗方法，選取具有代表性特征的參數(shù)組合，可以降低試驗操作難度，反映各設(shè)計參數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響程度。

正交試驗方法一定程度上降低了試驗操作和試驗分析的難度，但對于多個指標(biāo)的正交試驗仍存在工作量大、權(quán)重設(shè)置不合理及外界影響因素等劣勢。因此，該文引入層次分析法，以求建立異形橋梁受力特征的指標(biāo)體系。選取應(yīng)力變異系數(shù)、曲梁的扭轉(zhuǎn)程度及扭轉(zhuǎn)振動基礎(chǔ)頻率等作為試驗指標(biāo)，利用正交試驗方法分析支撐方式、截面高度、閘道半徑等參數(shù)對試驗指標(biāo)的影響程度。同時，需明確各參數(shù)及其水平的權(quán)重計算方式。基于上述方法，可以得到各因素及其不同水平對異形橋梁受力特征的影響權(quán)重。根據(jù)影響權(quán)重大小依次排序，可以得到對異形橋梁受力性能影響的主次順序，在此基礎(chǔ)上開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[3]。綜上所述，采用該文提出的基于權(quán)重分析法的正交試驗可以顯著減少試驗操作過程，更為合理地反映各項參數(shù)的影響程度，為異形橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有效措施。

2.3 整體優(yōu)化設(shè)計方法

異形橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在較多變量，且屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，在設(shè)計過程中無法做到準(zhǔn)確判斷，應(yīng)綜合考慮各種因素，對橋梁質(zhì)量做出合理評判，同時評判過程應(yīng)結(jié)合橋梁的各項參數(shù)及運(yùn)營狀態(tài)。在當(dāng)前異形橋梁建設(shè)過程中，采用整體優(yōu)化設(shè)計方法存在一定的局限性，導(dǎo)致其應(yīng)用效果有限，主要是受到建設(shè)環(huán)境、工程造價及施工技術(shù)等因素的影響。設(shè)計人員應(yīng)借鑒國外的設(shè)計模式及設(shè)計理念，結(jié)合橋梁建設(shè)情況，引入功能評價、造價控制等指標(biāo)，實現(xiàn)整體優(yōu)化設(shè)計效果。

3 異形橋梁損傷識別方法

由于橋梁自身材料的老化、自然環(huán)境的影響和缺乏人為的養(yǎng)護(hù)，世界范圍內(nèi)的橋梁均面臨著性能衰減、結(jié)構(gòu)安全性不足等問題。加拿大目前已有40%的橋梁已建成30年以上，美國面臨著40%的橋梁需要進(jìn)行加固與維修。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的迅猛發(fā)展，全國公路橋梁數(shù)量達(dá)73萬余座。上述橋梁在服役一段時間后，也要面臨著維修、加固、保養(yǎng)等問題。如何有效地鑒別橋梁的損傷，成為重要的研究熱點。

橋梁的損傷識別作為橋梁結(jié)構(gòu)的健康檢測中的重要一環(huán)，有著較多的方法。一般情況下，結(jié)構(gòu)損傷就是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)發(fā)生了改變，影響了結(jié)構(gòu)的性能。傳統(tǒng)的橋梁損傷識別時依賴于人工檢測，檢修員在一定期限內(nèi)對橋梁進(jìn)行檢修。但是這種過于依賴人工經(jīng)驗，有較大風(fēng)險。目前主流并得以廣泛應(yīng)用的檢測方式是通過超聲波、X射線等工具對結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行檢測。異形橋梁等大型且復(fù)雜的橋梁，用X射線等儀器局限性較大。對于無法接觸到的區(qū)域，無法進(jìn)行檢測，此時采用基于震動損傷識別的方法較為有利。通過識別其指標(biāo)類型來判斷損傷程度。例如模態(tài)柔度、陣型、頻率等。圖3為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測組成部分。

圖3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測組成

3.1 動力參數(shù)損傷識別方法

橋梁若出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，例如裂縫、塑性鉸等，會引起自身剛度變化，從而導(dǎo)致頻率、振型等動力參數(shù)發(fā)生變化。通過對動力參數(shù)建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，使動力參數(shù)能夠表達(dá)出結(jié)構(gòu)損傷的程度。頻率、振型等指標(biāo)是常用的判別損傷指標(biāo)，但其對損傷的敏感性及適用范圍各不相同。頻率參數(shù)可較容易獲得，但對結(jié)構(gòu)損傷的敏感性較低，即反應(yīng)損傷的能力較弱[4]。圖4為異形橋梁動力參數(shù)損傷識別流程。

圖4 異形橋梁動力參數(shù)損傷識別流程

3.2 模態(tài)振型損傷識別

模態(tài)振型損傷識別方法是鑒定異形橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別的重要方法之一。模態(tài)振型損傷識別主要依靠振型數(shù)據(jù)的輸入量與振型數(shù)據(jù)的導(dǎo)出量。若異形橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)損傷，在整體空間信息輸入時，局部模態(tài)振型在損傷區(qū)域出現(xiàn)變化，通過模態(tài)振型的頻率變化識別異形橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷。圖5為異形橋梁模態(tài)振型損傷識別流程。

圖5 異形橋梁模態(tài)振型損傷識別流程

3.3 結(jié)構(gòu)損傷識別

根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷識別的基本原理，損傷識別屬于力學(xué)和工程中的問題。即結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自身的特征未知，或輸入?yún)?shù)未知，而響應(yīng)數(shù)據(jù)已知，通過響應(yīng)數(shù)據(jù)反推得到結(jié)構(gòu)的特征數(shù)據(jù)。由于傳統(tǒng)識別技術(shù)有著諸多劣勢，比如計算繁瑣、計算結(jié)果不收斂等，導(dǎo)致最終結(jié)果不準(zhǔn)確。結(jié)構(gòu)損傷識別首先利用人工智能技術(shù)，對異形橋梁掃描后得到其內(nèi)部情況圖像，然后利用計算分析軟件對損傷區(qū)域進(jìn)行研究，從而完成整個損傷識別過程。該方法操作便捷，但對計算設(shè)備及智能軟件提出了較高要求。通過上述流程可知，基于計算機(jī)技術(shù)的智能設(shè)備在異形橋梁損傷識別中發(fā)揮著顯著作用，值得進(jìn)一步推廣[5]。圖6為異形橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別流程。

圖6 異形橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別流程

4 結(jié)論

異形橋梁作為交通設(shè)施的重要組成部分之一，在提升交通效率、便捷出行等方面發(fā)揮了顯著作用。在城市化進(jìn)程中，為了提升城市空間利用率，異形橋梁以其空間利用高、受力性能好等優(yōu)勢，得到了大規(guī)模應(yīng)用?？紤]到異形橋梁外觀幾何構(gòu)造和結(jié)構(gòu)設(shè)計的多樣性，采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法存在一定的局限性，該文提出了異形橋梁優(yōu)化設(shè)計的幾種方法。然而，受外界荷載、溫度變化及鹽分侵蝕等環(huán)境因素影響，異形橋梁結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不同程度的損傷情況，橋梁承載力降低。因此，為了減少異形橋梁損傷事故的發(fā)生，保障人民群眾安全出行，需做到對異形橋梁損傷狀況的有效識別。該文根據(jù)損傷程度的不同，提出了多種損傷識別方法，為工程實踐提供參考。