混凝土斜拉橋養(yǎng)管技術(shù)的研究
2014-08-14
混凝土斜拉橋養(yǎng)管技術(shù)的研究
蔡鍵黃勇潘勇
?。ò不帐〗煌蒲兴ㄣ~陵長江大橋管理局）（肥西縣公路管理分局）
摘要：本文針對混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)的具體特點，以我省銅陵長江大橋為主要研究對象，分析了有關(guān)設(shè)計、施工和監(jiān)理資料，以及從大橋施工以來至今的所有檢測數(shù)據(jù)，尋求出一套可以用于為斜拉橋梁營運期的養(yǎng)護(hù)、管理和對橋梁進(jìn)行預(yù)測的方法。若有可能可根據(jù)這些理論實現(xiàn)計算機軟件的編程，以期達(dá)到預(yù)警、預(yù)測的目的。
關(guān)鍵詞：混凝土 斜拉橋 預(yù)警動態(tài)數(shù)據(jù)庫
一、前育
隨著我國公路交通網(wǎng)絡(luò)日趨發(fā)達(dá)，斜拉橋、懸索橋、T型剛構(gòu)橋等現(xiàn)代化橋梁工程也越來越多。由于大型橋梁的造價不菲，而且多建于干線要道，充分發(fā)揮作用和延長使用壽命的愿望使人們開始加強這些橋梁舶維護(hù)工作，逐漸改變了以往那種“只修不管”、“重建輕養(yǎng)”的傳統(tǒng)觀念，對橋梁營運期間的管理日益重視起來。許多大型橋梁都成立了橋梁養(yǎng)護(hù)、管理的專門機構(gòu)，組織有關(guān)的管理人員和專業(yè)技術(shù)力量從事橋梁的日常保養(yǎng)，并且收集了大量有關(guān)橋梁使用的寶貴資料。
許多現(xiàn)代化的橋梁經(jīng)過一段時間的實際使用，顯示出許多顯而易見的優(yōu)點，但也出現(xiàn)一些不曾想到的問題。特別是新型結(jié)構(gòu)很有可能發(fā)生設(shè)計、施工投有預(yù)料或者無法預(yù)見的現(xiàn)象。如何發(fā)現(xiàn)其中的異常、尋找產(chǎn)生的原因和解決問題的方法，已成為橋梁養(yǎng)護(hù)、管理工作的重要內(nèi)容。近年來經(jīng)過各界工作者的共同努力，許多新、大結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工與營運期間的檢測、管理技術(shù)的配套得以發(fā)展，總結(jié)完善出一套適合結(jié)構(gòu)特點的養(yǎng)管方法，為科學(xué)化養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的探索奠定了基礎(chǔ)。本文根據(jù)多年來對混凝土斜拉橋的管理工作總結(jié)出一些有關(guān)養(yǎng)護(hù)、管理的經(jīng)驗，希望這項工作能為混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)壽命的延長、效益的進(jìn)一步發(fā)揮提供技術(shù)上的保障。
二、斜拉橋營運狀態(tài)信息的收集
目前國內(nèi)外已有不少鋼橋的監(jiān)控系統(tǒng)就進(jìn)A了實用階段，但混凝土斜拉橋則不多見。圍繞水泥混凝土結(jié)構(gòu)這方面的工作有以下問題需要解決。
1．混凝土結(jié)構(gòu)尺寸一般比較大，如混凝土梁的斷面、梁高通常都遠(yuǎn)大于同樣功能的鋼結(jié)構(gòu)。相對而言需要了解的有關(guān)參數(shù)變化較弱，信號反映不靈敏。像力學(xué)參數(shù)中的應(yīng)力、應(yīng)變，撓度、位移均比鋼結(jié)構(gòu)要小得多。這就對采集信號的儀器設(shè)備有更高一些要求，以保證采集的成功率。由于混凝土的信號微弱，難免會出現(xiàn)干擾因素過大，淹沒了有效信號。這時如何判斷采集信號是否真實是一個關(guān)鍵問題。特別是儀器自動采集大批數(shù)據(jù)后，必須進(jìn)行自動判讀，以便舍取。目前儀器采集信號的自動判讀還投有統(tǒng)一的方法，也投有絕對準(zhǔn)確的理論，這要根據(jù)采集信號的具體特點分別對待。
2．通過誤差分析提高原型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性。原型觀測數(shù)據(jù)的誤差影響因素包括被測對象自身缺陷引起的誤差、測量原理及方法造成的誤差、測量裝置造成的誤差、人為誤差、環(huán)境誤差，以及誤差之間的相關(guān)關(guān)系分析和相關(guān)系數(shù)、隨機誤差合成、已定系統(tǒng)誤差的合成、未定系統(tǒng)誤差的合成、系統(tǒng)誤差與隨機誤差的合成、函數(shù)誤差等等。消除這些影響除了進(jìn)行常規(guī)的誤差分析之外，還應(yīng)做一些特殊處理。像溫度修正，把不同時期、不同季節(jié)下測到的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后成為同一溫度下的資料，這對于提高系統(tǒng)的使用效果能起到一定的作用。
3．選擇檢測的布控點的數(shù)量也很重要。測點多，收集的資料固然可信度高，但硬件投資大；檢測計算、分析工作量也大。反之由于混凝土和鋼材不一樣，屬于非均質(zhì)的各向異性材料，在實橋檢測中每一個測點的數(shù)據(jù)不一定能完全代表其附近其他點的性能，測點也不能過少。確定檢測點的數(shù)量，應(yīng)是檢測工作的一項重點。另外，系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)最好是同一時刻的，為避免同時采集許多測點的信號中出現(xiàn)個別點不成活而必須重做的現(xiàn)象，布置測點時應(yīng)設(shè)法減少這種概率。收集的信息經(jīng)過初步處理后存人原始數(shù)據(jù)庫，可稱之為初始指紋庫，以供下一步運算使用。同時，也作為今后分析了解結(jié)構(gòu)的檔案資料。
三、營運中的結(jié)構(gòu)分析計算
原始數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的用途之一可作為營運期間的結(jié)構(gòu)分析計算的資料。通常在橋梁設(shè)計和施工過程中都會進(jìn)行各種模擬工況的結(jié)構(gòu)計算分析。一般工程在使用過程中，只要沒有發(fā)生大的變故，結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)是不會出現(xiàn)變化的。而對于斜拉橋而言，隨著使用年限的增加，可能會出現(xiàn)橋面標(biāo)高下降、塔頂坐標(biāo)偏離原來的位置、所有索的張拉力重新調(diào)整、混凝土的強度顯著降低等，這些因素都將會使結(jié)構(gòu)的初始參數(shù)有較大程度的改變。如果使用這些新數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，可能會與原設(shè)計有一相當(dāng)?shù)牟町?。因此，我們認(rèn)為隨著斜拉橋的使用年限增長，應(yīng)該對這種“不斷變化著的”結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，這樣才能看出全橋在營運過程中的變化規(guī)律，才有對橋梁進(jìn)行預(yù)測的根據(jù)。
目前，大型橋梁結(jié)構(gòu)的分析方法多是應(yīng)用有限元法進(jìn)行計算，方法簡單，結(jié)果精確?？梢灾苯诱{(diào)用．自編軟件也不難。經(jīng)過計算分析后的結(jié)果作為系統(tǒng)的主數(shù)據(jù)庫，積累起來并找出變化規(guī)律和時間的關(guān)系，則是預(yù)測、報警的第一手材料。
四、動態(tài)連接庫的建立
所謂的動態(tài)連接庫是指一種功能模塊，它能將采集到的原始數(shù)據(jù)，也就是上面提到的初始指紋庫中的資料進(jìn)行各種有關(guān)理論的處理、運算之后作為系統(tǒng)的主要評定數(shù)據(jù)，形成主數(shù)據(jù)庫。達(dá)到能把有關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為反映結(jié)構(gòu)使用狀況，進(jìn)行橋梁預(yù)測、預(yù)警之目的。這部分應(yīng)是養(yǎng)護(hù)管理的核心，將直接關(guān)系到分析結(jié)論是否合理。從現(xiàn)在科學(xué)發(fā)展的水平來看，理論分析已較完善，如通過模態(tài)分析、參數(shù)識別、可靠性分析、概率統(tǒng)計或者應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)、灰箱理論中的方法者能在不同程度、不同方面得出一定的效果。但若要完全解決實際工程問題似乎還有相當(dāng)?shù)木嚯x。本文在此就已有的嘗試，介紹一些經(jīng)驗之談。
1．通過對斜拉橋混凝土主梁振型的測試，了解主梁宏觀損傷變化。根據(jù)理論分析，結(jié)構(gòu)的振型、頻率等參數(shù)與結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量有關(guān)，一旦振型、頻率發(fā)生變化勢必存在著剛度、質(zhì)量的下降，從而提醒人們注意結(jié)構(gòu)的安全。
2．通過對橋面車輛的統(tǒng)計，并將車載轉(zhuǎn)換為作用在混凝土主粱上的疲勞荷載，分析主梁的疲勞壽命。
3．通過對主塔塔頂位置的觀測，了解混凝土主塔坐標(biāo)隨時間、溫度、風(fēng)速等環(huán)境影響的變化情況，轉(zhuǎn)化為塔的疲勞荷載，分析的疲勞壽命。
4．通過對斜索附近風(fēng)的測量，了解索的振動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為索端混凝土錨固區(qū)的疲勞荷載，分析索錨混凝土的疲勞壽命。
5．通過了解結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位混凝土裂紋變化，并應(yīng)用材料損傷理論分析局部區(qū)域材料的使用極限。
除以上內(nèi)容外還有許多類似的方法，目的都是設(shè)法給出構(gòu)件宏觀質(zhì)量的下降規(guī)律，提供全橋預(yù)警、預(yù)測的基本參數(shù)。我們利用銅陵長江大橋的資料，編翩出軟件對結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)進(jìn)行觀測，取得了一定的效果，能看出這一工作的應(yīng)用前景。但也有不足，還有待進(jìn)一步的深入研究。
五、全橋的預(yù)測、報蕾
全橋預(yù)測、報警是通過橋梁的各部位、各構(gòu)件的預(yù)測、報警結(jié)果進(jìn)行綜合評定，因此評定結(jié)果的準(zhǔn)確與否取決于局部分析的精度。另外，評定方法也起到重要作用，有可能會因為評定方法不同而導(dǎo)致同一資料給出不同結(jié)論，甚至大相徑庭。應(yīng)當(dāng)說每一種方法都有一套完善的理論，但也有其使用范圍以及局限性。在具體橋梁結(jié)構(gòu)上更適合應(yīng)用哪一種方法，不僅是書本、理論上的探討，還有待于在實踐中加以證明。這里介紹兩種我們選擇的方法。最短壽命法是取所有各構(gòu)件的局部壽命中最短的壽命作為全橋的報警值。這個方法最簡單，只要把壽命數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，取出最小值，一旦超出報警線即可報警。顯然這個結(jié)果偏于保守，因為個別構(gòu)件的好與壞通常不能決定全橋的命運。不過這種結(jié)論仍有積極的意義，可以提醒有關(guān)人員盡早發(fā)現(xiàn)結(jié)椅的損傷，予以及時維修。
權(quán)值法是以上方法的改進(jìn)，考慮到構(gòu)件在全橋的部位不同，起的作用有差異，而給予不同的權(quán)值。這個方法是認(rèn)為重要構(gòu)件一旦發(fā)生損傷，要立即報警。想法是正確的，但操作則有一定難度?，F(xiàn)實意義的重要構(gòu)件應(yīng)該是哪些，它們的權(quán)值又該取多少，目前還無法確定。我們試圖應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對斜拉橋進(jìn)行綜合評定。選擇一些認(rèn)為比較合理的預(yù)測資料進(jìn)行訓(xùn)練，決定權(quán)值。只要訓(xùn)練樣本足夠多，則能進(jìn)行仿真預(yù)測與報警。
還有一種方法，我們稱之為最悲觀理論。這是考慮構(gòu)件與構(gòu)件之間，特別是受損構(gòu)件之間的相互影響而做的一種預(yù)測。它基于這種想法：例如兩個構(gòu)件分開使用的壽命都是一年，可是
當(dāng)它們處于結(jié)構(gòu)中相鄰的部位時，由于作用力的分布不均而使它們會在不到一年的時間內(nèi)都損壞了。這是交集合的概念。目前我們覺得這種方法應(yīng)該說是真正意義上的綜合評定。
六、結(jié)束語
以上所述內(nèi)容從理論上說都可以實現(xiàn)，但工作量之大則是驚人的，如果不應(yīng)用計算機顯然不可能進(jìn)行．因此形成軟件將是一項重要的工作。特別是預(yù)測方法應(yīng)該是越多越好，綜合考慮不同環(huán)境、不同場合、不同影響因素等條件下可能發(fā)生的問題，以保證預(yù)測、監(jiān)測的可靠。如果針對某一結(jié)構(gòu)．采用各種方法進(jìn)行的結(jié)論有殊途同歸之效果，那么這種系統(tǒng)也就差強人意了。
另外，在實踐中還有可能會出現(xiàn)一些意料之外的問題，有待解決。因此說關(guān)于斜拉橋營運期間的養(yǎng)護(hù)、管理、預(yù)警、維修將是一項長期而又繁重的工作。
參考文獻(xiàn)：
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