趙金俠

為了掌握橋梁結(jié)構(gòu)在運營過程中的健康狀況，國內(nèi)外許多研究人員針對橋梁損傷的診斷方法開展了大量的研究［1-3］。然而，從已報導(dǎo)的文獻(xiàn)來看，現(xiàn)有關(guān)于橋梁損傷診斷的研究還不夠深入，尚缺少系統(tǒng)、有效診斷方法，特別是多區(qū)域損傷的大型橋梁［4，5］。為此，本文擬選用對損傷敏感的動力參數(shù)作為指標(biāo)，引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，探討分步進(jìn)行探傷、定位和量估的橋梁損傷診斷模型。

1 橋梁損傷診斷方法

橋梁結(jié)構(gòu)損傷診斷可分為3個步驟:

1)判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷;2)進(jìn)行橋梁損傷定位;3)診斷橋梁的損傷程度。

1.1 橋梁探傷［4］

橋梁探傷主要是判斷整個橋梁結(jié)構(gòu)是否存在損傷。大量文獻(xiàn)資料表明，固有頻率是最好的表征結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的宏觀標(biāo)識量?？紤]到現(xiàn)場環(huán)境下的測量噪聲與誤差會影響整體性能的檢測，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性映射能力，能夠濾出噪聲或在有噪聲情況下正確識別。因此，本研究引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行橋梁探傷。

在訓(xùn)練階段，選擇橋梁的固有頻率作為網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，并定義包括固有頻度的輸出向量，然后將樣本集送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成后，比較橋梁健康狀態(tài)和損傷狀態(tài)的輸出向量，建立異常指標(biāo)，作為診斷橋梁是否存在損傷的依據(jù)。

1.2 損傷定位

在確定橋梁存在損傷之后，采用橋梁結(jié)構(gòu)損傷前后的振型曲率差來診斷損傷的位置。橋梁結(jié)構(gòu)的曲率模態(tài)通過差分法計算［5］:

其中，C(i)j，F(xiàn)(i)j分別為結(jié)構(gòu)的曲率模態(tài)和位移模態(tài)，i為測點位置，j為模態(tài)階次;d為相鄰兩截面的距離。

1.3 定量損傷程度

確定損傷位置后，再結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對橋梁的損傷程度進(jìn)行定量。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以損傷區(qū)域的振型曲率作為網(wǎng)絡(luò)輸入，定義構(gòu)件的損傷量作為輸出，直接定量橋梁的損傷程度。

2 實例分析

本文以襄荊高速公路上一簡支梁橋為算例，對上述的損傷診斷方法進(jìn)行驗證。該橋梁全長637.06 m，上部結(jié)構(gòu)為(21×30)m預(yù)應(yīng)力梁，每跨雙向車道由12根T形梁組成，橋梁的第4，5跨的立面及截面(單向車道)如圖1所示?？紤]對稱性，本文運用大型有限元軟件ANSYS對該橋第5跨的單向車道建立了三維有限元模型，如圖2所示。該模型根據(jù)實測動靜載實驗結(jié)果進(jìn)行了校正，保證其能夠準(zhǔn)確地反映實際結(jié)構(gòu)的動力特性。為方便損傷定位，沿橋軸方向利用節(jié)點處的33個截面將橋面分為32個區(qū)域，如圖3所示。

在本研究中，橋梁損傷是通過降低單元的剛度來模擬，產(chǎn)生如表1所示的損傷工況。在以下的損傷診斷中，主要考慮橋梁的豎向彎曲模態(tài)。

表1 損傷工況

為模擬實測數(shù)據(jù)，在有限元分析的模態(tài)參數(shù)基礎(chǔ)上加一個隨機(jī)數(shù):

其中，y為模擬實測的動力參數(shù);ya為有限元值;ε為噪聲程度指標(biāo);r為正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)。

本文選用前8階固有頻率來對該橋進(jìn)行探傷，建立了8-5-8的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的樣本集采用橋梁健康模式樣本產(chǎn)生的500組數(shù)據(jù)，而檢驗網(wǎng)絡(luò)采用每種損傷工況產(chǎn)生的500組的檢驗樣本，探傷結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，損傷工況的異常指標(biāo)明顯偏離健康異常指標(biāo)，可見，該方法能準(zhǔn)確診斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷。

損傷定位選用前5階豎向彎曲振型進(jìn)行計算?？紤]到前5階6根梁的振型在同階模態(tài)幾乎相同，故選取沿橋軸方向中間33個節(jié)點計算各工況的曲率差，如圖5所示。從圖5可以看出，曲率模態(tài)差曲線上數(shù)值出現(xiàn)突變的位置正好對應(yīng)工況的損傷位置，對于多區(qū)域損傷的工況4，利用該方法也能正確對待識別出來。

最后階段是在損傷區(qū)段中找出損傷構(gòu)件，并評估它的構(gòu)件程度。本研究建立了5-8-6的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，輸入為前5階損傷區(qū)段的曲率，輸出為損傷區(qū)段6段梁的損傷程度。

利用有限元模型分別模擬損傷區(qū)域中的單元發(fā)生8種損傷程度，即 10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，每種損傷程度按式(2)產(chǎn)生100個數(shù)據(jù)組。因為每根梁均有可能發(fā)生損傷，故一共要產(chǎn)生100×8×6個訓(xùn)練樣本。將訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)檢測表1中的損傷工況，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，如果損傷區(qū)域只是單個構(gòu)件出現(xiàn)損傷，其識別效果很滿意。對于多個構(gòu)件同時出現(xiàn)損傷的情況(工況3)產(chǎn)生了誤判情況，但真正損傷的構(gòu)件被診斷的結(jié)果偏安全。

3 結(jié)語

對于復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)來說，直接識別具體的損傷情況是十分困難的?；跇蛄航Y(jié)構(gòu)中對損傷敏感的動力參數(shù)，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多步損傷診斷方法將大大提高識別效果。作者利用ANSYS程序?qū)嶋H工程中的某一簡支梁橋進(jìn)行了模擬損傷診斷分析，驗證了該方法的有效性。值得注意的是，要提高該技術(shù)在實際工程中的診斷效果，必須要解決橋梁結(jié)構(gòu)動力參數(shù)的精度問題。

［1］Balageas V.D.，F(xiàn)ritzen C.P.，Guemes A..Structural Health Monitoring［M］.France:Iste Publishing Company，2006.

［2］王開鳳，張謝東.土木工程結(jié)構(gòu)損傷識別研究［J］.公路，2008(1):154-159.

［3］李宏男，高東偉，伊廷華.土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究狀況與進(jìn)展［J］.力學(xué)進(jìn)展，2008，32(2):151-166.

［4］劉沐宇，謝建和.鋼管混凝土拱橋的模擬損傷動力診斷分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2005，27(8):38-41.

［5］鄧 焱，嚴(yán)普強(qiáng).梁及橋梁應(yīng)變模態(tài)與損傷測量的新方法［J］.清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2000，40(11):123-127.