橋梁運營階段狀態評估方法概述

李楊

（重慶交通大學，重慶400000）

橋梁結構狀態評估方法經歷了從最初由專家綜合評估、基于可靠度評估到目前的健康監測實時評估及壽命預測等階段。根據各評估方法的理論基礎，橋梁結構的狀態評估方法大致可以分為以下兩類：基于結構可靠度理論以及基于專家經驗的相關方法。通過對這些方法的探討，可以發現目前橋梁狀態評估領域存在的一些問題。

1 基于可靠度理論的方法

國內外以結構可靠度理論為基礎，并結合概率論與數理統計理論，制定了相關的工程結構設計規范。基于可靠度理論的橋梁狀態評估方法也可細分為以下兩種：一是，標準規范所給出的承載力評定準則及荷載試驗等；二是，利用海量監測信息，然后借助相應的數學手段進行橋梁結構的狀態評價。

1.1 規范中的評定方法

在1988 年，我國頒布了《公路舊橋承載能力鑒定方法（試行）》[1]（以下簡稱舊規范），該方法主要根據我國各省市既有橋梁的承載能力鑒定工作的工程實踐經驗和相關規范編制而成。該鑒定方法以橋涵設計規范中的極限狀態設計表達式為基礎，通過資料收集、現狀調查，考慮舊橋檢算系數來進行橋梁的承載能力鑒定。但是此辦法僅僅適用于梁橋和拱橋的承載力評定。為了盡可能的應用到橋梁定期檢測結果，使橋梁承載能力評定具有客觀性，我國于2011 年頒布了《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）[2]，以下簡稱新規范。

新規范增加了劣化信息的檢測內容（即橋梁材質狀況與狀態參數的檢測評定），通過引入分項檢算系數（包括截面折減系數、抗力惡化系數等）修正極限狀態設計表達式來進行檢算評定，并且適用范圍擴寬到除鋼- 混凝土組（混）合梁外的所有橋型，但是鋼結構、拉吊索承載能力評定所采用的檢算系數還是由經驗確定。

當作用效應與抗力效應的比值超過一定限值之后，應按相關規程進行荷載試驗。橋梁荷載試驗的目的是通過現場加載試驗，記錄橋梁在試驗荷載作用下的結構靜動力響應，為橋梁結構技術狀況及承載能力評定和后期養護、維修、加固的決策提供科學依據和支持。荷載試驗主要是通過在試驗橋跨控制截面施加與設計荷載相當的試驗荷載（由荷載試驗效率衡量），測量控制截面在試驗荷載作用下的靜動力響應，然后與理論計算的結果對比，計算應變、撓度校驗系數，評判橋梁結構的承載能力及動力特性。校驗系數是評定的核心，但其取值的經驗性很大。對于不同橋型，校驗系數取值不同，即使是同一橋型，其取值的波動性也很大，且目前規范中僅僅給出了板橋、梁橋、圬工拱橋等常規橋型的校驗系數。

1.2 基于健康監測的評定方法

大跨橋梁運營環境惡劣，影響結構性能的因素眾多，單靠橋梁定期檢查，并結合規范進行狀態評估是不夠的。國外學者很早就開始構思并著手研發橋梁實時監測裝置，力求對橋梁結構進行整體行為的實時監控和結構狀態的智能化評估。利用橋梁健康檢測信息可實現如下目的，即結構診斷與損傷識別、結構狀態評估，進而做出剩余壽命預測。

1.2.1 蒙特卡羅數值模擬方法

蒙特卡羅數字模擬方法[3-4]的基本思路是：定義結構功能函數，利用計算軟件按最能描述隨機變量特性的某種分布方式產生足夠多的隨機數，即進行足夠多的試驗（假設為N 次），然后計算其中功能函數小于零的次數n，根據大數定理，則結構的失效概率可以估算為：n/N。此方法實際上是一種計算可靠度的方法，將它作為一種評估方法主要是由于其計算能力強、精度高，已成為目前計算可靠度的主流手段。

1.2.2 結構損傷識別方法

隨運營時間增長，橋梁結構會產生相應損傷，并導致整體性能下降。通過健康監測數據，識別結構的損傷部位及程度，為結構整體實時狀態評估提供參數修正是保持橋梁運營安全的重要手段。利用健康監測數據進行結構損傷識別主要有以下方法[5-6]：a.動力指紋分析

動力指紋分析法[7]的主要思想是找尋與結構動力特性相關的參數，分析結構損傷前后參數的變化，由此作出結構損傷與否的判斷。

固有頻率反應的是結構整體的響應，僅能判別損傷是否發生，而不能識別出損傷的位置及程度。振型變化雖能反應結構的局部特征，定位損傷，但其對測量精度要求極高，并且需要優化傳感器的布置。能量變化和傳遞函數雖包含較多的損傷信息，但受測量誤差的影響也很大，容易造成誤判。

總的來說，動力指紋分析法簡單直觀，在一定程度上能定位損傷，但對定量損傷程度效果欠佳，往往需要結合遺傳算法、神經網絡等數學手段進行精準定位和定量。

b.模型修正法

模型修正法[8]的基本思想是選取與結構固有特性相關的參數，建立優化目標函數，使有限元模型的計算響應不斷逼近實測響應，然后根據修正后模型的計算結果與未修正的差異來判別結構是否發生損傷，可分為：直接法、靈敏度方法、基于響應面的方法。

直接法修正結構的質量矩陣、剛度矩陣、阻尼矩陣，使計算響應與實測響應相符。靈敏度法是通過對結構響應進行靈敏度分析，然后選擇對結構響應影響較大的參數作為修正參數，以此修正有限元模型。基于響應面的方法[9]是利用回歸分析技術，在參數的整個設計空間范圍內以顯式的響應面模型逼近響應參數與設計參數間復雜的隱式函數關系，然后在其基礎上進行迭代修正。

c.模式匹配法

模式匹配法的基本思想是根據不同的損傷方案（不同損傷位置、不同損傷程度），建立結構響應參數與損傷狀態之間的映射關系庫，然后用實測的響應匹配結構最可能發生的損傷狀態。該方法一般是通過神經網絡算法進行實現。

d.無模型方法

無模型的識別方法無需建立結構模型，直接通過分析、比較結構振動的時程響應數據的差異性來進行結構損傷識別，從而減少了由建模和計算所帶來的工作量，同時避免了由建模所帶來的模型誤差。但它過分依賴測量結果的準確性。測量誤差、測量噪聲等不確定因素會對識別結果產生很大影響。最關鍵的一點是，無模型的識別方法一般與結構本身的物理特性參數無直接聯系，因而難以定量識別結果損傷。

總體來說，各個識別方法各有優劣之處，在實際應用時往往是相互結合、優勢互補，以期得到精準的識別結果，常常還要輔以相應的數學手段以進行結構損傷定位、定量的精確識別，如遺傳算法、小波分析、數據融合等。

1.2.3 剩余壽命預測方法

在進行了結構損傷識別后，一般需要根據結構的劣化信息預測結構剩余的使用壽命，以便做出結構是安全運營或是改造加固，還是拆除重建的最佳經濟策略。主流的預測橋梁結構剩余使用壽命的方法基本上都是基于可靠度理論提出的。只不過由于鋼結構的疲勞問題，其疲勞壽命的預測與混凝土結構有些許不同，可將這些方法大致分為兩類：鋼結構疲勞壽命預測方法和基于時變可靠度的混凝土橋梁剩余壽命預測方法。

a.鋼結構疲勞壽命預測方法

疲勞壽命是指結構或構件在交變荷載作用下發生破壞所承受的荷載循環次數或持續時間。相關的預測方法主要有：基于疲勞曲線的預測方法和基于斷裂力學的預測方法。

基于疲勞曲線的預測方被工程師們廣泛采用。對于變幅疲勞，還需要聯合疲勞累積損傷理論進行預測。

傳統的疲勞曲線預測方法沒有探究結構疲勞破壞的終極原因，即疲勞裂紋擴展到極限長度，因此預測結果較粗糙。斷裂力學正好是研究裂紋生成與發展的一門學科，對于疲勞壽命的預測尤其適用。

c.基于時變可靠度理論的方法

該方法認為結構荷載效應與抗力效應的分布都是隨時間變化的，那么結構的可靠度也是時間的函數。當結構可靠度達到規定的目標可靠度值時，相應的時間就是結構的使用壽命，則結構的剩余使用壽命就等于結構使用壽命與已使用年限的差值。該方法最核心的部分就是荷載及抗力效應時變規律的確定。由于不同材質、不同結構形式、不同養護手段橋梁的劣化效應不盡相同。在剩余壽命預測的基礎上，為取得最佳經濟效益和最大限度延長使用壽命而進行最優維修和加固時機的研究是目前比較活躍的一個方向。

2 基于專家經驗的方法

2.1 專家系統

在評估理論不夠健全的條件下，主要靠收集各方專家意見對橋梁狀況作出綜合判定。隨著計算機技術的不斷發展，開始通過機器學習建立專家系統進行橋梁評估。這種方法由于主觀程度過大，目前已很少采用。

2.2 規范中的評定方法

目前我國規范《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21-2011）采用的是一種分級評定的方法。該方法首先根據橋梁缺損狀況對各構件進行打分，然后依次對各部件，上下部結構、基礎，橋梁整體評分，最后根據得分進行技術等級的評定。

3 結論

隨著數學分析手段、計算機計算能力、相關理論體系的不斷提高，橋梁結構狀態評估方法日趨完善。但在橋梁結構評估體系逐漸完善的同時，還有一些問題需要值得我們去解決。

3.1 在根據規范進行橋梁承載能力評定時，鋼結構、拉吊索的檢算系數還是由經驗所確定，因此需要根據其損傷程度提出更具科學意義的檢算系數。

3.2 荷載試驗中根據校驗系數進行承載能力評定，并認為校驗數越小結構剛度越大，假若因為試驗誤差導致計算應變（或撓度）偏小呢？因此校驗系數取值是否合理還需要作進一步的探討。

3.3 在損傷識別中，需要根據傳感器獲取的結構響應進行損傷識別，因此優化傳感器的布置以獲得更多損傷信息是需要進一步研究的東西。

3.4 在結構剩余壽命預測中，不同學者根據不同數學手段提出了不同的劣化效應模型，但究竟何種模型更切合實際那就不得而知了，因此建立一種更具信服力的劣化效應模式是我們需要研究的。