王珊珊，張文武，閆昕，劉方洲

（1.山東高速集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250098；2.中路高科交通檢測(cè)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司，北京 100088）

0 引言

改革開放以來，我國(guó)橋梁建設(shè)取得了舉世矚目的成就，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮了積極、重要的作用。然而，隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，荷載、環(huán)境等作用的變化，出行安全性、舒適性等需求的提高，橋梁的安全性、耐久性等問題也日益突出，受到越來越廣泛的關(guān)注。

養(yǎng)護(hù)維修是確保橋梁處于正常工作狀態(tài)的主要手段，包括檢查檢測(cè)、維修保養(yǎng)和加固等工作，其中，通過規(guī)范性的日常巡查、經(jīng)常性檢查、定期檢查和特殊檢查是獲取橋梁工作狀態(tài)的主要途徑。然而，養(yǎng)護(hù)檢查及評(píng)定在很大程度上要依賴于人員的經(jīng)驗(yàn)，且周期性較長(zhǎng)，隱蔽缺陷檢查不到，這樣就存在對(duì)橋梁狀態(tài)評(píng)估不準(zhǔn)確不全面、對(duì)病害發(fā)展跟蹤不到位、對(duì)突發(fā)異常反饋不及時(shí)等弊端。

20 世紀(jì)80年代，隨著傳感與測(cè)試、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)的發(fā)展，橋梁監(jiān)測(cè)理論體系得以逐步建立及發(fā)展應(yīng)用。近20年來，隨著橋梁建設(shè)的飛速發(fā)展和對(duì)橋梁安全重視程度的不斷提高，我國(guó)在橋梁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用上均取得了跨越式發(fā)展，目前已成為系統(tǒng)應(yīng)用最多的國(guó)家。但是，橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)至今沒有在橋梁養(yǎng)護(hù)工作中得到廣泛有效地利用，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作的支撐和補(bǔ)充作用不明顯，系統(tǒng)效能沒有得到充分地利用。因此，如何將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用融入到養(yǎng)護(hù)管理工作中，利用多源的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)橋梁狀態(tài)做出綜合的診斷與評(píng)定，是推動(dòng)橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展，提升橋梁綜合養(yǎng)護(hù)管理水平的必由之路。

本文針對(duì)高速公路典型橋梁，在對(duì)其監(jiān)測(cè)內(nèi)容分析的基礎(chǔ)上，建立了高速公路橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)方法，開發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)定軟件包，推動(dòng)橋梁結(jié)構(gòu)多源檢/監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和狀態(tài)診斷評(píng)定技術(shù)難點(diǎn)的解決與突破。

1 結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系

高速公路梁式橋按主梁截面形式可分為多梁（肋）式結(jié)構(gòu)（Ⅰ形梁、T 形梁、Ⅱ形梁、槽形梁、板梁、小箱梁等）和整體式結(jié)構(gòu)（箱型梁）。根據(jù)橋梁類別對(duì)不同類型的梁式橋的監(jiān)測(cè)內(nèi)容進(jìn)行了分析，形成了高速公路梁式橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，如表1 所示。

表1 高速公路梁式橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系

基于上述指標(biāo)體系，對(duì)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析項(xiàng)進(jìn)行了分析與歸類，如表2 所示。

表2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分析項(xiàng)

（表1續(xù)）

（表2續(xù)）

2 基于疲勞的橋梁結(jié)構(gòu)安全評(píng)定

混凝土、鋼筋及鋼絞線等材料往往含有微小的缺陷，在循環(huán)荷載作用下，這些微缺陷（微裂紋和微孔洞）會(huì)成核發(fā)展及合并形成損傷，并逐步在材料中形成宏觀裂紋。如果宏觀裂紋不得到有效控制，極有可能會(huì)引起材料、結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。早期疲勞損傷往往不易被檢測(cè)到，但其帶來的后果可能是災(zāi)難性的。

近30年來疲勞損傷的研究已進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)，由于各種原因，預(yù)應(yīng)力混凝土中總存在或多或少的裂縫，車輛動(dòng)荷載使裂縫反復(fù)閉合和擴(kuò)寬，使裂尖產(chǎn)生累積殘余變形。由于梁體循環(huán)應(yīng)力，及介質(zhì)的非均勻性，使疲勞裂縫沿縱向、斜向擴(kuò)展。預(yù)應(yīng)力混凝土梁受到車輛動(dòng)荷載作用，梁體不僅發(fā)生彎曲變形，同時(shí)受到較大剪力，因此橋梁動(dòng)疲勞破壞可分為正截面受彎破壞和斜截面剪切破壞。

預(yù)應(yīng)力鋼筋和鋼絞線在受到很大拉力的同時(shí)，還和梁體一起承受較大剪力，處于拉剪組合受力狀態(tài)。當(dāng)縱向鋼筋和鋼絞束發(fā)生疲勞斷裂時(shí)，梁體立即發(fā)生正截面破壞。車輛動(dòng)荷載使梁體受到重復(fù)變化的剪力，隨著荷載作用次數(shù)的增加，鋼筋和混凝土疲勞損傷不斷積累裂縫不斷擴(kuò)展，剪壓區(qū)混凝土的剪力逐漸卸給箍筋，使箍筋應(yīng)力增大，受力最大的箍筋首先疲勞斷裂，使疲勞損傷速度加快，其它穿過裂縫的箍筋應(yīng)力增大，而逐根疲勞斷裂，最終因不足以承受較大剪力而破壞。

評(píng)估橋梁的疲勞壽命一般依據(jù)Miner 線性累積損傷原理，即影響疲勞壽命的主要因素是應(yīng)力幅和相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，以及結(jié)構(gòu)的疲勞抗力性能。在整個(gè)使用期間，結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞的條件為：

式（1）中，D為結(jié)構(gòu)損傷度，Ni為S-N 曲線上相應(yīng)于應(yīng)力幅的抗疲勞循環(huán)次數(shù)。由實(shí)驗(yàn)得出的S-N 曲線方程為：lgN＝A-BΔσg。構(gòu)件疲勞強(qiáng)度可由材料的S-N 曲線來確定，而S-N 曲線通過大量疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到。

橋梁結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析，主要從橋跨構(gòu)件抗力和動(dòng)荷載效應(yīng)兩方面入手，將它們作為隨機(jī)變量，研究它們的分布規(guī)律、統(tǒng)計(jì)參數(shù)和變異性。對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，主要分析混凝土和鋼絞線的疲勞特性。

（1）混凝土的疲勞分析

一些文獻(xiàn)給出了混凝土在等幅應(yīng)力下，軸心抗壓強(qiáng)度與應(yīng)力重復(fù)次數(shù)N 的關(guān)系式：

式（2）中，σmax、σmin分別為重復(fù)應(yīng)力上、下限；σc為混凝土靜載軸心抗壓強(qiáng)度；N為應(yīng)力作用次數(shù)。

（2）鋼絞線的疲勞分析

鋼絞線的疲勞強(qiáng)度Δσp，可按修正后的S-N 曲線進(jìn)行分析。

式（3）中,N為相應(yīng)應(yīng)力幅的作用次數(shù);為S-N 曲線的斜率指數(shù)，鋼絞線可取為3.0；為相應(yīng)于應(yīng)力作用次數(shù)N0=2×106預(yù)應(yīng)力鋼筋的持久疲勞強(qiáng)度。

應(yīng)力譜可以利用應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取實(shí)際隨機(jī)動(dòng)荷載作用下的應(yīng)力時(shí)間歷程，得到其應(yīng)力時(shí)程曲線。然后用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)應(yīng)力時(shí)程曲線進(jìn)行分析，得到不同應(yīng)力幅水平及其所對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，利用統(tǒng)計(jì)推斷的方法研究其分布規(guī)律和統(tǒng)計(jì)參數(shù)，最后用累積損傷理論計(jì)算損傷度，分析其疲勞可靠度。

現(xiàn)行規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)荷載，不能反映真實(shí)營(yíng)運(yùn)狀況和未來狀況的隨機(jī)動(dòng)力荷載譜，以及橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和車輛動(dòng)力狀態(tài)的不確定性，使得利用實(shí)際抽測(cè)法統(tǒng)計(jì)分析構(gòu)件的疲勞應(yīng)力譜很有必要。

3 典型病害下的安全評(píng)定

土木工程結(jié)構(gòu)在其使用壽命周期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)損傷現(xiàn)象，有效理論和方法來監(jiān)測(cè)和識(shí)別損傷狀態(tài)，對(duì)于保證結(jié)構(gòu)安全，避免重大事故發(fā)生和降低事故的危害性具有重要實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值，基于振動(dòng)的損傷識(shí)別方法一直是土木工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

本文通過輸出的結(jié)構(gòu)響應(yīng)根據(jù)相空間嵌入技術(shù)來重新構(gòu)建系統(tǒng)的吸引子，通過分析不同狀態(tài)下重構(gòu)吸引子的特征來識(shí)別不同程度的損傷?？梢酝ㄟ^計(jì)算目標(biāo)結(jié)構(gòu)對(duì)完好狀態(tài)的參考狀態(tài)的吸引子曲線的距離差，可以來判斷損傷的有無，判斷結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)劣化。圖1 顯示了當(dāng)?shù)谝粚又影l(fā)生不同損傷時(shí)，各層的加速度信號(hào)重構(gòu)的吸引子相對(duì)于原完好狀態(tài)時(shí)的吸引子的距離。從圖可見，當(dāng)損傷增大，其吸引子距離也跟著增大，呈現(xiàn)出一種單調(diào)上升的狀態(tài)。

圖1 底層受不同損傷時(shí)各層的吸引子距離

對(duì)于多損傷也可以用同樣的方法進(jìn)行識(shí)別，圖2 所示為第二層和第三層同時(shí)受相同損傷時(shí)各層的吸引子距離?？梢?，當(dāng)損傷增大，其吸引子距離也跟著增大，同樣呈現(xiàn)出一種單調(diào)上升的狀態(tài)。

圖2 第二層和第三層同時(shí)受相同損傷時(shí)各層的吸引子距離

4 結(jié)論

本文針對(duì)高速公路橋梁荷載和環(huán)境作用復(fù)雜、橋梁群服役狀況顯著差異等問題，對(duì)高速公路橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法開展了研究分析，主要結(jié)論如下：

（1）提出了高速公路典型橋梁的監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分析項(xiàng)；

（2）提出了基于橋梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析的構(gòu)件疲勞應(yīng)力譜分析方法及疲勞狀態(tài)評(píng)定方法；

（3）提出了基于混沌激勵(lì)的研究方法，可以將結(jié)構(gòu)中較小的損傷進(jìn)行放大，從而識(shí)別結(jié)構(gòu)內(nèi)存在的損傷，對(duì)于識(shí)別結(jié)構(gòu)初期損傷或者劣化，具有較好的理論意義和實(shí)用價(jià)值。