橋梁檢測中結構性能的評價研究
2010-09-16 來源：網(wǎng)絡
橋梁是公路的關鍵組成部分，直接關系著公路通行能力和服務水平。由于我國的橋梁已從建設期轉到了建設和維修并重期，許多橋梁需要進行維修和加固。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，為以后的設計和加固提供依據(jù)。目前我國的《公路養(yǎng)護技術規(guī)范》中規(guī)定：“橋涵構造應按規(guī)定進行檢查，以便系統(tǒng)地掌握技術狀況，及時發(fā)現(xiàn)缺損，采取相應的養(yǎng)護措施。”并且要求定期檢查。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法的引入，使混凝土橋的損傷情況的判定變得容易和準確。
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，以便能夠測試出結構的靜應變、靜位移以及裂縫等，從而推斷橋梁結構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的參數(shù)，可以分析得出結構的強度、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變和靜位移。在測量應變時結合現(xiàn)場情況在結構上打孔，一般選擇在結構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)應變值，推算結構截面的應力分布、桿件的實際內力與次應力、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）。由實測到的應變和位移可以推算出有關的內力（如軸力和彎矩）值和撓度值等。將它們與理論計算值進行對比，以此作為判定橋梁結構工作狀態(tài)的一個重要指標。
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構上，來測出結構的動力特性，從而判斷出橋梁結構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構的動力特性，如結構的自振頻率、阻尼特性及固有振型等：測定結構在動荷載作用下的強迫振動的響應，如振幅、動應力、沖擊系數(shù)及疲勞性能等。這些性能是判斷橋梁運營狀況和承載能力的重要標志之一。
當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）的設計計算思路。首先對被檢定的橋梁結構進行檢查（搜集資料、現(xiàn)狀檢查、材質與地基的檢驗等），然后結合現(xiàn)場調查的結構各部分尺寸及材料強度，運用橋梁結構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)過廣泛的調查研究確定出各項對應的系數(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)有橋梁結構的特點及結構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構狀況評估
橋梁結構的動力特性是與結構的組成形式、剛度、質量分布和材料性質等結構本身的固有性質有關，而與荷載等其他條件無關的性質。橋梁的模態(tài)參數(shù)是整個結構振動系統(tǒng)的基本特性，它是進行結構動力分析所需的參數(shù)，其結果不僅可以用來分析結構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。
3.1 固有頻率的測定
對于比較簡單的結構，只需結構的一階頻率，對于較復雜的結構動力分析，還應考慮第二、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構的動剛度。
3.2 阻尼
橋梁結構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
一般橋梁結構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)不同的結構形式，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)下的結構來說，動荷載產(chǎn)生的荷載效應與靜荷載產(chǎn)生的荷載效應之比即為1+μ。因此，沖擊系數(shù)的測試通常用測定結構動應變或動撓度的方法。測試前，在梁的跨中（或最大變位、應變處）布置電阻應變片式的位移計或應變計，并通過動態(tài)應變儀與電腦相接。試驗時，由加載車輛以某一速度從測點駛過，記錄其輸出應變隨時間變化的實時信號。一般情況下，應測試記錄多種車速下的輸出應變結果，以做分析比較。
4.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的橋梁結構狀況評估
現(xiàn)實中橋梁處于一個復雜的動態(tài)系統(tǒng)中，影響結構安全性、適用性及耐久性的因素多，各影響因素之間的關系也存在著大量的不確定性和模糊性。傳統(tǒng)的橋梁結構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的混凝土橋梁結構損傷診斷。
4.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡
人工神經(jīng)網(wǎng)絡（Artificial Neural Networks，ANN），一種模仿動物神經(jīng)網(wǎng)絡行為特征，進行分布式并行信息處理的算法數(shù)學模型。這種網(wǎng)絡依靠系統(tǒng)的復雜程度，通過調整內部大量節(jié)點之間相互連接的關系，從而達到處理信息的目的。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡是并行分布式系統(tǒng)，采用了與傳統(tǒng)人工智能和信息處理技術完全不同的機理，克服了傳統(tǒng)的基于邏輯符號的人工智能在處理直覺、非結構化信息方面的缺陷，具有自適應、自組織和實時學習的特點。
神經(jīng)網(wǎng)絡法用于橋梁結構損傷識別的基本思想是： 由于結構的損傷必然導致結構參數(shù)（剛度、阻尼和內部荷載）的改變。利用數(shù)值求解法（如有限元法、能量法）或實測方法，獲取結構中所需物理量（如頻率、振型等）作為訓練樣本的輸入?yún)?shù)，以結構的缺陷作為輸出參數(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡具有很強的自組織、自學習和自適應能力的特點，通過一定數(shù)量的訓練樣本讓網(wǎng)絡學習，神經(jīng)網(wǎng)絡會記住這些知識，實現(xiàn)從輸入?yún)?shù)（如結構頻率向量等）到輸出參數(shù)（如結構損傷位置、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構的損傷情況?，F(xiàn)在常用于損傷診斷的網(wǎng)絡模型有BP網(wǎng)絡模型、對偶傳播神經(jīng)網(wǎng)絡、徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡等。
4.2 結構等級評估輸入?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件的工作，因此構件截面減小。此參數(shù)以混凝土碳化深度與構件實際尺寸的比值來衡量。
② 混凝土強度損失程度：混凝土強度隨時間而降低。此參數(shù)以混凝土強度下降程度來衡量。
③ 開裂程度：對大部分結構，允許在規(guī)定范圍內帶裂縫工作，但是裂縫的產(chǎn)生和擴展對結構的抗彎能力及鋼筋的保護有很大影響。此參數(shù)用裂縫寬度可靠指標與允許可靠指標的比值來度量。
動力特性方面：
① 固有頻率下降，由于長期運營，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 結構等級評估輸出參數(shù)
通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)的反復訓練，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個等級來評估結構等級。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取值的對應關系：
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，應采取維修加固措施。
④ 四級，0.35<y≤1.00，嚴重不滿足國家規(guī)范要求，是危橋，須及時采取措施。
5.結語
橋梁檢測是一項復雜而細致的工作，是一項理論實踐結合緊密的學科。目前我國的很多橋梁進入了維修期，對舊橋進行檢測顯得尤為重要。靜載和動載實驗是目前結構性能評估的常用方法， 在此基礎上結合人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行結構檢測評估能夠更加準確并有針對性。在這方面國內外學者已經(jīng)進行了研究，并且取得了一定研究成果。相信人工神經(jīng)網(wǎng)絡在橋梁結構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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