李飛　李元鑫

摘要：本文以城市橋梁中廣泛存在的異形橋梁結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，針對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)和損傷識(shí)別關(guān)鍵科學(xué)問題，考慮該特殊橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于頻率參數(shù)、振型參數(shù)、頻響函數(shù)參數(shù)的損傷識(shí)別和動(dòng)力損傷識(shí)別指標(biāo)、粒子群算法、模糊聚類等理論，提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略和損傷識(shí)別方法，為異形橋梁的安全設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)提供參考。

關(guān)鍵詞：異形橋梁；優(yōu)化設(shè)計(jì)；損傷識(shí)別；計(jì)算方法；參數(shù)分析

中圖分類號(hào)：U446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3024（2016）06-105-02

1.研究背景及意義

橋梁作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在提升交通運(yùn)輸效率方面效果突出。截至2014年年底，我國(guó)公路橋梁總數(shù)已達(dá)75.71萬座，4257.89萬延米，但橋梁結(jié)構(gòu)在外部荷載、氯離子侵蝕、溫濕度等環(huán)境因素作用下_結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)疲勞損傷，結(jié)構(gòu)承載性能降低等問題。為了保證橋梁處于良好的服役狀態(tài)、有效提升城市空間利用效率，異形橋梁結(jié)構(gòu)在我國(guó)城市化進(jìn)程中得到了廣泛使用，而其結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修、結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)問題也對(duì)橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提出了新要求。

2.基于模態(tài)參數(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究現(xiàn)狀

2.1基于頻率參數(shù)的損傷識(shí)別

在損傷識(shí)別領(lǐng)域的早期，大量的研究工作是采用頻率的改變作為損傷識(shí)別指標(biāo)。主要原因在于頻率在實(shí)際測(cè)試過程中易于測(cè)試得到，在許多情況下僅需要一個(gè)傳感器就可以實(shí)現(xiàn)。然而。采用頻率進(jìn)行損傷識(shí)別的缺點(diǎn)在于頻率改變對(duì)損傷不敏感，這就要求要么非常準(zhǔn)確的測(cè)量或者比較大的損傷。因此。基于頻率的損傷識(shí)別方法在實(shí)際應(yīng)用過程中面臨的困難，國(guó)內(nèi)外學(xué)者形成了一種可以識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的優(yōu)化算法：以馬爾科夫參數(shù)形式的損傷結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)為目標(biāo)函數(shù)，并進(jìn)行待定函數(shù)求解。識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷位置及程度。

2.2基于振型參數(shù)的損傷識(shí)別

模態(tài)振型參數(shù)在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中應(yīng)用最為廣泛。識(shí)別效果也要優(yōu)于模態(tài)頻率參數(shù)。基于振型數(shù)據(jù)的損傷識(shí)別方法主要包括依賴單純的直接振型數(shù)據(jù)或者振型的導(dǎo)出量?jī)深?，最常用的直接振型類參?shù)包括模態(tài)置信準(zhǔn)則fMACl以及坐標(biāo)模態(tài)置信準(zhǔn)則（cOMAC）。當(dāng)結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)損傷時(shí)，模態(tài)振型會(huì)在損傷附近區(qū)域出現(xiàn)改變，因此結(jié)構(gòu)損傷前后模態(tài)曲率的改變是一個(gè)理想的損傷識(shí)別指標(biāo)。特別是應(yīng)用于結(jié)構(gòu)損傷定位。

2，3基于計(jì)算智能方法的損傷識(shí)別

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在非線性建模、聯(lián)想推理以及容錯(cuò)性等方面優(yōu)勢(shì)突出，也為解決結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別難題提供了新途徑，但對(duì)于實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與結(jié)果存在很大的模糊性與不確定性，損傷位置及程度的精確確定一方面存在困難，另一方面在某些情況下不是特別必要，而確定出損傷的大致區(qū)域和損傷的狀態(tài)相對(duì)更有實(shí)際價(jià)值。

3.異形橋梁結(jié)構(gòu)性能分析

異形箱梁橋作為直梁橋和彎梁橋的連接結(jié)構(gòu)，空間效應(yīng)顯著。既具有正橋受力的特點(diǎn)，又具有彎梁橋彎扭耦合的特性，所以，突出異形橋梁相對(duì)于傳統(tǒng)彎橋受力特陛的差異，異形箱梁橋的彎曲、畸變、翹曲和剪力滯以及不同效應(yīng)的相互耦合成為其結(jié)構(gòu)性能研究的重點(diǎn)。

3.1異形橋梁靜動(dòng)力性能分析

目前，對(duì)異形箱梁橋所做的研究工作主要集中在數(shù)值模擬和荷載模型試驗(yàn)上。建立了異形連續(xù)梁橋一車輛耦合振動(dòng)模型。采用模態(tài)分析技術(shù)計(jì)算了車輛作用下橋梁的動(dòng)力特陛，并探討了懸架剛度、輪胎剛度等車輛參數(shù)以及車輛位置對(duì)車輛作用下的異形連續(xù)梁橋動(dòng)力特性的影響，

3.2異形橋梁損傷識(shí)別中的影響參數(shù)分析

異形橋梁在車輛荷載以及外部其它環(huán)境因素影響下，結(jié)構(gòu)損傷呈現(xiàn)階段性變化，即從輕微損傷階段逐步過渡至嚴(yán)重?fù)p傷階段。因此，結(jié)構(gòu)損傷程度的大小是異形橋梁損傷識(shí)別過程中的影響參數(shù)之一。

異形橋梁的自由度較普通梁式橋而言相對(duì)較大。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試過程中所需的傳感器數(shù)量較多，但傳感器數(shù)量太多。經(jīng)濟(jì)性上不理想：傳感器數(shù)量過少，無法正確的反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。因此，異形橋梁測(cè)試所需傳感器數(shù)量也是影響結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別結(jié)果的重要參數(shù)之一。

對(duì)于異形橋梁損傷識(shí)別過程中所需的模態(tài)階數(shù)，現(xiàn)有研究結(jié)果表明模態(tài)階數(shù)越高對(duì)損傷的敏感性越強(qiáng)。但在實(shí)際的測(cè)試過程中，低階的模態(tài)數(shù)據(jù)相對(duì)容易測(cè)試獲取。因此，在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別過程中確定模態(tài)數(shù)量與損傷識(shí)別效果的相關(guān)關(guān)系，從而得到理想的損傷識(shí)別結(jié)果具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.基于粒子群優(yōu)化模糊C均值聚類的異形橋梁損傷識(shí)別方法

4.1模糊聚類損傷位置識(shí)別

本文采用粒子群優(yōu)化模糊c均值聚類算法實(shí)現(xiàn)異形橋梁損傷位置識(shí)別。建立損傷位置識(shí)別指標(biāo)。將實(shí)測(cè)樣本損傷識(shí)別指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理：對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析確定最佳聚類數(shù)目及聚類中心，結(jié)合橋梁樣本損傷工況，確定樣本聚類中心對(duì)應(yīng)的損傷位置；基于樣本聚類分析結(jié)果，建立異形橋梁損傷位置識(shí)別數(shù)據(jù)庫。通過計(jì)算損傷橋梁識(shí)別指標(biāo)與數(shù)據(jù)庫損傷位置聚類中心的隸屬度，確定異形橋梁損傷位置。

4.2異形橋梁損傷程度識(shí)別

損傷位置確定的基礎(chǔ)上，采用均勻荷載面曲率差隸屬度進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷等級(jí)的評(píng)定。將結(jié)構(gòu)5%、10%、15%及20%損傷定義為“輕微損傷”、“中度損傷”、“嚴(yán)重?fù)p傷”及“破壞性損傷”四個(gè)損傷等級(jí)。通過測(cè)量局部損傷區(qū)域節(jié)點(diǎn)的振型值，獲取ULSCD值，計(jì)算其到各損傷等級(jí)的隸屬度。根據(jù)最大隸屬度確定類別的原則，實(shí)現(xiàn)損傷等級(jí)判定。單位置損傷程度識(shí)別和多位置損傷識(shí)別結(jié)果表明，該方法在異形橋梁結(jié)構(gòu)損傷程度識(shí)別中是準(zhǔn)確可行的。

5.結(jié)束語

研究針對(duì)異形橋梁的損傷程度識(shí)別，構(gòu)建了頻率變化率、振型比值和模態(tài)柔度差曲率三種不同的損傷識(shí)別參數(shù)：基于粒子群優(yōu)化模糊c均值聚類理論，結(jié)合結(jié)構(gòu)整體模態(tài)頻率變化比隕傷識(shí)別指標(biāo)提出了多階模態(tài)頻率變化比聚類分析的異形橋梁損傷位置識(shí)別方法：考慮到異形橋梁損傷識(shí)別過程中，容易受到諸多參數(shù)的影響，開展了損傷程度、傳感器數(shù)量、模態(tài)數(shù)量等影響參數(shù)對(duì)損傷識(shí)別指標(biāo)影響，以及支點(diǎn)附近單元損傷和異形結(jié)構(gòu)橫向損傷的評(píng)價(jià)工作。