異形橋梁優(yōu)化設計與損傷識別方法研究

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構為研究對象，針對其優(yōu)化設計和損傷識別關鍵科學問題，考慮該特殊橋梁的結構特點，基于頻率參數(shù)、振型參數(shù)、頻響函數(shù)參數(shù)的損傷識別和動力損傷識別指標、粒子群算法、模糊聚類等理論，提出了相應的優(yōu)化設計策略和損傷識別方法，為異形橋梁的安全設計和運營提供參考。

關鍵詞：異形橋梁；優(yōu)化設計；損傷識別；計算方法；參數(shù)分析

中圖分類號：U446 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3024（2016）06-105-02

1.研究背景及意義

橋梁作為交通基礎設施的重要組成部分，在提升交通運輸效率方面效果突出。截至2014年年底，我國公路橋梁總數(shù)已達75.71萬座，4257.89萬延米，但橋梁結構在外部荷載、氯離子侵蝕、溫濕度等環(huán)境因素作用下_結構容易出現(xiàn)疲勞損傷，結構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，異形橋梁結構在我國城市化進程中得到了廣泛使用，而其結構養(yǎng)護維修、結構安全運營問題也對橋梁優(yōu)化設計工作提出了新要求。

2.基于模態(tài)參數(shù)的橋梁結構損傷識別研究現(xiàn)狀

2.1基于頻率參數(shù)的損傷識別

在損傷識別領域的早期，大量的研究工作是采用頻率的改變作為損傷識別指標。主要原因在于頻率在實際測試過程中易于測試得到，在許多情況下僅需要一個傳感器就可以實現(xiàn)。然而。采用頻率進行損傷識別的缺點在于頻率改變對損傷不敏感，這就要求要么非常準確的測量或者比較大的損傷。因此?；陬l率的損傷識別方法在實際應用過程中面臨的困難，國內外學者形成了一種可以識別結構損傷的優(yōu)化算法：以馬爾科夫參數(shù)形式的損傷結構沖擊響應為目標函數(shù)，并進行待定函數(shù)求解。識別結構損傷位置及程度。

2.2基于振型參數(shù)的損傷識別

模態(tài)振型參數(shù)在結構損傷識別中應用最為廣泛。識別效果也要優(yōu)于模態(tài)頻率參數(shù)?；谡裥蛿?shù)據(jù)的損傷識別方法主要包括依賴單純的直接振型數(shù)據(jù)或者振型的導出量兩類，最常用的直接振型類參數(shù)包括模態(tài)置信準則fMACl以及坐標模態(tài)置信準則（cOMAC）。當結構局部出現(xiàn)損傷時，模態(tài)振型會在損傷附近區(qū)域出現(xiàn)改變，因此結構損傷前后模態(tài)曲率的改變是一個理想的損傷識別指標。特別是應用于結構損傷定位。

2，3基于計算智能方法的損傷識別

神經(jīng)網(wǎng)絡算法在非線性建模、聯(lián)想推理以及容錯性等方面優(yōu)勢突出，也為解決結構損傷識別難題提供了新途徑，但對于實際的工程結構，監(jiān)測數(shù)據(jù)與結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)相對更有實際價值。

3.異形橋梁結構性能分析

異形箱梁橋作為直梁橋和彎梁橋的連接結構，空間效應顯著。既具有正橋受力的特點，又具有彎梁橋彎扭耦合的特性，所以，突出異形橋梁相對于傳統(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的相互耦合成為其結構性能研究的重點。

3.1異形橋梁靜動力性能分析

目前，對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上。建立了異形連續(xù)梁橋一車輛耦合振動模型。采用模態(tài)分析技術計算了車輛作用下橋梁的動力特陛，并探討了懸架剛度、輪胎剛度等車輛參數(shù)以及車輛位置對車輛作用下的異形連續(xù)梁橋動力特性的影響，

3.2異形橋梁損傷識別中的影響參數(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，結構損傷呈現(xiàn)階段性變化，即從輕微損傷階段逐步過渡至嚴重損傷階段。因此，結構損傷程度的大小是異形橋梁損傷識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較大。在結構動力響應測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)濟性上不理想：傳感器數(shù)量過少，無法正確的反映結構動力特性。因此，異形橋梁測試所需傳感器數(shù)量也是影響結構損傷識別結果的重要參數(shù)之一。

對于異形橋梁損傷識別過程中所需的模態(tài)階數(shù)，現(xiàn)有研究結果表明模態(tài)階數(shù)越高對損傷的敏感性越強。但在實際的測試過程中，低階的模態(tài)數(shù)據(jù)相對容易測試獲取。因此，在結構損傷識別過程中確定模態(tài)數(shù)量與損傷識別效果的相關關系，從而得到理想的損傷識別結果具有重要的現(xiàn)實意義。

4.基于粒子群優(yōu)化模糊C均值聚類的異形橋梁損傷識別方法

4.1模糊聚類損傷位置識別

本文采用粒子群優(yōu)化模糊c均值聚類算法實現(xiàn)異形橋梁損傷位置識別。建立損傷位置識別指標。將實測樣本損傷識別指標進行歸一化處理：對樣本數(shù)據(jù)進行聚類分析確定最佳聚類數(shù)目及聚類中心，結合橋梁樣本損傷工況，確定樣本聚類中心對應的損傷位置；基于樣本聚類分析結果，建立異形橋梁損傷位置識別數(shù)據(jù)庫。通過計算損傷橋梁識別指標與數(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別

損傷位置確定的基礎上，采用均勻荷載面曲率差隸屬度進行結構損傷等級的評定。將結構5%、10%、15%及20%損傷定義為“輕微損傷”、“中度損傷”、“嚴重損傷”及“破壞性損傷”四個損傷等級。通過測量局部損傷區(qū)域節(jié)點的振型值，獲取ULSCD值，計算其到各損傷等級的隸屬度。根據(jù)最大隸屬度確定類別的原則，實現(xiàn)損傷等級判定。單位置損傷程度識別和多位置損傷識別結果表明，該方法在異形橋梁結構損傷程度識別中是準確可行的。

5.結束語

研究針對異形橋梁的損傷程度識別，構建了頻率變化率、振型比值和模態(tài)柔度差曲率三種不同的損傷識別參數(shù)：基于粒子群優(yōu)化模糊c均值聚類理論，結合結構整體模態(tài)頻率變化比隕傷識別指標提出了多階模態(tài)頻率變化比聚類分析的異形橋梁損傷位置識別方法：考慮到異形橋梁損傷識別過程中，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)對損傷識別指標影響，以及支點附近單元損傷和異形結構橫向損傷的評價工作。