橋梁檢測中結(jié)構(gòu)性能的評價研究
2010-09-16 來源：網(wǎng)絡(luò)
橋梁是公路的關(guān)鍵組成部分，直接關(guān)系著公路通行能力和服務(wù)水平。由于我國的橋梁已從建設(shè)期轉(zhuǎn)到了建設(shè)和維修并重期，許多橋梁需要進(jìn)行維修和加固。檢測是維修的前提，只有全面掌握了橋梁的安全狀況，才能對癥下藥，延長橋梁的使用壽命。更重要的是檢測可以盡早發(fā)現(xiàn)橋梁的安全隱患，避免造成巨大的、不可挽回的損失。同時也可以完善橋梁的資料，為以后的設(shè)計和加固提供依據(jù)。目前我國的《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定：“橋涵構(gòu)造應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行檢查，以便系統(tǒng)地掌握技術(shù)狀況，及時發(fā)現(xiàn)缺損，采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施。”并且要求定期檢查。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的引入，使混凝土橋的損傷情況的判定變得容易和準(zhǔn)確。
1.橋梁檢測方法
1.1 靜態(tài)檢測方法
靜力荷載試驗就是將靜止的荷載作用于橋梁上的指定位置，以便能夠測試出結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)變、靜位移以及裂縫等，從而推斷橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的工作狀態(tài)和使用能力的試驗。通過這些與橋梁工作性能有關(guān)的參數(shù)，可以分析得出結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及抗裂性能，據(jù)此判斷橋梁的承載能力。
在橋梁靜載試驗中要測量靜應(yīng)變和靜位移。在測量應(yīng)變時結(jié)合現(xiàn)場情況在結(jié)構(gòu)上打孔，一般選擇在結(jié)構(gòu)計算最不利且便于操作的位置。確定良好的加載方案，以便在有限的試驗孔上取得有代表性的測試值。根據(jù)靜態(tài)應(yīng)變值，推算結(jié)構(gòu)截面的應(yīng)力分布、桿件的實際內(nèi)力與次應(yīng)力、混凝土和鋼筋共同作用情況等。
在靜位移測量時，要測量豎向靜態(tài)位移量（梁的撓度）、水平靜態(tài)位移量（梁活動端位移及墩頂位移等）。由實測到的應(yīng)變和位移可以推算出有關(guān)的內(nèi)力（如軸力和彎矩）值和撓度值等。將它們與理論計算值進(jìn)行對比，以此作為判定橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的一個重要指標(biāo)。
1.2 動態(tài)檢測方法
動力荷載就是將行駛的汽車荷載或其他動力荷載作用于橋梁結(jié)構(gòu)上，來測出結(jié)構(gòu)的動力特性，從而判斷出橋梁結(jié)構(gòu)在動力荷載下受沖擊和受振動影響的試驗。其試驗的目的在于測定結(jié)構(gòu)的動力特性，如結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼特性及固有振型等：測定結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的強(qiáng)迫振動的響應(yīng)，如振幅、動應(yīng)力、沖擊系數(shù)及疲勞性能等。這些性能是判斷橋梁運(yùn)營狀況和承載能力的重要標(biāo)志之一。
當(dāng)橋梁自振頻率處于某些范圍時，可由外荷載（包括行使車輛、行人、地震、風(fēng)載、海浪；中擊等）引發(fā)共振造成事故，這是動力檢測的主要目的。
2.現(xiàn)有橋梁的評估方法
我國現(xiàn)在采用的依舊是1988年頒布的《公路舊橋承載力鑒定方法》（試行）的設(shè)計計算思路。首先對被檢定的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查（搜集資料、現(xiàn)狀檢查、材質(zhì)與地基的檢驗等），然后結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)構(gòu)各部分尺寸及材料強(qiáng)度，運(yùn)用橋梁結(jié)構(gòu)計算理論求得承載力。最后考慮橋梁損壞程度、材料老化程度、橋面行駛條件、實際交通情況、橋梁建造使用期限等因素，經(jīng)過廣泛的調(diào)查研究確定出各項對應(yīng)的系數(shù)，從而折算出橋梁安全承載力。這種計算充分挖掘現(xiàn)有橋梁的承載潛力，而對現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)的特點及結(jié)構(gòu)損傷造成其受力行為的影響考慮不足。
3.基于動載試驗的橋梁結(jié)構(gòu)狀況評估
橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性是與結(jié)構(gòu)的組成形式、剛度、質(zhì)量分布和材料性質(zhì)等結(jié)構(gòu)本身的固有性質(zhì)有關(guān)，而與荷載等其他條件無關(guān)的性質(zhì)。橋梁的模態(tài)參數(shù)是整個結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)的基本特性，它是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力分析所需的參數(shù)，其結(jié)果不僅可以用來分析結(jié)構(gòu)動載作用下的受力情況，而且為橋梁承載力狀況評定提供重要指標(biāo)。
3.1 固有頻率的測定
對于比較簡單的結(jié)構(gòu)，只需結(jié)構(gòu)的一階頻率，對于較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)動力分析，還應(yīng)考慮第二、第三及更高階的頻率。橋梁固有頻率可以直接通過測試系統(tǒng)實測記錄的功率譜圖上的峰值、時域歷程曲線等確定。由基頻還可以推算承重結(jié)構(gòu)的動剛度。
3.2 阻尼
橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼特性一般由對數(shù)衰減率δ或阻尼比D來表示，可由時域信號中的振動衰減曲線求得。另外，也可以從功率譜圖中，用半功率帶寬法來計算阻尼，一般測試系統(tǒng)軟件均可完成此類分析。
3.3 振型
一般橋梁結(jié)構(gòu)的基頻是動力分析的重要參數(shù)。傳感器測點的布置根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式，通過理論分析后確定。振型的測定一般采用兩種方法，一種是使用多個傳感器測定；另一種是使用一個傳感器變換位置測量，這種情況下需要一個作用參考點，測試時比較繁瑣。在條件限制時使用，一般應(yīng)采取第1種方法測試。
3.4 沖擊系數(shù)
橋規(guī)中定義沖擊系數(shù)為μ沖擊力與汽車荷載之比。對于線彈性狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)來說，動荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)與靜荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)之比即為1+μ。因此，沖擊系數(shù)的測試通常用測定結(jié)構(gòu)動應(yīng)變或動撓度的方法。測試前，在梁的跨中（或最大變位、應(yīng)變處）布置電阻應(yīng)變片式的位移計或應(yīng)變計，并通過動態(tài)應(yīng)變儀與電腦相接。試驗時，由加載車輛以某一速度從測點駛過，記錄其輸出應(yīng)變隨時間變化的實時信號。一般情況下，應(yīng)測試記錄多種車速下的輸出應(yīng)變結(jié)果，以做分析比較。
4.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋梁結(jié)構(gòu)狀況評估
現(xiàn)實中橋梁處于一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)中，影響結(jié)構(gòu)安全性、適用性及耐久性的因素多，各影響因素之間的關(guān)系也存在著大量的不確定性和模糊性。傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)評估方法不能很好地處理這些不確定性因素的影響，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法卻能實現(xiàn)從輸入?yún)?shù)到輸出參數(shù)之間的非線性映射，非常適合于非線性很強(qiáng)的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)損傷診斷。
4.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks，ANN），一種模仿動物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征，進(jìn)行分布式并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型。這種網(wǎng)絡(luò)依靠系統(tǒng)的復(fù)雜程度，通過調(diào)整內(nèi)部大量節(jié)點之間相互連接的關(guān)系，從而達(dá)到處理信息的目的。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是并行分布式系統(tǒng)，采用了與傳統(tǒng)人工智能和信息處理技術(shù)完全不同的機(jī)理，克服了傳統(tǒng)的基于邏輯符號的人工智能在處理直覺、非結(jié)構(gòu)化信息方面的缺陷，具有自適應(yīng)、自組織和實時學(xué)習(xí)的特點。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法用于橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別的基本思想是： 由于結(jié)構(gòu)的損傷必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)參數(shù)（剛度、阻尼和內(nèi)部荷載）的改變。利用數(shù)值求解法（如有限元法、能量法）或?qū)崪y方法，獲取結(jié)構(gòu)中所需物理量（如頻率、振型等）作為訓(xùn)練樣本的輸入?yún)?shù)，以結(jié)構(gòu)的缺陷作為輸出參數(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自組織、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的特點，通過一定數(shù)量的訓(xùn)練樣本讓網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會記住這些知識，實現(xiàn)從輸入?yún)?shù)（如結(jié)構(gòu)頻率向量等）到輸出參數(shù)（如結(jié)構(gòu)損傷位置、程度等）之間的非線性映射，從而可以求得反問題的解，也就可以知道橋梁結(jié)構(gòu)的損傷情況?，F(xiàn)在常用于損傷診斷的網(wǎng)絡(luò)模型有BP網(wǎng)絡(luò)模型、對偶傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。
4.2 結(jié)構(gòu)等級評估輸入?yún)?shù)
混凝土材料方面：
① 截面損失程度：由于混凝土在空氣中的碳化作用，碳化部分將不參加構(gòu)件的工作，因此構(gòu)件截面減小。此參數(shù)以混凝土碳化深度與構(gòu)件實際尺寸的比值來衡量。
② 混凝土強(qiáng)度損失程度：混凝土強(qiáng)度隨時間而降低。此參數(shù)以混凝土強(qiáng)度下降程度來衡量。
③ 開裂程度：對大部分結(jié)構(gòu)，允許在規(guī)定范圍內(nèi)帶裂縫工作，但是裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展對結(jié)構(gòu)的抗彎能力及鋼筋的保護(hù)有很大影響。此參數(shù)用裂縫寬度可靠指標(biāo)與允許可靠指標(biāo)的比值來度量。
動力特性方面：
① 固有頻率下降，由于長期運(yùn)營，橋梁的固有頻率、剛度隨時間增加有逐漸減小的趨勢，其豎向剛度降低較快。
② 橋梁剛度下降，內(nèi)部混凝土出現(xiàn)疲勞，產(chǎn)生了塑性變形，大大降低了橋梁剛度。
4.3 結(jié)構(gòu)等級評估輸出參數(shù)
通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的反復(fù)訓(xùn)練，可以輸出Y值，根據(jù)《公路舊橋承載能力鑒定方法》（試行）中劃分的4個等級來評估結(jié)構(gòu)等級。Y體現(xiàn)不同的破損程度，數(shù)值越小，破損程度越小。評估等級與Y取值的對應(yīng)關(guān)系：
① 一級，0.00＜y≤0.05，滿足國家規(guī)范要求，不必采取任何措施。
② 二級，0.05＜y≤0.15，略低于國家規(guī)范要求，但不影響正常使用。
③ 三級，0.15<y≤0.35，不滿足國家規(guī)范要求，影響正常使用，應(yīng)采取維修加固措施。
④ 四級，0.35<y≤1.00，嚴(yán)重不滿足國家規(guī)范要求，是危橋，須及時采取措施。
5.結(jié)語
橋梁檢測是一項復(fù)雜而細(xì)致的工作，是一項理論實踐結(jié)合緊密的學(xué)科。目前我國的很多橋梁進(jìn)入了維修期，對舊橋進(jìn)行檢測顯得尤為重要。靜載和動載實驗是目前結(jié)構(gòu)性能評估的常用方法， 在此基礎(chǔ)上結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測評估能夠更加準(zhǔn)確并有針對性。在這方面國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了研究，并且取得了一定研究成果。相信人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在橋梁結(jié)構(gòu)的檢測評估方面將有很好的發(fā)展前景，而且也將為特大橋梁的實時監(jiān)測提供可能。
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