李元軍

(山西省交通科學(xué)研究院)

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淺析橋梁結(jié)構(gòu)劣化與損傷過程的多尺度分析方法及其應(yīng)用

李元軍

(山西省交通科學(xué)研究院)

將重點(diǎn)探究橋梁結(jié)構(gòu)多尺度分析方法，建立結(jié)構(gòu)損傷演化的理論分析與方法。

結(jié)構(gòu)劣化；多尺度分析；大跨橋梁

1 橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

橋梁結(jié)構(gòu)在服役期間通常會因?yàn)槭艿江h(huán)境侵蝕、材料老化等疲勞效應(yīng)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中抗力逐漸衰減，損傷不斷累積，造成不可避免的局面。橋梁結(jié)構(gòu)抗力的衰減導(dǎo)致其正常服役載荷能力大大下降，并容易引發(fā)災(zāi)難性事故發(fā)生，橋梁結(jié)構(gòu)損傷情況及其潛在危險(xiǎn)性無法預(yù)知，為人們的生活與社會的進(jìn)步造成極大的阻礙。橋梁結(jié)構(gòu)的服役特點(diǎn)包括：環(huán)境相對復(fù)雜，導(dǎo)致載荷作用規(guī)律不確定；服役時(shí)間相對漫長，其結(jié)構(gòu)損傷與材料劣化共生共存；橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)形復(fù)雜，導(dǎo)致無法進(jìn)行結(jié)構(gòu)全尺度在線試驗(yàn)；劣化過程時(shí)間持久，且損傷分析所設(shè)計(jì)的時(shí)間尺度也是多量級的，導(dǎo)致無法在同一時(shí)間尺度下進(jìn)行分析?，F(xiàn)階段，材料與結(jié)構(gòu)的多尺度模擬與計(jì)算已經(jīng)迅速發(fā)展為一個(gè)研究熱點(diǎn)。我們必須對大跨橋梁結(jié)構(gòu)多尺度模擬及損傷計(jì)算分析方法系統(tǒng)地展開研究。

2 橋梁結(jié)構(gòu)以損傷分析為目標(biāo)的多尺度模擬

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)多尺度建模策略

(1)建立大跨結(jié)構(gòu)全尺度模型。

在設(shè)計(jì)載荷時(shí)，必須計(jì)算出結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的內(nèi)力，以此確定結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件。

(2)建立重點(diǎn)關(guān)注構(gòu)件的尺度模型。

確定好結(jié)構(gòu)中的重點(diǎn)構(gòu)件以后，建立相關(guān)的尺度模型，從而對構(gòu)件中的應(yīng)力進(jìn)行分析，進(jìn)一步確定關(guān)鍵焊接細(xì)節(jié)。

(3)關(guān)注焊接部位細(xì)節(jié)構(gòu)造。

在上述基礎(chǔ)上，對焊接部位的細(xì)節(jié)構(gòu)造進(jìn)行重點(diǎn)觀察，并對其局部使用的材料特性進(jìn)行檢驗(yàn)。

根據(jù)以上三種方法，可以計(jì)算出應(yīng)力與局部損傷演化對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，將多種不同類型的尺度模型合并在一起，充分滿足模型建立的不同需求。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)多尺度建模方法

在對橋梁結(jié)構(gòu)多尺度建模方法研究中，我們可以采用基于子結(jié)構(gòu)的方法，來建立大跨橋梁結(jié)構(gòu)多尺度模型。采用子結(jié)構(gòu)可以大大提高計(jì)算效率以及建模效益，基于這一點(diǎn)，我們可以將子結(jié)構(gòu)方法進(jìn)行改進(jìn)，讓其更加適用于結(jié)構(gòu)建模。在結(jié)構(gòu)多尺度建模過程中，我們應(yīng)該根據(jù)不同尺度模型來確定構(gòu)建關(guān)鍵所在，可以采用多點(diǎn)約束法，考慮到不同載荷形式來推導(dǎo)，在同樣的加載條件下，多尺度模型的位移基本介于單元模型數(shù)值之間。

2.3 橋梁結(jié)構(gòu)多尺度模型的修正

在建立結(jié)構(gòu)多尺度模型中，我們必須呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體動力特性，要達(dá)到多級目標(biāo)各級尺度下的主要參數(shù)識別。模型修正問題研究重點(diǎn)在于目標(biāo)函數(shù)的確定，在傳統(tǒng)修正方法中，通常將目標(biāo)函數(shù)設(shè)置成有限分析結(jié)構(gòu)。我們在對其進(jìn)行修正時(shí)應(yīng)該考慮到大型橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過評價(jià)函數(shù)法將其優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單指標(biāo)優(yōu)化問題，從而建立目標(biāo)函數(shù)，且當(dāng)兩種修正因素對目標(biāo)函數(shù)的敏感性相差比較大時(shí), 應(yīng)先修正對目標(biāo)函數(shù)比較敏感的因素, 后修正對目標(biāo)函數(shù)不太敏感的因素。

3 基于結(jié)構(gòu)多尺度模擬結(jié)構(gòu)劣化過程分析方法

由于我們在建立大型結(jié)構(gòu)多尺度時(shí)，通常接近于有限元模型，基于橋梁結(jié)構(gòu)多尺度有限元模型，我們可以通過模擬計(jì)算方法來對橋梁在服役過程中多尺度損傷規(guī)律進(jìn)行研究，在分析中必須考慮到材料的彈性強(qiáng)度、構(gòu)件的截面大小，利用結(jié)構(gòu)多尺度模型求解結(jié)構(gòu)焊縫細(xì)節(jié)處的等效應(yīng)力及損傷增量，采用系統(tǒng)可靠度理論中的約界法得出主要失效路徑。在結(jié)構(gòu)服役初期，我們必須考慮到結(jié)構(gòu)中含缺陷的局部細(xì)節(jié)損傷情況，以此建立結(jié)構(gòu)損傷多尺度分析模型來實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)跨細(xì)、宏觀尺度應(yīng)力的獲取。而在結(jié)構(gòu)劣化過程時(shí)間多尺度計(jì)算方面，我們發(fā)展了一種損傷分析算法，采用中心差分法來對不同類型結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行模擬計(jì)算，與其他計(jì)算方法相比，這種方法更加強(qiáng)調(diào)時(shí)間的多重尺度，對于結(jié)構(gòu)劣化問題我們必須采取針對性措施解決。

4 在橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測及損傷分析中的應(yīng)用

隨著橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的鋼橋梁結(jié)構(gòu)疲勞評估方法已經(jīng)無法被應(yīng)用，基于橋梁結(jié)構(gòu)模擬分析和基于橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測信息損傷檢測系統(tǒng)的發(fā)展勢在必行。針對目前大跨橋梁結(jié)構(gòu)劣化與損傷過程分析，我們必須結(jié)合目前結(jié)構(gòu)模擬現(xiàn)狀，在完成潤揚(yáng)大橋、青馬大橋等重大橋梁工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估項(xiàng)目的過程中, 研究了上述結(jié)構(gòu)多尺度模擬和損傷分析方法在實(shí)際橋梁工程中的應(yīng)用。潤揚(yáng)長江公路大橋是由南汊懸索橋和北汊斜拉橋組合而成的特大型跨江大橋, 建成于2005年，其中的南汊懸索橋目前保持主跨國內(nèi)第一、世界第三的記錄。青馬大橋總長2 200 m，主跨1 377 m,建成于1997 年, 是連接香港九龍市區(qū)和大嶼山國際機(jī)場的鐵路和公路兩用的重要交通樞紐, 是目前世界上最長的公路、鐵路兩用懸索橋。

4.1 青馬大橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷分析

青馬大橋在基于結(jié)構(gòu)多尺度模擬結(jié)構(gòu)疲勞損傷分析中，為了提高計(jì)算效率，在多尺度模型中通常只會嵌入到所關(guān)注的焊接細(xì)節(jié)局部，在損傷計(jì)算中采用兩種損傷演化方程, 分別是米勒線性疲勞準(zhǔn)則和基于連續(xù)損傷力學(xué)理論的高周疲勞損傷演化方程。為了靠在損傷多尺度計(jì)算結(jié)果的可靠性，我們對青馬橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表明工程中廣泛采用的線性米勒準(zhǔn)則用于疲勞壽命評估是偏于安全的, 這種偏于安全的誤差, 用于結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)是合適的, 但對于在役結(jié)構(gòu)疲勞損傷累積的準(zhǔn)確評估卻是不利的。

4.2 潤揚(yáng)大橋結(jié)構(gòu)多尺度模擬

以潤揚(yáng)長江大橋北汊斜拉橋?yàn)槔? 概要介紹實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)多尺度模擬過程中的關(guān)鍵問題。橋面結(jié)構(gòu)采用多重子結(jié)構(gòu)方法來建立有限元模型，并對這種大跨斜拉橋結(jié)構(gòu)多尺度模型進(jìn)行了相關(guān)分析。大跨斜拉橋主要是考橋塔、橋面系、斜拉索三個(gè)部件正確建模組成。然后根據(jù)我們提出的適合于大型土木結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析的結(jié)構(gòu)一致多尺度模擬方法——模擬方法與策略, 采用分級多重子結(jié)構(gòu)的方法來實(shí)現(xiàn)對局部關(guān)注部位采用“小尺度”建模, 其它部位采用“大尺度”建模的結(jié)構(gòu)行為一致多尺度模擬。與其他橋梁有限元模型相比，我們建立的結(jié)構(gòu)多尺度模型相對更復(fù)雜，首先我們在對主梁進(jìn)行有限元模型建立時(shí)，通常會先找出橋面受力關(guān)鍵截面，對其箱梁截面應(yīng)力進(jìn)行分析，并采用多重子結(jié)構(gòu)將“小尺度”模型嵌入到整橋結(jié)構(gòu)當(dāng)中，形成橋梁結(jié)構(gòu)多尺度模型。

4.3 基于結(jié)構(gòu)多尺度模擬與分析的橋梁檢測系傳感器布設(shè)優(yōu)化設(shè)計(jì)

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行離不開傳感器布設(shè)系統(tǒng)，傳感器在一定程度上會對監(jiān)測結(jié)構(gòu)起到?jīng)Q定性作用，對于結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估而言，傳感器布設(shè)越多，所得到的結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)信息則越多，更有利于得到結(jié)構(gòu)的真實(shí)性態(tài)。

5 結(jié)束語

通過對橋梁結(jié)構(gòu)劣化與損傷過程的多尺度分析方法及其應(yīng)用進(jìn)行了分析，針對重大橋梁工程結(jié)構(gòu)多尺度模擬與損傷分析的實(shí)踐表明，不同尺度模型方式必須引入不同的損傷演化過程，大跨結(jié)構(gòu)損傷分析過程必須通過多尺度模擬與計(jì)算來實(shí)現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)會受到很多因素的影響，不論是人為還是運(yùn)用過程中的不可抗因素，我們都必須將這些或大或小的問題一一解決，相信通過我們的不懈努力，我們一定能夠解決橋梁結(jié)構(gòu)劣化與損傷的現(xiàn)象，改變長期以來對結(jié)構(gòu)損傷情況潛在危險(xiǎn)性無法預(yù)知的現(xiàn)狀，促進(jìn)我國建筑行業(yè)的發(fā)展，充分滿足時(shí)代發(fā)展需求。

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2015-08-11

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1008-3383(2015)12-0116-01