橋梁檢測及結(jié)構(gòu)性能的評估
2011-09-20 來源：中國百科網(wǎng)
公路交通是人類社會生命線工程的重要組成部分，公路橋梁作為公路交通基礎(chǔ)設施的咽喉工程，在公路運輸系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由于使用荷載和環(huán)境因素等的作用，將導致橋梁使用性能衰退、結(jié)構(gòu)安全與耐久性降低，造成橋梁適應性不足，甚至出現(xiàn)橋毀人亡事故。作為人造結(jié)構(gòu)物的橋梁，采用科學的技術(shù)手段與方法對其實施及時有效的養(yǎng)護維修與管理，是保證其健康。而檢測是維修的前提，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)，最大效能發(fā)揮其經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。
一、橋梁檢測與評估的意義
通過對橋梁的使用狀況、缺陷及損傷進行全面、細致、深入的現(xiàn)場檢測，明確缺陷和損傷的性質(zhì)、部位、嚴重程度及發(fā)展趨勢，尋找缺陷及損傷產(chǎn)生的原因，以便分析、評價缺陷及損傷對橋梁使用性能和承載力的影響，為橋梁維護、加固基改造設計提供及時、有針對性的第一手資料。通過對橋梁的全面檢測，系統(tǒng)地收集當前橋梁技術(shù)數(shù)據(jù)，積累技術(shù)資料，為充實橋梁數(shù)據(jù)庫、加強橋梁科學管理和提高橋梁技術(shù)水平提供必要條件；通過合理設計檢測的方法，輔以布設長期監(jiān)測設備，逐步建立橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，確保橋梁長期安全運營，以發(fā)揮其最佳經(jīng)濟效益和社會效益。
二、橋梁檢測方法
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(jié)構(gòu)的靜應變、靜位移以及裂縫等，從而推斷橋梁結(jié)構(gòu)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(guān)的參數(shù)，可以分析得出結(jié)構(gòu)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(jié)合現(xiàn)場情況在結(jié)構(gòu)上打孔，一般選擇在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)截面的應力分布、桿件的實際內(nèi)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(guān)的內(nèi)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(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的一個重要指標。
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(jié)構(gòu)上，來測出結(jié)構(gòu)的動力特性，從而判斷出橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的動力特性，如結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼特性及固有振型等：測定結(jié)構(gòu)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。
三、動載試驗的橋梁結(jié)構(gòu)狀況評估
橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性是與結(jié)構(gòu)的組成形式、剛度、質(zhì)量分布和材料性質(zhì)等結(jié)構(gòu)本身的固有性質(zhì)有關(guān)，而與荷載等其他條件無關(guān)的性質(zhì)。橋梁的模態(tài)參數(shù)是整個結(jié)構(gòu)振動系統(tǒng)的基本特性，它是進行結(jié)構(gòu)動力分析所需的參數(shù)，其結(jié)果不僅可以用來分析結(jié)構(gòu)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。
1．固有頻率的測定
對于比較簡單的結(jié)構(gòu)，只需結(jié)構(gòu)的一階頻率，對于較復雜的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的動剛度。
2．阻尼
橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼特性一般由對數(shù)衰減率6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．振型
一般橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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。
4．沖擊系數(shù)
橋規(guī)中定義沖擊系數(shù)為沖擊力與汽車荷載之比。對于線彈性狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)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。因此，沖擊系數(shù)的測試通常采用測定結(jié)構(gòu)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(jié)果，以做分析比較。
四、人工神經(jīng)網(wǎng)絡的橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)安全性、適用性及耐久性的因素多，各影響因素之間的關(guān)系也存在著大量的不確定性和模糊性。傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)損傷診斷。
1．人工神經(jīng)網(wǎng)絡
人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ArtificialNeuralNetworks，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(diào)整內(nèi)部大量節(jié)點之間相互連接的關(guān)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(shù)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(jié)構(gòu)化信息方面的缺陷，具有自適應、自組織和實時學習的特點。
由于結(jié)構(gòu)的損傷必然導致結(jié)構(gòu)參數(shù)（剛度、阻尼和內(nèi)部荷載）的改變。利用數(shù)值求解法（如有限元法、能量法）或?qū)崪y方法，獲取結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)頻率向量等）到輸出參數(shù)（如結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的損傷情況。
2．結(jié)構(gòu)等級評估輸入?yún)?shù)
（1）混凝土材料方面
a.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(gòu)件的工作，因此構(gòu)件截面減小。此參數(shù)以混凝土碳化深度與構(gòu)件實際尺寸的比值來衡量。
b.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。
c.開裂程度：對大部分結(jié)構(gòu)，允許在規(guī)定范圍內(nèi)帶裂縫工作，但是裂縫的產(chǎn)生和擴展對結(jié)構(gòu)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。
（2）動力特性方面
a.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：
b.橋梁剛度下降，內(nèi)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。
3．結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)系：
（1）一級，O.OO<y<o.05，滿足國家規(guī)范要求，不必采取任何措施。
（2）二級，O.O5<y≤o.15，略低于國家規(guī)范要求，但不影響正常使用。
（3）三級，O.15<y≤o.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，O.35<y≤1.o0，嚴重不滿足國家規(guī)范要求，是危橋，須及時采取措施。
五、結(jié)束語
橋梁檢測是一項復雜而細致的工作，是一項理論實踐結(jié)合緊密的學科。目前我國的很多橋梁進入了維修期，對舊橋進檢測顯得尤為重要。靜載和動載實驗是目前結(jié)構(gòu)性能評估的常用方法，在此基礎(chǔ)上結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行結(jié)構(gòu)檢測評估能夠更加準確并有針對性。在這方面國內(nèi)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(jié)構(gòu)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。</y≤1.o0，嚴重不滿足國家規(guī)范要求，是危橋，須及時采取措施。
</y≤o.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。
</y≤o.15，略低于國家規(guī)范要求，但不影響正常使用。
</y<o.05，滿足國家規(guī)范要求，不必采取任何措施。
