黑龍江 馮建亞

橋梁結(jié)構(gòu)性能檢測(cè)與評(píng)估研究

黑龍江 馮建亞

橋梁是公路、鐵路的關(guān)鍵組成部分，直接關(guān)系著通行能力和服務(wù)水平。近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，特大型工業(yè)設(shè)備運(yùn)輸、特種重型車輛的運(yùn)行以及高速鐵路建設(shè)進(jìn)程加快，都給現(xiàn)有橋梁的安全使用造成威脅。按幾年前的舊規(guī)范規(guī)定的荷載等級(jí)設(shè)計(jì)建造的橋梁，由于公路交通量的不斷增加和鐵路運(yùn)行速度提升，加之前述重型車輛的頻繁出現(xiàn)，更是造成這些既有橋梁負(fù)載力雪上加霜。另外，橋梁由于運(yùn)營(yíng)使用多年，加之近年來(lái)橋梁遭受特大自然災(zāi)害頻繁，如因地震、洪水等而受到嚴(yán)重?fù)p壞，主要部位出現(xiàn)缺陷，只有全面掌握了橋梁的安全狀況，才能對(duì)癥下藥，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。檢測(cè)是維修的前提，更重要的是檢測(cè)可以盡早發(fā)現(xiàn)橋梁的安全隱患，避免造成巨大的、不可挽回的損失。同時(shí)也可以完善橋梁的資料，為以后的設(shè)計(jì)和評(píng)估加固提供依據(jù)。

1 橋梁檢測(cè)方法

1.1 靜態(tài)檢測(cè)方法

靜載試驗(yàn)就是按照預(yù)定的試驗(yàn)?zāi)康呐c試驗(yàn)方案，將靜止的荷載作用于橋梁上的指定位置，觀測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的靜力位移、靜力應(yīng)變、裂縫、沉降等參量的試驗(yàn)項(xiàng)目，然后根據(jù)有關(guān)規(guī)范和規(guī)程的指標(biāo)，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力以及在荷載作用下的工作性能。

在橋梁靜載試驗(yàn)中要測(cè)量控制截面靜應(yīng)變和靜位移。確定良好的加載方案加以量測(cè)。根據(jù)靜態(tài)應(yīng)變值，推算結(jié)構(gòu)控制截面的應(yīng)力分布、桿件的實(shí)際內(nèi)力與次應(yīng)力、裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展情況、支座位移、索力位移情況等。在靜位移測(cè)量時(shí)，要測(cè)量豎向靜態(tài)位移量(梁的撓度)、水平靜態(tài)位移量(梁活動(dòng)端位移及墩頂位移等)。由實(shí)測(cè)到的應(yīng)變和位移可以推算出有關(guān)的內(nèi)力(如軸力和彎矩)值和撓度值等。將它們與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，以此作為判定橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。

1.2 動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法

橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)載試驗(yàn)是利用某種激振方法（自振法、強(qiáng)迫振動(dòng)法、脈動(dòng)法等）激起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、振型、動(dòng)力沖擊系數(shù)、動(dòng)力響應(yīng)（加速度、動(dòng)撓度）等參量的試驗(yàn)項(xiàng)目，從而宏觀地判斷橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度與運(yùn)營(yíng)性能。其試驗(yàn)的目的在于測(cè)定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、測(cè)定結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)的響應(yīng)。這些性能是判斷橋梁運(yùn)營(yíng)狀況和承載能力的重要標(biāo)志之一。

2 現(xiàn)有橋梁的評(píng)估方法

我國(guó)現(xiàn)在采用的依舊是1988年頒布的《公路舊橋承載力鑒定方法》(試行)和1999年頒布的《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》的設(shè)計(jì)計(jì)算思路。首先對(duì)被檢定的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查(搜集資料、現(xiàn)狀檢查、材質(zhì)與地基的檢驗(yàn)等)，然后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)構(gòu)各部分尺寸及材料強(qiáng)度，運(yùn)用橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算理論求得承載力。最后考慮橋梁損壞程度、材料老化程度、橋面行駛條件、實(shí)際交通情況、橋梁建造使用期限等因素，經(jīng)過(guò)廣泛的調(diào)查研究確定出各項(xiàng)對(duì)應(yīng)的系數(shù)，從而折算出橋梁安全承載力。這種計(jì)算充分挖掘現(xiàn)有橋梁的承載潛力，而對(duì)現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)損傷造成其受力行為的影響考慮不足。

3 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋梁結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Networks，ANN)，一種模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征，進(jìn)行分布式并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型。這種網(wǎng)絡(luò)依靠系統(tǒng)的復(fù)雜程度，通過(guò)調(diào)整內(nèi)部大量節(jié)點(diǎn)之間相互連接的關(guān)系，從而達(dá)到處理信息的目的。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是并行分布式系統(tǒng)，采用了與傳統(tǒng)人工智能和信息處理技術(shù)完全不同的機(jī)理，克服了傳統(tǒng)的基于邏輯符號(hào)的人工智能在處理直覺、非結(jié)構(gòu)化信息方面的缺陷，具有自適應(yīng)、自組織和實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法用于橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的基本思想是：由于結(jié)構(gòu)的損傷必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)參數(shù)(剛度、阻尼和內(nèi)部荷載)的改變。利用數(shù)值求解法(如有限元法、能量法)或?qū)崪y(cè)方法，獲取結(jié)構(gòu)中所需物理量(如頻率、振型等)作為訓(xùn)練樣本的輸入?yún)?shù)，以結(jié)構(gòu)的缺陷作為輸出參數(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自組織、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的特點(diǎn)，通過(guò)一定數(shù)量的訓(xùn)練樣本讓網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)記住這些知識(shí)，實(shí)現(xiàn)從輸入?yún)?shù)(如結(jié)構(gòu)頻率向量等)到輸出參數(shù)(如結(jié)構(gòu)損傷位置、程度等)之間的非線性映射，從而可以求得反問(wèn)題的解，也就可以知道橋梁結(jié)構(gòu)的損傷情況?，F(xiàn)在常用于損傷診斷的網(wǎng)絡(luò)模型有BP網(wǎng)絡(luò)模型、對(duì)偶傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

4 基于動(dòng)載試驗(yàn)的橋梁結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估

基于振動(dòng)模態(tài)分析技術(shù)，國(guó)內(nèi)外目前在橋梁檢測(cè)的試驗(yàn)與研究中取得的進(jìn)展主要表現(xiàn)在：1.通過(guò)強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)，能夠分析模態(tài)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)局部變化的反應(yīng)；2.在車重、車速、路面及支承對(duì)橋梁模態(tài)參數(shù)的影響方面有深入的認(rèn)識(shí)及理論上的依據(jù)，證明了用環(huán)境振動(dòng)法進(jìn)行橋梁自動(dòng)檢測(cè)的可能性；3.對(duì)適用于橋梁監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)敏感參數(shù)積累了理論認(rèn)識(shí)和試驗(yàn)基礎(chǔ)；4.在一定程度上能夠利用測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算模型的修正；5.開發(fā)了各種基于頻率、振型、振型曲率、應(yīng)變振型等改變量的損傷檢測(cè)和定位技術(shù)，在處理方法上探尋了MAC法、COMAC法、柔度矩陣法、矩陣攝動(dòng)修正法、非線性迭代法以及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)法等。這些方法各具有特色，在局部的范圍內(nèi)都取得了積極的效果。但這些成就在橋梁健康監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)的研究中還屬于基礎(chǔ)性的探索，距離系統(tǒng)的目標(biāo)尚有很大的差距。這主要是由于：首先，橋梁的結(jié)構(gòu)不確定性因素和復(fù)雜的工作環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)響應(yīng)的靈敏性造成了不利的影響，導(dǎo)致了目前橋梁整體監(jiān)測(cè)的許多困難；其次，對(duì)橋梁在使用年限內(nèi)工作特性的變化缺乏全面深入的研究，難以建立客觀統(tǒng)一的橋梁狀態(tài)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。所以整個(gè)技術(shù)的成功開發(fā)乃至系統(tǒng)目標(biāo)的最終實(shí)現(xiàn)有賴于今后更好地結(jié)合橋梁的自身特性及工作環(huán)境討論。

5 結(jié)語(yǔ)

橋梁檢測(cè)是一項(xiàng)復(fù)雜而細(xì)致的工作，是一項(xiàng)理論實(shí)踐緊密結(jié)合的學(xué)科。目前我國(guó)的很多既有橋梁進(jìn)入了維修期，對(duì)既有橋進(jìn)行檢測(cè)顯得尤為重要。靜載和動(dòng)載試驗(yàn)是目前結(jié)構(gòu)性能評(píng)估的常用方法，振動(dòng)模態(tài)分析技術(shù)和系統(tǒng)識(shí)別理論具有很廣闊的前景。在這方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了研究，并且取得了一定研究成果。相信有測(cè)試軟、硬件的改進(jìn)與配合，將為大跨徑橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供可能。

【1】TB 10002.1—99《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》[S].北京：人民交通出版社，2000.

【2】劉勝春.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在大跨度橋梁施工預(yù)拱度控制中的應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001 25(3)：270—272.

【3】張俊平，周建賓.橋梁檢測(cè)與維修加固[S].人民交通出版社，2006.

【4】吳志勤.橋梁檢測(cè)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)簡(jiǎn)述[J].山西建筑，2007，33(13)：278—280.

【5】JTJ041-2000公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2001.

【6】史家鈞，項(xiàng)海帆，許俊.確保大型橋梁安全與耐久性的綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng).同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997.

（作者單位：哈爾濱鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

（編輯 劉麗娜）