基于振動(dòng)測試的橋梁承載力評估方法研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

黃天應(yīng)

摘要：與傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)相比，基于振動(dòng)測試的橋梁承載力評估方法優(yōu)勢明顯，因此得到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工程界的高度關(guān)注。該方法在大數(shù)據(jù)條件下的結(jié)構(gòu)損傷識別和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元模型修正方面仍存在技術(shù)瓶頸，缺乏適用于中小橋梁的承載力評估實(shí)用公式。上述缺陷的解決，將為交通系統(tǒng)中健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立奠定理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

Abstract： The bridge assessment methods using the vibration test has more advantages than the static test， and gains high attention of scholars and engineers. Till now， there are some technology bottlenecks in the defection of structural damage under big data condition and modifying the finite element model of complex structure. And the practical formulas to evaluate the bearing capacity of the small and middle-sized bridges are absent. The resolution of these defects will play an important role on developing the safety monitoring system in traffic engineering.

關(guān)鍵詞：振動(dòng)測試;承載力;評估方法;研究現(xiàn)狀

Key words： vibration measurement;bearing capacity;assessment method;research status

中圖分類號：TU45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）32-0245-02

0? 引言

目前我國公路橋梁總數(shù)超過80萬座，鐵路橋梁總數(shù)超過20萬座，已成為世界第一橋梁大國。近十年來，全球超過一半的大跨度橋梁都出現(xiàn)在中國，“最長、最高、最大、最快”這樣的紀(jì)錄，不斷被寫進(jìn)世界橋梁史，它們不僅讓天塹變成通途，更讓“中國橋”成為展示中國形象的新品牌。與此同時(shí)，我國交通路網(wǎng)中步入維修期的在役橋梁日漸增多，由于受到長期環(huán)境侵蝕、動(dòng)荷載疲勞效應(yīng)與結(jié)構(gòu)自身材料老化的影響，在役橋梁不可避免地出現(xiàn)各類損傷和缺陷，從而造成結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性下降，耐久性降低。帶病超負(fù)荷工作狀態(tài)的危橋，對公眾生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成極大威脅，如2013年7月9日四川省江油市青蓮鎮(zhèn)盤江大橋垮塌造成5 人死亡7 人失蹤，2015年6 月19日粵贛高速公路河源境內(nèi)匝道橋梁坍塌造成 1人死亡4人受傷。準(zhǔn)確快速地評估既有橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，是擺在橋梁工程領(lǐng)域的研究者和工程師們面前的緊迫任務(wù)。在役橋梁承載力評估方法中，與傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)相比，振動(dòng)測試法更加簡便、快捷和高效，且無需封閉交通，因此受到國內(nèi)外學(xué)者和高度關(guān)注和橋梁工程師的廣泛應(yīng)用。

基于振動(dòng)測試的橋梁承載力評估方法的基本思路為：選擇合理的修正參數(shù)，利用振動(dòng)測試識別出的動(dòng)力特性，如頻率、振型等修正有限元模型，最后通過結(jié)構(gòu)分析計(jì)算評定橋梁的實(shí)際使用性能和承載力。為保證評估結(jié)論的可靠性，該方法在具體實(shí)施時(shí)需要妥善解決三個(gè)關(guān)鍵問題。首先，在役橋梁結(jié)構(gòu)不可能搬到實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行精確的加載和測試，振動(dòng)測試必須在正常交通條件下運(yùn)行。在這種情況下，環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)和測試本身的不確定性結(jié)合到一起可能導(dǎo)致測試的數(shù)據(jù)具有隨機(jī)性、模糊性、不可預(yù)知性的特點(diǎn)，從而影響到結(jié)構(gòu)的損傷識別。其次，通過模型修正建立準(zhǔn)確的有限元模型是結(jié)構(gòu)承載力評估的基礎(chǔ)，而橋梁結(jié)構(gòu)一般尺寸較大，有限元模型的單元和不確定參數(shù)較多，傳統(tǒng)有限元模型修正方法的優(yōu)化過程需要重復(fù)分析整體結(jié)構(gòu)模型，效率低，優(yōu)化結(jié)果欠佳。最后，因?yàn)樵谝蹣蛄航Y(jié)構(gòu)評估過程涉及不確定因素眾多，所以綜合評估方法、基于專家系統(tǒng)的評估方法和基于設(shè)計(jì)規(guī)范的評估方法在評估在役橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)采用確定性思維并不完全合理。國內(nèi)外學(xué)者針對這些問題開展了大量的研究工作，本文對截止目前取得的研究成果進(jìn)行總結(jié)，并對未來的發(fā)展進(jìn)行展望。

1? 結(jié)構(gòu)損傷識別方法研究現(xiàn)狀與存在的問題

結(jié)構(gòu)損傷會造成結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的改變，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)的變化，因此只需要對橋梁結(jié)構(gòu)損傷前后的動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行對比分析，就可以實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)損傷辨識和程度、位置識別。基于動(dòng)力參數(shù)的橋梁損傷識別指標(biāo)主要包括固有頻率及其變化、振型及保證準(zhǔn)則、曲率模態(tài)和模態(tài)應(yīng)變能等，其中結(jié)構(gòu)模態(tài)振型數(shù)據(jù)被公認(rèn)為最為可靠。但大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型數(shù)據(jù)首先往往難以全部獲取，然后模態(tài)參數(shù)識別需要對原始信號進(jìn)行信息提煉，信息提煉過程可能會導(dǎo)致部分反映結(jié)構(gòu)損傷的有效信息丟失，兩種因素的疊加效應(yīng)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識別變得困難。

基于此，國內(nèi)外學(xué)者直接從信號本身出發(fā)，利用支持向量機(jī)、云計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、小波分析和粒子群算法等智能方法[1]進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識別，然而現(xiàn)今的無線傳感器技術(shù)收集的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)往往是海量的，需要引入大數(shù)據(jù)分析技術(shù)才能有效處理。為解決此局限，外因輸入自回歸模式和自回歸模式識別等方法被引入損傷識別[2]，但是這類方法針對直接的測試序列如加速度響應(yīng)還是比較的困難。于是，利用各種符號數(shù)據(jù)分析從海量數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)內(nèi)在信息這一種全新的數(shù)據(jù)分析思路被引入橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)分析，并取得了一定的效果[3]，然而此類方法的適用范圍還需要進(jìn)一步的研究。由此可見，基于時(shí)間序列和統(tǒng)計(jì)模式識別技術(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法在應(yīng)用上仍然尚未成熟，有待在更多的工程實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)和改進(jìn)。