康文剛

摘 要：目前已經(jīng)投入使用的橋梁常會(huì)因?yàn)槎喾矫娴脑蛟谶\(yùn)營(yíng)數(shù)年后產(chǎn)生諸多病害。對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，隨時(shí)了解并掌握橋梁的病變情況并進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估，是保證橋梁的使用安全和延長(zhǎng)其使用時(shí)限的有效策略。在目前的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的識(shí)別及評(píng)估中，已經(jīng)出現(xiàn)了多種手段和方法，形成了相應(yīng)的評(píng)估理論，但還需在此基礎(chǔ)上將相關(guān)的技術(shù)手段加以提高和完善。

關(guān)鍵詞：橋梁；結(jié)構(gòu)狀態(tài)；識(shí)別；評(píng)估

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，交通事業(yè)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。作為交通線路中重要的組成部分，橋梁使用的時(shí)間正在逐漸增長(zhǎng)，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)外都出現(xiàn)了一定的缺陷，給交通運(yùn)輸?shù)陌踩詭?lái)了很大的威脅。如果對(duì)于這些橋梁沒(méi)有進(jìn)行足夠的監(jiān)測(cè)和維護(hù)，會(huì)使橋梁的使用年限大幅度降低，甚至有時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的毀壞，造成嚴(yán)重的生命損失和財(cái)產(chǎn)損失。因此，人們對(duì)于使用中橋梁的耐久性、安全性和使用功能極為關(guān)注。如何對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行行之有效的識(shí)別，并展開(kāi)準(zhǔn)確而高效的狀態(tài)評(píng)估，是保證我國(guó)交通運(yùn)輸安全的重要手段。

1.橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的識(shí)別

對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，主要是對(duì)橋梁在日常使用中的健康情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)是否發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的損失情況進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別與判斷。

1.1橋梁健康情況的監(jiān)測(cè)

對(duì)橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，主要是使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和傳感器在橋梁上形成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，長(zhǎng)期對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)、工作情況和可能的損傷進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的信息用于對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行反演，從而對(duì)其中的損傷進(jìn)行識(shí)別。當(dāng)橋梁遭遇特殊的交通條件、惡劣的氣候或者使用功能異常時(shí)，能夠發(fā)出預(yù)警的信號(hào)，從而為橋梁的使用、管理和維護(hù)提供指導(dǎo)。對(duì)橋梁健康情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以為橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別過(guò)程提供在現(xiàn)實(shí)情況下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的實(shí)測(cè)信息。

1.2橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別

橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別的核心就是損傷識(shí)別，常用的識(shí)別方法可以分為以振動(dòng)為基礎(chǔ)的識(shí)別法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別法。

1.2.1以振動(dòng)為基礎(chǔ)的識(shí)別法

這種損傷識(shí)別方法主要包括有模型的識(shí)別方法和無(wú)模型的識(shí)別方法兩種。有模型的識(shí)別方法在工程領(lǐng)域中常用于對(duì)損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以分為動(dòng)力指紋的識(shí)別和模型修正識(shí)別兩種。動(dòng)力指紋的識(shí)別是對(duì)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力有所關(guān)聯(lián)的相應(yīng)動(dòng)力指紋進(jìn)行分析，根據(jù)指紋變化情況對(duì)結(jié)構(gòu)的狀況進(jìn)行判斷。在橋梁的損傷識(shí)別中，常用到的動(dòng)力指紋包括功率譜、振型、頻率和MAC指標(biāo)等。無(wú)模型的識(shí)別方法是對(duì)振動(dòng)相應(yīng)時(shí)和相應(yīng)傅立葉譜或其他的變換進(jìn)行分析對(duì)比，得到具有代表性的特征量，對(duì)損傷進(jìn)行識(shí)別。無(wú)模型的識(shí)別方法又可分為頻域法、時(shí)頻分析法和時(shí)域法。雖然以振動(dòng)為基礎(chǔ)的識(shí)別方法是較優(yōu)的選擇，但是在應(yīng)用中存在一定的難度，如屬于數(shù)據(jù)壓縮形式的模態(tài)性質(zhì)，在壓縮過(guò)程中會(huì)將部分狀態(tài)信息丟失，不能準(zhǔn)確的反應(yīng)真實(shí)的情況，而損傷只是局部現(xiàn)象，需要高頻率的模態(tài)才能采集到，而低頻率的模態(tài)不能準(zhǔn)確得到損傷的信息。

1.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別法

1943年，二值神經(jīng)元模型的提出，拉開(kāi)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的序幕。從上個(gè)世紀(jì)九十年代以來(lái)，就有很多學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別法對(duì)原來(lái)的系統(tǒng)沒(méi)有特殊要求，不限定是非線性或線性，在輸出和輸入間建立其非線性的映射關(guān)聯(lián)，而對(duì)于輸入?yún)?shù)也沒(méi)有明確的規(guī)定，可用的輸入?yún)?shù)有位移模態(tài)、固有頻率、應(yīng)變模態(tài)和曲率模態(tài)等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的高度容錯(cuò)性和非線性映射能力使對(duì)參數(shù)的準(zhǔn)確與否沒(méi)有嚴(yán)格要求，對(duì)于模糊信息的處理和專家推理的模擬能力都非常具有潛能，可以對(duì)橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)的診斷和監(jiān)測(cè)，對(duì)損傷的位置可以準(zhǔn)確的進(jìn)行識(shí)別，并且可以合理評(píng)價(jià)損傷的程度，所以在橋梁的損傷識(shí)別和健康判斷中可以發(fā)揮巨大的作用。

2.橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評(píng)估策略

2.1橋梁結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)估

目前，在對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)估時(shí)，可以采用多種評(píng)估方法，應(yīng)用的理論主要是層次分析法、可靠度理論、模糊理論和專家系統(tǒng)等。

2.1.1層次分析法

層次分析法簡(jiǎn)稱為AHP，在上個(gè)世紀(jì)七十年代由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家提出。AHP評(píng)估方法是對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合的定量評(píng)價(jià)分析，首先將同層次的評(píng)估指標(biāo)確定初始的權(quán)重，把相關(guān)的定性因素進(jìn)行定量化處理，減少了評(píng)價(jià)中的主觀因素的影響，使評(píng)估的結(jié)果更為客觀真實(shí)。對(duì)權(quán)重進(jìn)行確定時(shí)，可以用求和平均和乘積方根的方法進(jìn)行計(jì)算。這一評(píng)估方法主要可對(duì)橋梁的耐久性和安全性進(jìn)行評(píng)估，包括橋梁的索力、變形、結(jié)構(gòu)損傷、應(yīng)力和承載能力等內(nèi)容。

2.1.2可靠度理論

目前采用最多的基于可靠度的分析方法就是一次二階矩方法，這種方法的基礎(chǔ)是保持結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的正態(tài)分布，而在實(shí)際操作中，結(jié)構(gòu)功能函數(shù)常呈非線性，不符合正態(tài)分布規(guī)律，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)功能函數(shù)也不符合正態(tài)分布，這時(shí)就不能用這一方法對(duì)結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)進(jìn)行直接的計(jì)算，以避免計(jì)算的精度無(wú)法滿足評(píng)估的要求。所以，在這一方法的基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了二次二階矩方法，用于對(duì)隨機(jī)空間中的可靠度分析。蒙特卡羅法這一數(shù)值模擬法是可靠度分析方法之一，這種方法中，模擬處理的收斂素的和隨機(jī)變量中維數(shù)互不相關(guān)，模擬的過(guò)程對(duì)極限狀態(tài)下的函數(shù)復(fù)雜性不造成影響，所以在計(jì)算時(shí)，不需要將隨機(jī)變量轉(zhuǎn)換成正態(tài)化或?qū)顟B(tài)函數(shù)線性化。

2.1.3綜合評(píng)估方法

綜合性的評(píng)估方法是以層次分析方法和專家評(píng)估為基礎(chǔ)的變權(quán)評(píng)估方法。目前，我國(guó)相關(guān)規(guī)范中采用的是綜合分級(jí)評(píng)估法，并且最終的評(píng)定標(biāo)度可分五級(jí)，根據(jù)橋梁所處的環(huán)境和維護(hù)的要求，利用專家評(píng)估的方法對(duì)各結(jié)構(gòu)進(jìn)行權(quán)重確定，按照扣分原則進(jìn)行分?jǐn)?shù)的評(píng)定，并劃分評(píng)估的等級(jí)。在實(shí)際的評(píng)估中，基層維護(hù)人員對(duì)于按規(guī)范判定橋梁的損傷較為困難，一旦重要分部結(jié)構(gòu)評(píng)級(jí)錯(cuò)誤，會(huì)使綜合評(píng)定中的計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致評(píng)定結(jié)果不能真實(shí)反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)。

2.2對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行評(píng)估

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行評(píng)估，經(jīng)常使用的評(píng)估方法是概率基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估方法。這種評(píng)估方法是根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)利用系統(tǒng)記錄的信息繪制應(yīng)變時(shí)程曲線，對(duì)橋梁中的結(jié)構(gòu)疲勞以概率學(xué)內(nèi)容進(jìn)行可靠評(píng)估。這一方法需要取一定天數(shù)的應(yīng)變曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，從而得到標(biāo)準(zhǔn)樣本，并將橋梁中應(yīng)變循環(huán)全用這個(gè)樣本加以體現(xiàn)，根據(jù)雨流計(jì)數(shù)的方法，得到標(biāo)準(zhǔn)樣本上的應(yīng)力幅譜。具體的分析流程如圖1所示。除此之外，還有模糊綜合的評(píng)估方法。

圖1：橋梁箱梁結(jié)構(gòu)疲勞分析流程圖

3.結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)很大一部分橋梁因?yàn)槭褂玫臅r(shí)間較長(zhǎng)，在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)出現(xiàn)了一些問(wèn)題，埋藏著嚴(yán)重的安全隱患，嚴(yán)重威脅著橋梁的安全使用。因此，采用有效的方法對(duì)現(xiàn)有橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別與評(píng)估，是保證橋梁的使用安全和使用壽命的有效措施。要加強(qiáng)對(duì)相關(guān)技術(shù)手段的研究，從而為橋梁的正常使用保駕護(hù)航。

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