異形橋梁優化設計與損傷識別方法

胡夢宇

（北京市市政工程設計研究總院有限公司廣東分院,廣東 廣州 510075）

0 引言

隨著國家對基礎設施的大力建設，橋梁作為我國交通運輸通道的重要一環，在提升運輸效率和城市空間利用率等方面，有著無可替代的作用。但因為我國對城市規劃、道路設計相關規范的要求，加之地形自然環境等因素影響，異形橋梁的設計也隨之而來。異形橋梁作為彎橋梁與直橋梁的連接，比普通橋梁有著更為復雜的計算模型與受力方式。因此傳統的計算模型與分析方法已無法準確分析其復雜的空間效應。如何對不同的異形橋梁進行優化設計成為了一大難題。異形橋梁不僅在結構層面有難以解決的問題，在道路行駛方面也需要較多的優化。例如如何避免較多車輛同時匯入時產生的道路安全隱患等，橋梁也容易在外界重復荷載、材料老化等因素下發生疲勞損傷以及性能的不斷退化，使結構的安全性降低，從而造成重大的交通安全事故[1]。因此，異形橋梁的優化設計方案與損傷識別方法，對國家基礎建設以及保障人民的生命財產安全尤為重要。

1 工程概況

該文依托工程為某異形橋梁，橋梁全長為85 m，跨徑（20+30+20）=70 m，由拱形裝飾、主體結構及懸挑平臺三部分組成。全橋分為左右兩幅，橋梁兩側均設置有10 cm的伸縮縫。圖1為異形橋梁效果圖。橋梁參數見表1所示。

圖1 異形橋梁效果圖

2 異形橋梁優化設計

2.1 異形橋梁道路優化設計

我國對異形橋梁的分類較多，有X形、Y形、三路相交及畸形相交等，圖2為Y形異形橋梁。由于異形橋梁的本身特征，導致車輛在經過路口時的方向有較大的不確定性，行駛軌跡無規律；車輛的入口與出口沒有明確的指向性，導致駕駛員錯誤判斷；異形橋梁交叉口存在較多的多路交叉的現象，容易使雙方駕駛者難以發現對方，從而造成較大的交通事故。因此，有專家學者指出，考慮到各種不利因素，異形交叉口的優化設計實施難度大。因此，對于多路交叉口和錯位交叉口的形式，可考慮限制一種一路或幾路實現交通優化；對于通行能力接近飽和路口范圍大的多路交叉口，宜選擇環島交通組織[2]。

圖2 Y形異形橋梁

2.2 異形橋梁結構優化設計

作為直梁橋和彎梁橋的連接結構，異形橋具有正橋受力和彎梁橋彎矩組合的受力特征。與一般傳統彎橋相比，異形橋梁的彎曲、畸變、翹曲和剪力滯后以及不同效應的相互耦合是當前研究的重點領域。當前，由于異形橋梁結構多樣，受力行為復雜，約束扭轉和剪力滯后的特征突出，采用一般的理論計算分析方法無法實現對異形橋梁結構的準確分析。

在異形橋梁設計過程中，存在諸多影響因素，對各個因素的影響權重分析，從而得到最優設計參數組合是眾多研究人員的關注熱點。目前，國內外眾多學者對薄壁箱梁開展理論計算和方法研究，然而考慮到異形橋梁與薄壁箱梁在受力特征方面存在著諸多差異，過往采用的理論解析法無法直接應用。而隨著科學技術的突飛猛進，基于大型計算設備的數值模擬方法在結構計算領域得到廣泛應用。其中，有限元計算為異形橋梁結構的靜力和動力特性求解提供有效方法。通過建立有限單元模型、輸入荷載及開展數值計算，研究各設計參數對橋梁受力特征的影響程度發揮了重要作用。但是，在有限元計算方法中未建立準確反映異形橋梁受力狀態的指標體系。在開展設計參數對橋梁受力性能的分析過程中，考慮到多種影響因素，單因素試驗往往無法反映現實情況。對多種因素組合的全面試驗，需要開展多種工況下的數值建模及數值計算，模型計算量大，實施難度大。因此，采用正交試驗方法，選取具有代表性特征的參數組合，可以降低試驗操作難度，反映各設計參數對橋梁結構受力性能的影響程度。

正交試驗方法一定程度上降低了試驗操作和試驗分析的難度，但對于多個指標的正交試驗仍存在工作量大、權重設置不合理及外界影響因素等劣勢。因此，該文引入層次分析法，以求建立異形橋梁受力特征的指標體系。選取應力變異系數、曲梁的扭轉程度及扭轉振動基礎頻率等作為試驗指標，利用正交試驗方法分析支撐方式、截面高度、閘道半徑等參數對試驗指標的影響程度。同時，需明確各參數及其水平的權重計算方式。基于上述方法，可以得到各因素及其不同水平對異形橋梁受力特征的影響權重。根據影響權重大小依次排序，可以得到對異形橋梁受力性能影響的主次順序，在此基礎上開展結構優化設計[3]。綜上所述，采用該文提出的基于權重分析法的正交試驗可以顯著減少試驗操作過程，更為合理地反映各項參數的影響程度，為異形橋梁結構優化提供了有效措施。

2.3 整體優化設計方法

異形橋梁結構復雜，存在較多變量，且屬于高次超靜定結構，在設計過程中無法做到準確判斷，應綜合考慮各種因素，對橋梁質量做出合理評判，同時評判過程應結合橋梁的各項參數及運營狀態。在當前異形橋梁建設過程中，采用整體優化設計方法存在一定的局限性，導致其應用效果有限，主要是受到建設環境、工程造價及施工技術等因素的影響。設計人員應借鑒國外的設計模式及設計理念，結合橋梁建設情況，引入功能評價、造價控制等指標，實現整體優化設計效果。

3 異形橋梁損傷識別方法

由于橋梁自身材料的老化、自然環境的影響和缺乏人為的養護，世界范圍內的橋梁均面臨著性能衰減、結構安全性不足等問題。加拿大目前已有40%的橋梁已建成30年以上，美國面臨著40%的橋梁需要進行加固與維修。隨著我國經濟社會的迅猛發展，全國公路橋梁數量達73萬余座。上述橋梁在服役一段時間后，也要面臨著維修、加固、保養等問題。如何有效地鑒別橋梁的損傷，成為重要的研究熱點。

橋梁的損傷識別作為橋梁結構的健康檢測中的重要一環，有著較多的方法。一般情況下，結構損傷就是結構系統發生了改變，影響了結構的性能。傳統的橋梁損傷識別時依賴于人工檢測，檢修員在一定期限內對橋梁進行檢修。但是這種過于依賴人工經驗，有較大風險。目前主流并得以廣泛應用的檢測方式是通過超聲波、X射線等工具對結構內部進行檢測。異形橋梁等大型且復雜的橋梁，用X射線等儀器局限性較大。對于無法接觸到的區域，無法進行檢測，此時采用基于震動損傷識別的方法較為有利。通過識別其指標類型來判斷損傷程度。例如模態柔度、陣型、頻率等。圖3為結構健康監測組成部分。

圖3 結構健康監測組成

3.1 動力參數損傷識別方法

橋梁若出現結構損傷，例如裂縫、塑性鉸等，會引起自身剛度變化，從而導致頻率、振型等動力參數發生變化。通過對動力參數建立起相應的數學模型，使動力參數能夠表達出結構損傷的程度。頻率、振型等指標是常用的判別損傷指標，但其對損傷的敏感性及適用范圍各不相同。頻率參數可較容易獲得，但對結構損傷的敏感性較低，即反應損傷的能力較弱[4]。圖4為異形橋梁動力參數損傷識別流程。

圖4 異形橋梁動力參數損傷識別流程

3.2 模態振型損傷識別

模態振型損傷識別方法是鑒定異形橋梁結構損傷識別的重要方法之一。模態振型損傷識別主要依靠振型數據的輸入量與振型數據的導出量。若異形橋梁結構內部出現損傷，在整體空間信息輸入時，局部模態振型在損傷區域出現變化，通過模態振型的頻率變化識別異形橋梁結構內部損傷。圖5為異形橋梁模態振型損傷識別流程。

圖5 異形橋梁模態振型損傷識別流程

3.3 結構損傷識別

根據結構損傷識別的基本原理，損傷識別屬于力學和工程中的問題。即結構系統自身的特征未知，或輸入參數未知，而響應數據已知，通過響應數據反推得到結構的特征數據。由于傳統識別技術有著諸多劣勢，比如計算繁瑣、計算結果不收斂等，導致最終結果不準確。結構損傷識別首先利用人工智能技術，對異形橋梁掃描后得到其內部情況圖像，然后利用計算分析軟件對損傷區域進行研究，從而完成整個損傷識別過程。該方法操作便捷，但對計算設備及智能軟件提出了較高要求。通過上述流程可知，基于計算機技術的智能設備在異形橋梁損傷識別中發揮著顯著作用，值得進一步推廣[5]。圖6為異形橋梁結構損傷識別流程。

圖6 異形橋梁結構損傷識別流程

4 結論

異形橋梁作為交通設施的重要組成部分之一，在提升交通效率、便捷出行等方面發揮了顯著作用。在城市化進程中，為了提升城市空間利用率，異形橋梁以其空間利用高、受力性能好等優勢，得到了大規模應用。考慮到異形橋梁外觀幾何構造和結構設計的多樣性，采用傳統的設計方法存在一定的局限性，該文提出了異形橋梁優化設計的幾種方法。然而，受外界荷載、溫度變化及鹽分侵蝕等環境因素影響，異形橋梁結構會出現不同程度的損傷情況，橋梁承載力降低。因此，為了減少異形橋梁損傷事故的發生，保障人民群眾安全出行，需做到對異形橋梁損傷狀況的有效識別。該文根據損傷程度的不同，提出了多種損傷識別方法，為工程實踐提供參考。