橋梁結構損傷識別評價應用技術研究

郭訓如

（河南省濮陽市農村公路管理處，河南 濮陽 457000）

隨著橋梁在交通運輸中占據日益重要的地位，橋梁設計理論和施工技術的不斷進步使得橋梁跨度不斷有新的突破，結構形式也日趨復雜。但是，目前中、老齡橋梁在國內陸路交通網絡中占相當的比重，隨著橋齡的增長，由于環境、氣候等自然因素的作用、日益增加的交通量及重車、超重車過橋數量的不斷增加和人為事故等因素，不少橋梁已出現嚴重的功能退化情況。而建造和維護大型橋梁需要耗費大量的人力、物力和財力，滯后于橋梁建設與發展的綜合監測及評估手段，使橋梁管理層和決策層無法對其整體使用性能做出客觀準確的評估，因此也無法采用低成本、高效益的維修養護方法。在這種形勢下，建立與之相適應相匹配的橋梁綜合監測與評估系統成為橋梁界研究的熱點之一，具有極為重要的意義。

1 國內外橋梁安全識別與評價研究概況

針對不同類型的新舊橋梁損傷和老化現象，國內外橋梁研究人員提出了各種各樣的損傷檢測技術。大體上說，主要分為3類。

1.1 基于靜載試驗的橋梁損傷識別評價技術

基于靜載試驗的橋梁結構整體損傷識別是在橋梁停止使用的狀態下對橋梁進行靜載試驗，量測與橋梁結構性能有關的靜力參數，如橋梁在靜載下的變形、撓度、應變、裂縫等。通過分析這些參數，可直接判定全橋靜承載能力，并得出結構的強度、剛度及抗裂性能。在橋梁結構的試驗中，基于靜載測試的橋梁結構分析方法是主要的和基本的方法，也是目前對橋梁結構性能的比較直觀、可靠的檢測方法，在我國已經有成熟的方法和標準。

1.2 基于動載試驗的橋梁損傷識別評價技術

基于動載測試的橋梁結構整體損傷識別是對橋梁結構進行動力荷載試驗，利用結構的動力性能作為判斷橋梁運營狀況和承載力的依據。該方法是對待測系統進行激勵，通過振動測試、數據采集、信號分析與處理，由系統的輸入和輸出確定結構的力學特性，根據結構系統的動力特性來識別損傷。

1.2.1 基于結構固有振動頻率的損傷識別方法

在動力參數中，固有頻率是比較容易獲得的一個參數，識別精度高，因此是損傷中應用比較廣泛的模態參數。由結構動力特征方程可知，頻率是結構整體剛度與整體質量的函數，是一個整體量。結構某個構件或某一部分發生損傷都會造成結構質量和剛度減小，引起頻率變化。因此可用固有頻率的變化來確定結構的損傷。目前，利用結構固有頻率的變化進行損傷識別的方法有很多。

1.2.2 基于結構振型的損傷識別方法

由于振型包含較多的損傷信息，且模態振型的變化對損傷較為敏感，因此可用振型來確定結構的損傷。很多學者從振型的基礎上提取出許多模態參數，如MAC和COMAC，MSF、曲率模態等。

模態比例因子（MSF）判別法：

式（1）表示振型相關圖的最佳直線的斜率。當模態對應關系不知道時，可用坐標模態因子對其進行分析。當MSF接近于0時，說明損傷前后的模態不相關，即結構中有損傷，當MSF接近于1時，說明損傷前后的模態相關性好，即結構中無損傷。

曲率模態判別法：

曲率模態與梁截面的彎曲剛度有關，梁在某點的曲率vi=M/EI，損傷減小截面剛度，增加損傷截面的曲率。計算模態時，通過位移中心差分可得曲率模態振型。曲率模態振型對損傷很敏感，因此用來識別損傷。計算公式如下：

式（2）中yi為i點的位移；h為測點間距。

振型變化圖形判別法：

以振型相對變化量作為定位參數，即損傷前后振型的差值與損傷前振型的比值。當發生損傷時，受到影響的自由度上的振型相對變化量在損傷區域內就會出現較大的值，所以可以用來識別損傷位置。

1.2.3 基于剛度和柔度矩陣的結構損傷識別方法

在進行結構損傷診斷時，由于損傷多表現為剛度的下降，很自然地想到要利用剛度矩陣來判斷結構損傷。Park和Lee運用損傷結構與未損傷結構之間的剛度誤差來定位損傷，對于大的損傷，此方法非常有效。但Gysin認為損傷剛度矩陣法只有在包含了足夠多的振型，尤其是包含了那些對結構剛度矩陣影響較大的振型時，此方法才有效。

柔度矩陣與剛度矩陣是互逆的，利用柔度矩陣與剛度矩陣的互逆性，根據振動理論，可得到以下表達式：

式中：F：結構的柔度矩陣；

φi：振型矩陣的列向量；

λi：對角矩陣Λ的元素，即固有頻率的平方；

n：結構的自由度數。

可以看出，柔度矩陣F的元素反比于固有頻率的平方，即低階振動的模態和頻率信息在F中所占的影響成分很大，實際應用中，一般只能測得結構最低的幾階模態與頻率，以此來近似得出實際的柔度矩陣。

1.2.4 基于結構位移和應變類參數損傷識別方法

根據結構動力學理論可知：當結構出現損傷，損傷附近區域將產生較顯著的應力重分布，結構的位移響應將發生改變，應變是位移的一階導數，根據損傷前后位移和應變模態，就可判斷損傷的位置。

2 橋梁結構安全監測與評價技術存在的問題

通過研究現狀的闡述，當前結構損傷識別存在的主要問題有：

（1）現役公路橋梁上存在著大量的中小跨徑梁橋，采用傳統荷載試驗的方式進行檢測和評估費時又費力，有關部門難以對橋梁的養護、維修、加固、監測進行有效的科學管理，使得大量公路橋梁的健康檢測受到限制、拖延，乃至忽略。

（2）缺少通用的損傷量化指標。目前提出的損傷指標一般只能進行損傷的識別與定位，而無法進行損傷程度的標定。

（3）建模誤差及測量誤差問題。測量噪聲和模型誤差在損傷檢測過程中是不可避免的，它們對損傷檢測的結果會產生嚴重的影響，如何較好地將這些不確定性的因素與確定性的損傷診斷有機地結合起來，是解決該問題的關鍵。

3 課題研究的主要內容

文章結合目前橋梁工程檢測的若干問題，在已有的研究成果上，進行簡支梁橋幾何變形分析，探討其結構截面、開裂曲率與撓曲變形的關系；應用有限元軟件ANSYS分析驗證試驗檢測的撓度可靠性。課題主要研究內容如下：

（1）收集分析橋梁安全識別與評價技術現狀、橋梁檢測測量的內容，總結現有橋梁結構安全監測與評價技術存在的問題。

（2）建立橋梁檢測測量控制網，采用全站儀觀測橋梁變形，取得詳細的橋梁變形基礎數據。

（3）對監測數據進行相關性分析，驗證數據的可靠性。

（4）進行簡支梁橋幾何變形分析，找出其結構截面、開裂曲率與撓曲變形的關系；并應用有限元軟件ANSYS分析驗證試驗檢測的撓度可靠性。

（5）分析結構振動頻率的改變來進行損傷識別的原理，提出利用結構動態振頻方程進行橋梁評價的方法。