基于多源檢/監(jiān)測信息的橋梁狀態(tài)診斷評定方法

王珊珊，張文武，閆昕，劉方洲

（1.山東高速集團有限公司，山東 濟南 250098；2.中路高科交通檢測檢驗認證有限公司，北京 100088）

0 引言

改革開放以來，我國橋梁建設(shè)取得了舉世矚目的成就，在經(jīng)濟社會發(fā)展中發(fā)揮了積極、重要的作用。然而，隨著服役時間的增長，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、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)護檢查及評定在很大程度上要依賴于人員的經(jīng)驗，且周期性較長，隱蔽缺陷檢查不到，這樣就存在對橋梁狀態(tài)評估不準確不全面、對病害發(fā)展跟蹤不到位、對突發(fā)異常反饋不及時等弊端。

20 世紀80年代，隨著傳感與測試、計算機、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的發(fā)展，橋梁監(jiān)測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)展和對橋梁安全重視程度的不斷提高，我國在橋梁監(jiān)測領(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)用最多的國家。但是，橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)至今沒有在橋梁養(yǎng)護工作中得到廣泛有效地利用，監(jiān)測系統(tǒng)對橋梁養(yǎng)護管理工作的支撐和補充作用不明顯，系統(tǒng)效能沒有得到充分地利用。因此，如何將監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用融入到養(yǎng)護管理工作中，利用多源的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合檢測數(shù)據(jù)對橋梁狀態(tài)做出綜合的診斷與評定，是推動橋梁監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展，提升橋梁綜合養(yǎng)護管理水平的必由之路。

本文針對高速公路典型橋梁，在對其監(jiān)測內(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)測指標體系及評價方法，開發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評定軟件包，推動橋梁結(jié)構(gòu)多源檢/監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和狀態(tài)診斷評定技術(shù)難點的解決與突破。

1 結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測指標體系

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)橋梁類別對不同類型的梁式橋的監(jiān)測內(nèi)容進行了分析，形成了高速公路梁式橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測指標體系，如表1 所示。

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

基于上述指標體系，對各監(jiān)測項目需要進行數(shù)據(jù)分析項進行了分析與歸類，如表2 所示。

表2 監(jiān)測內(nèi)容對應(yīng)的數(shù)據(jù)分析項

（表1續(xù)）

（表2續(xù)）

2 基于疲勞的橋梁結(jié)構(gòu)安全評定

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，車輛動荷載使裂縫反復(fù)閉合和擴寬，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、斜向擴展。預(yù)應(yīng)力混凝土梁受到車輛動荷載作用，梁體不僅發(fā)生彎曲變形，同時受到較大剪力，因此橋梁動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，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，梁體立即發(fā)生正截面破壞。車輛動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)。由實驗得出的S-N 曲線方程為：lgN＝A-BΔσg。構(gòu)件疲勞強度可由材料的S-N 曲線來確定，而S-N 曲線通過大量疲勞試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到。

橋梁結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析，主要從橋跨構(gòu)件抗力和動荷載效應(yīng)兩方面入手，將它們作為隨機變量，研究它們的分布規(guī)律、統(tǒng)計參數(shù)和變異性。對預(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

一些文獻給出了混凝土在等幅應(yīng)力下，軸心抗壓強度與應(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

鋼絞線的疲勞強度Δσp，可按修正后的S-N 曲線進行分析。

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度。

應(yīng)力譜可以利用應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取實際隨機動荷載作用下的應(yīng)力時間歷程，得到其應(yīng)力時程曲線。然后用雨流計數(shù)法對應(yīng)力時程曲線進行分析，得到不同應(yīng)力幅水平及其所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，利用統(tǒng)計推斷的方法研究其分布規(guī)律和統(tǒng)計參數(shù)，最后用累積損傷理論計算損傷度，分析其疲勞可靠度。

現(xiàn)行規(guī)范中的標準荷載，不能反映真實營運狀況和未來狀況的隨機動力荷載譜，以及橋梁結(jié)構(gòu)動力特性和車輛動力狀態(tài)的不確定性，使得利用實際抽測法統(tǒng)計分析構(gòu)件的疲勞應(yīng)力譜很有必要。

3 典型病害下的安全評定

土木工程結(jié)構(gòu)在其使用壽命周期內(nèi)會出現(xiàn)損傷現(xiàn)象，有效理論和方法來監(jiān)測和識別損傷狀態(tài)，對于保證結(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際意義和應(yīng)用價值，基于振動的損傷識別方法一直是土木工程領(lǐng)域的研究熱點。

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)吸引子的特征來識別不同程度的損傷。可以通過計算目標結(jié)構(gòu)對完好狀態(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，各層的加速度信號重構(gòu)的吸引子相對于原完好狀態(tài)時的吸引子的距離。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 底層受不同損傷時各層的吸引子距離

對于多損傷也可以用同樣的方法進行識別，圖2 所示為第二層和第三層同時受相同損傷時各層的吸引子距離。可見，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受相同損傷時各層的吸引子距離

4 結(jié)論

本文針對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，對高速公路橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測指標體系和評價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)測指標體系及對應(yīng)的數(shù)據(jù)分析項；

（2）提出了基于橋梁應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計分析的構(gòu)件疲勞應(yīng)力譜分析方法及疲勞狀態(tài)評定方法；

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