李　悄

摘要：文章以一座獨塔鋼箱梁單索面斜拉橋為工程背景，利用有限元軟件Ansys對斜拉橋的內(nèi)力狀態(tài)識別技術(shù)進行了研究。通過分析計算顯示，斜拉橋的內(nèi)力狀態(tài)可以通過調(diào)節(jié)索力的方法來調(diào)整，并且在測試噪聲水平為10％時，可以將內(nèi)力狀態(tài)識別誤差控制在誤差限以內(nèi)。因此，用位移識別索力的狀態(tài)識別方法是可行、有效的。

關(guān)鍵詞：ANSYS；斜拉橋；狀態(tài)識別；內(nèi)力；撓度

中圖分類號：U441

文獻標識碼：A

文章編號：1009-2374(2009)17－0007-02

社會進步和土木工程技術(shù)的發(fā)展，使越來越多的大跨度橋梁得到了修建，雖然合理、保守的設(shè)計是結(jié)構(gòu)安全的根本保證，但是限于當(dāng)前對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的認識程度，人們時許多不定時的或不可確定因素并不都能進行有效控制或預(yù)測，為了確保設(shè)計的使用安全性和耐久性達到預(yù)期的標準，時時了解橋梁“健康”狀態(tài)是非常重要的，因此橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)這項課題日益成為國內(nèi)外橋梁學(xué)術(shù)界和工程界的研究熱點。

在特大跨度橋梁運營階段健康狀態(tài)的監(jiān)測中，橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀況的不利改變情況是危害橋梁結(jié)構(gòu)安全的主要因素，因此，狀態(tài)識別子系統(tǒng)是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心。

橋梁內(nèi)力狀態(tài)識別的中心任務(wù)是將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息轉(zhuǎn)化為反映結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的信息，在此基礎(chǔ)上對安全狀態(tài)信息進行綜合評價即可獲得結(jié)構(gòu)在特定時刻的安全程度及其健康狀況，為橋梁結(jié)構(gòu)的運營及維護決策提供科學(xué)依據(jù)。

一、內(nèi)力狀態(tài)識別的理論與方法

現(xiàn)有結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)識別方法本身可分為局部方法和整體方法，按照狀態(tài)識別所需特征量是否依賴結(jié)構(gòu)模型，可分為有模型方法和無模型方法；從識別策略上又可分為無反演的識別方法、有反演的識別方法以及混合型識別方法。本文從識別策略的角度入手對有模型斜拉橋進行整體狀態(tài)識別研究。

狀態(tài)識別的基本原理是：結(jié)構(gòu)的響應(yīng)(固有頻率、模態(tài)振型、應(yīng)變、位移以及相應(yīng)的派生信息)是結(jié)構(gòu)物理特性(剛度、質(zhì)量、阻尼和邊界條件等)的函數(shù)，因而結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變會引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化，通過將觀測得到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與基準結(jié)構(gòu)響應(yīng)相比較，可以獲得結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的相關(guān)信息，進而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)識別。

當(dāng)前所采用的有反演的狀態(tài)識別方法主要以模型修正理論為基礎(chǔ)。模型修正源于有限元理論結(jié)果與試驗結(jié)果的差異，其基本思想是：利用結(jié)構(gòu)的實測響應(yīng)信息對初始有限元模型進行修正，得到的修正有限元模型能夠更好地反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。模型修正方法主要包括早期的矩陣型修正法和近年來提出的參數(shù)型修正法。具體到力學(xué)領(lǐng)域，參數(shù)型修正法即參數(shù)識別，是當(dāng)前模型修正最重要的研究領(lǐng)域之一。在已知研究對象模型結(jié)構(gòu)的情況下，采用試驗方法確定影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)的主要參數(shù)，稱為參數(shù)識別。模型修正與參數(shù)識別理論作為結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別的基礎(chǔ)本質(zhì)上是反問題，可以最終歸結(jié)為最優(yōu)化問題進行求解。

二、內(nèi)力狀態(tài)識別的實例驗證

(一)工程背景

本文的工程背景是一座獨塔單索面鋼箱梁斜拉橋，其跨徑布置為180+90+75m，橋面總寬31.6m，按雙向八車道布置。索塔為傾斜式混凝土橋塔，總高126.5m。主梁為單箱四室薄壁結(jié)構(gòu)，主梁全寬38.6m，梁高4.12m。全橋共12對斜拉索，呈不對稱布置，邊跨主梁的斜拉索集中布置在輔助墩附近，索距3m，主跨主梁上則均勻布置，標準索距12m，塔上索距4m。索塔和主梁的結(jié)合方式為塔梁固結(jié)。橋型布置如圖1所示：

(二)買施方粟

對于斜拉橋而言，斜拉索索力是其安全性最為重要的影響因素，索力確定后即可獲得結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)，從而為探明結(jié)構(gòu)極限承載力、結(jié)構(gòu)的適用性等重要信息，為結(jié)構(gòu)的整體安全性提供最為重要的依據(jù)。因此，本文通過主梁結(jié)點撓度來識別斜拉索索力，在此基礎(chǔ)上確定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)并將該狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估的基礎(chǔ)。

具體做法為：以斜拉橋成橋狀態(tài)的主梁主要結(jié)點(主梁錨固點)的豎向位移作為初始值，由于各種因素的作用，斜拉橋的內(nèi)力狀態(tài)發(fā)生改變后，所測得的主梁錨固點的豎向位移定為實測值。以主梁結(jié)點撓度(即位移實測值與初始值之差)的平方和為目標函數(shù)，通過軟件Ansys的優(yōu)化模塊進行索力優(yōu)化，可以識別出一組索力，進而得到一組對應(yīng)的全橋內(nèi)力狀態(tài)，以這種內(nèi)力狀態(tài)來反映真實的全橋內(nèi)力狀態(tài)。通過在不同位置加載外力的方法來模擬內(nèi)力狀態(tài)的改變，如圖2所示：

1、一號加載點位置為拉索s9與主梁的錨固處，施加一集中力F=1000kN，斜拉橋的內(nèi)力狀態(tài)將發(fā)生改變，根據(jù)主梁錨固點撓度的平方和最小化原則，通過索力優(yōu)化的方法可識別出一組全橋的內(nèi)力狀態(tài)，內(nèi)力狀態(tài)改變后的真實彎矩與識別得到的彎矩比較見表1：

一般取識別值與真實值的誤差水平限為10％。從表1可看出，通過反演識別出的彎矩圖，其主要控制斷面的彎矩值與真實值的相對誤差最大為4.4％；另外，圖3顯示，內(nèi)力狀態(tài)改變后的主梁撓度曲線真實值與識別值的形狀是比較吻合的，最大的誤差只有0.0035m。因此，通過反演識別出的這組全橋內(nèi)力狀態(tài)是可以比較正確地反映真實的全橋內(nèi)力狀態(tài)的。

2、二號加載點位置為拉索s4與主梁的錨固處，施加一集中力F=1000kN，用同樣的方法做反演分析，可識別得到一組全橋的內(nèi)力狀態(tài)，控制斷面的彎矩比較見表2：

表2顯示，控制斷面識別彎矩值與真實值相對誤差最大為2.9％，滿足10％的相對誤差限，圖4顯示，主梁撓度識別曲線與真實曲線比較吻合，最大誤差約為0.002m，因此，識別出的這組內(nèi)力狀態(tài)能夠比較正確地反映真實的全橋內(nèi)力狀態(tài)。

3、三號加載點位置為邊跨主梁的跨中，四號加載點位置為輔助跨主梁的跨中，用同樣的方法做反演分析，識別出的內(nèi)力狀態(tài)均能夠比較正確地反映真實的全橋內(nèi)力狀態(tài)。

三、結(jié)論

1、斜拉橋的內(nèi)力狀態(tài)可以通過調(diào)節(jié)索力的方法來調(diào)整，對本橋進行狀態(tài)識別計算的結(jié)果顯示，在測試噪聲水平為10％時，可以將內(nèi)力狀態(tài)識別誤差控制在誤差限以內(nèi)。因此，用位移識別索力的狀態(tài)識別方法是可行、有效的。

2、通過本文中采用的狀態(tài)識別技術(shù)，利用實橋中的主梁撓度測試結(jié)果，可以反演得到橋梁運營狀態(tài)中恒載內(nèi)力狀態(tài)的改變情況。根據(jù)恒載狀態(tài)下的內(nèi)力反演結(jié)果獲得當(dāng)前狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)的恒載內(nèi)力狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)活載的信息組合得到結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力，進而通過當(dāng)前應(yīng)力和結(jié)構(gòu)臨界應(yīng)力的對比可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)承載能力的評估。因此，橋梁狀態(tài)識別的意義在于為橋梁的狀態(tài)評估提供依據(jù)。