斜拉橋的內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別技術(shù)研究

李　悄

摘要：文章以一座獨(dú)塔鋼箱梁?jiǎn)嗡髅嫘崩瓨驗(yàn)楣こ瘫尘?，利用有限元軟件Ansys對(duì)斜拉橋的內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了研究。通過(guò)分析計(jì)算顯示，斜拉橋的內(nèi)力狀態(tài)可以通過(guò)調(diào)節(jié)索力的方法來(lái)調(diào)整，并且在測(cè)試噪聲水平為10％時(shí)，可以將內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別誤差控制在誤差限以內(nèi)。因此，用位移識(shí)別索力的狀態(tài)識(shí)別方法是可行、有效的。

關(guān)鍵詞：ANSYS；斜拉橋；狀態(tài)識(shí)別；內(nèi)力；撓度

中圖分類(lèi)號(hào)：U441

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-2374(2009)17－0007-02

社會(huì)進(jìn)步和土木工程技術(shù)的發(fā)展，使越來(lái)越多的大跨度橋梁得到了修建，雖然合理、保守的設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)安全的根本保證，但是限于當(dāng)前對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)程度，人們時(shí)許多不定時(shí)的或不可確定因素并不都能進(jìn)行有效控制或預(yù)測(cè)，為了確保設(shè)計(jì)的使用安全性和耐久性達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)時(shí)了解橋梁“健康”狀態(tài)是非常重要的，因此橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)這項(xiàng)課題日益成為國(guó)內(nèi)外橋梁學(xué)術(shù)界和工程界的研究熱點(diǎn)。

在特大跨度橋梁運(yùn)營(yíng)階段健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)中，橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀況的不利改變情況是危害橋梁結(jié)構(gòu)安全的主要因素，因此，狀態(tài)識(shí)別子系統(tǒng)是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心。

橋梁內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別的中心任務(wù)是將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息轉(zhuǎn)化為反映結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的信息，在此基礎(chǔ)上對(duì)安全狀態(tài)信息進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)即可獲得結(jié)構(gòu)在特定時(shí)刻的安全程度及其健康狀況，為橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)及維護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)。

一、內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別的理論與方法

現(xiàn)有結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別方法本身可分為局部方法和整體方法，按照狀態(tài)識(shí)別所需特征量是否依賴(lài)結(jié)構(gòu)模型，可分為有模型方法和無(wú)模型方法；從識(shí)別策略上又可分為無(wú)反演的識(shí)別方法、有反演的識(shí)別方法以及混合型識(shí)別方法。本文從識(shí)別策略的角度入手對(duì)有模型斜拉橋進(jìn)行整體狀態(tài)識(shí)別研究。

狀態(tài)識(shí)別的基本原理是：結(jié)構(gòu)的響應(yīng)(固有頻率、模態(tài)振型、應(yīng)變、位移以及相應(yīng)的派生信息)是結(jié)構(gòu)物理特性(剛度、質(zhì)量、阻尼和邊界條件等)的函數(shù)，因而結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變會(huì)引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化，通過(guò)將觀測(cè)得到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)相比較，可以獲得結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的相關(guān)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)識(shí)別。

當(dāng)前所采用的有反演的狀態(tài)識(shí)別方法主要以模型修正理論為基礎(chǔ)。模型修正源于有限元理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的差異，其基本思想是：利用結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)響應(yīng)信息對(duì)初始有限元模型進(jìn)行修正，得到的修正有限元模型能夠更好地反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。模型修正方法主要包括早期的矩陣型修正法和近年來(lái)提出的參數(shù)型修正法。具體到力學(xué)領(lǐng)域，參數(shù)型修正法即參數(shù)識(shí)別，是當(dāng)前模型修正最重要的研究領(lǐng)域之一。在已知研究對(duì)象模型結(jié)構(gòu)的情況下，采用試驗(yàn)方法確定影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)的主要參數(shù)，稱(chēng)為參數(shù)識(shí)別。模型修正與參數(shù)識(shí)別理論作為結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別的基礎(chǔ)本質(zhì)上是反問(wèn)題，可以最終歸結(jié)為最優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。

二、內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別的實(shí)例驗(yàn)證

(一)工程背景

本文的工程背景是一座獨(dú)塔單索面鋼箱梁斜拉橋，其跨徑布置為180+90+75m，橋面總寬31.6m，按雙向八車(chē)道布置。索塔為傾斜式混凝土橋塔，總高126.5m。主梁為單箱四室薄壁結(jié)構(gòu)，主梁全寬38.6m，梁高4.12m。全橋共12對(duì)斜拉索，呈不對(duì)稱(chēng)布置，邊跨主梁的斜拉索集中布置在輔助墩附近，索距3m，主跨主梁上則均勻布置，標(biāo)準(zhǔn)索距12m，塔上索距4m。索塔和主梁的結(jié)合方式為塔梁固結(jié)。橋型布置如圖1所示：

(二)買(mǎi)施方粟

對(duì)于斜拉橋而言，斜拉索索力是其安全性最為重要的影響因素，索力確定后即可獲得結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)，從而為探明結(jié)構(gòu)極限承載力、結(jié)構(gòu)的適用性等重要信息，為結(jié)構(gòu)的整體安全性提供最為重要的依據(jù)。因此，本文通過(guò)主梁結(jié)點(diǎn)撓度來(lái)識(shí)別斜拉索索力，在此基礎(chǔ)上確定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)并將該狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的基礎(chǔ)。

具體做法為：以斜拉橋成橋狀態(tài)的主梁主要結(jié)點(diǎn)(主梁錨固點(diǎn))的豎向位移作為初始值，由于各種因素的作用，斜拉橋的內(nèi)力狀態(tài)發(fā)生改變后，所測(cè)得的主梁錨固點(diǎn)的豎向位移定為實(shí)測(cè)值。以主梁結(jié)點(diǎn)撓度(即位移實(shí)測(cè)值與初始值之差)的平方和為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)軟件Ansys的優(yōu)化模塊進(jìn)行索力優(yōu)化，可以識(shí)別出一組索力，進(jìn)而得到一組對(duì)應(yīng)的全橋內(nèi)力狀態(tài)，以這種內(nèi)力狀態(tài)來(lái)反映真實(shí)的全橋內(nèi)力狀態(tài)。通過(guò)在不同位置加載外力的方法來(lái)模擬內(nèi)力狀態(tài)的改變，如圖2所示：

1、一號(hào)加載點(diǎn)位置為拉索s9與主梁的錨固處，施加一集中力F=1000kN，斜拉橋的內(nèi)力狀態(tài)將發(fā)生改變，根據(jù)主梁錨固點(diǎn)撓度的平方和最小化原則，通過(guò)索力優(yōu)化的方法可識(shí)別出一組全橋的內(nèi)力狀態(tài)，內(nèi)力狀態(tài)改變后的真實(shí)彎矩與識(shí)別得到的彎矩比較見(jiàn)表1：

一般取識(shí)別值與真實(shí)值的誤差水平限為10％。從表1可看出，通過(guò)反演識(shí)別出的彎矩圖，其主要控制斷面的彎矩值與真實(shí)值的相對(duì)誤差最大為4.4％；另外，圖3顯示，內(nèi)力狀態(tài)改變后的主梁撓度曲線真實(shí)值與識(shí)別值的形狀是比較吻合的，最大的誤差只有0.0035m。因此，通過(guò)反演識(shí)別出的這組全橋內(nèi)力狀態(tài)是可以比較正確地反映真實(shí)的全橋內(nèi)力狀態(tài)的。

2、二號(hào)加載點(diǎn)位置為拉索s4與主梁的錨固處，施加一集中力F=1000kN，用同樣的方法做反演分析，可識(shí)別得到一組全橋的內(nèi)力狀態(tài)，控制斷面的彎矩比較見(jiàn)表2：

表2顯示，控制斷面識(shí)別彎矩值與真實(shí)值相對(duì)誤差最大為2.9％，滿足10％的相對(duì)誤差限，圖4顯示，主梁撓度識(shí)別曲線與真實(shí)曲線比較吻合，最大誤差約為0.002m，因此，識(shí)別出的這組內(nèi)力狀態(tài)能夠比較正確地反映真實(shí)的全橋內(nèi)力狀態(tài)。

3、三號(hào)加載點(diǎn)位置為邊跨主梁的跨中，四號(hào)加載點(diǎn)位置為輔助跨主梁的跨中，用同樣的方法做反演分析，識(shí)別出的內(nèi)力狀態(tài)均能夠比較正確地反映真實(shí)的全橋內(nèi)力狀態(tài)。

三、結(jié)論

1、斜拉橋的內(nèi)力狀態(tài)可以通過(guò)調(diào)節(jié)索力的方法來(lái)調(diào)整，對(duì)本橋進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別計(jì)算的結(jié)果顯示，在測(cè)試噪聲水平為10％時(shí)，可以將內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別誤差控制在誤差限以內(nèi)。因此，用位移識(shí)別索力的狀態(tài)識(shí)別方法是可行、有效的。

2、通過(guò)本文中采用的狀態(tài)識(shí)別技術(shù)，利用實(shí)橋中的主梁撓度測(cè)試結(jié)果，可以反演得到橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)中恒載內(nèi)力狀態(tài)的改變情況。根據(jù)恒載狀態(tài)下的內(nèi)力反演結(jié)果獲得當(dāng)前狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)的恒載內(nèi)力狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)活載的信息組合得到結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力，進(jìn)而通過(guò)當(dāng)前應(yīng)力和結(jié)構(gòu)臨界應(yīng)力的對(duì)比可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的評(píng)估。因此，橋梁狀態(tài)識(shí)別的意義在于為橋梁的狀態(tài)評(píng)估提供依據(jù)。