橋梁評價方法研究現(xiàn)狀淺析
2016-12-05
0 前言
近年來，在經(jīng)濟發(fā)展交通先行的思想指導下，為適應我國經(jīng)濟建設飛速發(fā)展的需要，我國的交通建設事業(yè)也迎來了前所未有的大發(fā)展時期。在不到十年期間，更是修建了大量的大、中跨徑預應力混凝土橋梁，其數(shù)量在我國大、中跨徑橋梁中占主導地位。然而針對這些問題，目前國內(nèi)還沒有切實有效的檢測和評價方法，在許多方面還存在明顯不足甚至是空白。開展這方面的研究對保證橋梁的耐久性和安全性，以及對于此類橋梁養(yǎng)護工作的決策等至關重要。目前既有橋梁綜合評價的主要方法大致可分為基于實橋調查的經(jīng)驗方法、荷載試驗法、基于理論分析的方法和專家系統(tǒng)評價方法。
1 基于實橋檢測的經(jīng)驗方法
基于實橋檢測的經(jīng)驗方法是事先根據(jù)檢測統(tǒng)計和試驗分析結果制定出系統(tǒng)的損傷程度分類和評分標準，然后由橋梁的評價人員憑經(jīng)驗對既有橋梁進行檢測評分，并依次對橋梁的損傷程度，安全性等進行綜合的評價。該評價方法的準確程度主要取決于（1）制定出的系統(tǒng)損傷程度分類和評分標準的細化程度和準確程度。（2）評價人員的經(jīng)驗及判斷能力。因而基于實橋檢測的經(jīng)驗方法存在的主要問題就是較大程度取決于評價人員的經(jīng)驗和技術水平。
同時，鑒于每座實際橋梁的特殊性，缺損狀態(tài)相差甚遠的不同結構，卻有著非常相似的病害表象。因此基于實橋檢測進行橋梁評價時，在參考目前劃分確定的評價指標等級的基礎上，有必要考慮橋梁的具體結構形式﹑所處環(huán)境和實際的運營狀態(tài)以及存在的缺損現(xiàn)象的相互關系，對各評價指標的實測值及權重加以合理的修正，以對現(xiàn)有橋梁的缺損狀態(tài)做出更準確的評價。
2 荷載試驗法
荷載試驗法是通過現(xiàn)場試驗，包括靜載試驗和動載試驗對既有橋梁進行評價的方法。一般需在已對橋梁結構進行外觀檢測、初步評定和一定的理論分析之后進行。
2.1 靜載試驗法
靜載試驗法首先是通過計算，并考慮橋梁的損傷狀況，選擇受力最不利或損傷最嚴重的橋孔，并在其中選出主要控制截面，然后根據(jù)實際損傷情況，施加與設計荷載基本相當?shù)耐夂奢d，利用測量撓度﹑水平位移﹑應變（應力）及裂縫寬度的儀器、設備，觀察橋梁結構在外部靜荷載作用下的響應，分析結構的強度、剛度、抗裂性及承載能力。再將測試﹑分析結果與結構理論計算值及規(guī)范限值相比較，綜合評價既有橋梁的缺損狀態(tài)。
靜載試驗能較準確的評價橋梁的靜態(tài)承載能力，有很強的實用性和可靠性，但其測試時需要中斷交通，且費用較高。同時由于實際橋梁承受動載作用，有可能存在靜態(tài)荷載下工作性能滿足要求而動態(tài)荷載下卻不能滿足的情況。
2.2 動載試驗法
動載試驗法是利用外荷載的激勵作用來激起橋梁結構的振動，以測得橋梁結構的頻率，振幅，阻尼，沖擊系數(shù)及振型等動態(tài)參數(shù)，再將測試結果與結構理論計算值相比較，從而判斷橋梁結構的整體剛度，行車性能，進而綜合評價既有橋梁的缺損狀態(tài)。
動載試驗法評價具有其它方法無法相比的優(yōu)點。由于橋梁是在動荷載下工作的，所以要了解其工作性能和使用狀態(tài)，在某種意義上，只有通過動荷載的評價才是可靠的。另外，動態(tài)法體現(xiàn)的是橋梁總體的損傷狀態(tài)而不會局限在某個構件的局部損傷。但動態(tài)試驗對于測試設備的要求相對較高。
3 理論分析法
3.1 設計理論法
設計理論法是以橋梁設計規(guī)范為基礎分析既有橋梁的承載能力的方法?！豆窐蛄撼休d能力檢測評定規(guī)程》（報批稿）中，根據(jù)橋梁外觀質量﹑混凝土強度和結構模態(tài)參數(shù)確定出承載能力驗算系數(shù) Z1 對結構或構件的抗力進行折減或提高；通過承載能力惡化系數(shù) �%ge 來反映橋梁結構質量狀況衰退產(chǎn)生的不利影響；通過活載影響系數(shù) �%gq 對作用效應中活載分項系數(shù)加以調整；通過混凝土折減系數(shù) �%gc 和鋼筋截面折減系數(shù) �%gs 考慮結構有效截面折減。因此，利用設計理論法進行橋梁缺損狀態(tài)的評價時，宜在深刻理解橋規(guī)設計原理的基礎上，考慮實際的工程情況進行。
3.2 基于可靠度理論的評價方法
基于可靠度理論的評價方法是利用失效概率 Pf 或可靠指標�%[來衡量結構完成預定功能的能力。由于橋梁結構在運營過程中其材料特性、幾何特性、荷載分布以及退化參數(shù)等的不定性，故可靠度，或可靠指標和失效概率是結構系統(tǒng)或構件唯一一致的安全性指標。
在役橋梁的可靠性包括安全性、適用性和耐久性三個方面。對橋梁結構進行可靠性分析時，須首先找出或定義進行分析的極限狀態(tài)，確定系統(tǒng)或構件的失效模式，根據(jù)實際結構的極限荷載和臨界強度，建立賦予概率意義的功能函數(shù)，求出相應的失效概率及可靠度指標。
4 專家系統(tǒng)評價方法
所謂橋梁評價專家系統(tǒng)，就是利用計算機模擬有經(jīng)驗專家的決策機理，對既有橋梁進行綜合評價的方法。既有橋梁的評價中，影響評價的因素眾多，因素之間相互影響、關系復雜。另一方面，評價結果與評價者的工程經(jīng)驗有著密切的聯(lián)系，這也使得評價中包含了許多不定因素。對如此復雜的評價問題，難以甚至不可能建立一套完善的數(shù)學模型進行精確定量的描述，只適合于采用具有人工智能技術的專家系統(tǒng)加以處理。
橋梁評價專家系統(tǒng)的開發(fā)實質上是建立系統(tǒng)模糊推理的過程。根據(jù)橋梁專家的經(jīng)驗和知識確定初始模糊推理規(guī)則和隸屬函數(shù)，使專家系統(tǒng)具有知識處理、表達、利用和推理的能力，這種能力尤為適用于對復雜問題的模糊處理。國內(nèi)外專家學者通過收集整理橋梁評價專家知識并進行深入細致的研究，運用模糊數(shù)學原理，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡原理等分別建立了橋梁專家評價體系。
專家評價系統(tǒng)能在缺乏專家的情況下提供咨詢。但也應該指出，目前專家系統(tǒng)給出的結論對評價決策的影響往往是輔助性的。該方法的主要問題是對橋梁評價領域專家大量知識有效、客觀的采集及數(shù)學模型的建立，把專家提供的學習實例或信息轉換成能被學習系統(tǒng)理解并應用的形式存儲在系統(tǒng)中，建立專家系統(tǒng)能使其具有較好的學習和自學習能力，直到系統(tǒng)形成強大的知識數(shù)據(jù)庫，足以較好地理解各種損傷信息，分析其間聯(lián)系并做出正確有效的推理，以達到能較為快速、有效的模仿實際專家評價橋梁。
5 橋梁評價方法現(xiàn)況小結
從上文對既有橋梁缺損狀態(tài)各種評價方法的研究現(xiàn)況之總結和評述可以看出，每種評價方法都有其不可取代的優(yōu)點，同時也存在著實際運用中需要進一步研究的問題。目前各種評價方法均有必要借助系統(tǒng)的試驗研究和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，通過理論和深層次的知識分析，確定出各種評價方法更為詳細的評價指標和等級劃分標準，以減少評價人員主觀因素在評價過程中的影響。
同時幾種評價方法之間也是密切聯(lián)系的。橋梁結構的檢測及初步評價是進行理論分析及荷載試驗的前提基礎。理論分析評價的過程中需要通過實測數(shù)據(jù)對所運用的公式﹑參數(shù)加以修正，使其更好的接近實際的橋梁狀況。荷載試驗評價也須基于檢測結果的初步評價上，并以理論分析為指導。只有不斷的總結實際橋梁及實驗室試驗的評價結果，作為專家系統(tǒng)學習的知識基礎，直到系統(tǒng)形成強大的知識數(shù)據(jù)庫，足以較好地理解各種損傷信息，分析其間聯(lián)系并做出正確有效的推理，才能真正稱作為"專家"，進而應用于各類橋梁工程評價中。
因而目前對既有橋梁缺損狀態(tài)評價時，宜根據(jù)橋梁的實際結構和運營環(huán)境，以充分利用已取得的科研成果為原則，針對不同的構件并考慮其損傷程度，采用不同的評價方法，再綜合起來對整個橋梁結構的缺損狀況進行評價。
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