朱翔雷，王明偉，李廣慧

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450046)

1 引 言

橋梁結(jié)構(gòu)在長期服役過程中，在各種因素作用下，往往會產(chǎn)生一定的損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗力大幅度的衰減，對交通安全產(chǎn)生嚴重影響；因此需要對橋梁結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測對其安全性進行評估，防止事故的發(fā)生。我國在大部分橋梁均安裝有健康監(jiān)測系統(tǒng)，如蔡家嘉陵江特大橋[1]、東江大橋[2]、南廣鐵路西江特大橋[3]、南京大勝關(guān)長江大橋[4]、青銀線濟南黃河大橋[5]。

常規(guī)的橋梁健康監(jiān)測，均是借助預(yù)埋在橋梁關(guān)鍵截面上的應(yīng)力計、應(yīng)變計或位移計，以關(guān)鍵斷面應(yīng)力或位移為監(jiān)測對象，通過采集到的橋梁結(jié)構(gòu)截面上的技術(shù)參數(shù)(應(yīng)力、應(yīng)變、位移)與設(shè)定參數(shù)閾值對比，來進行橋梁結(jié)構(gòu)使用性能或健康狀況的評價，但是這種橋梁使用性能評價方法有兩個致命的缺陷：

一是在橋梁關(guān)鍵截面預(yù)埋的應(yīng)力計等元件的壽命一般只有15年，服役壽命遠低于橋梁壽命(120年)；其次，對于高次超靜定的多跨連續(xù)橋梁來說，個別截面的應(yīng)力和變形超限或破壞未必會造成橋梁結(jié)構(gòu)體系的性能降低，也并不會影響整個橋梁結(jié)構(gòu)體系的健康或安全。正是這兩個明顯缺陷的存在，嚴重制約了常規(guī)橋梁健康監(jiān)控技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

基于振型的橋梁安全性評估是基于結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的整體評估方法[6]。橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼等物理參數(shù)與橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)存在著明確的對應(yīng)關(guān)系，模態(tài)參數(shù)反映了結(jié)構(gòu)固有的動力性能，若結(jié)構(gòu)發(fā)生了損傷，其物理參數(shù)必然會發(fā)生改變，物理參數(shù)的變化又會引起結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的改變。因此，通過對結(jié)構(gòu)物進行激振獲取模態(tài)參數(shù)的變化，可對橋梁的健康狀態(tài)進行評估?；诖耍疚慕⒂邢拊Ｐ瞳@取結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)的振型和頻率等模態(tài)參數(shù)，對橋梁現(xiàn)場采樣利用環(huán)境振動模態(tài)分析的方法獲取橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，并對橋梁進行外觀檢測。通過對比綜合評價橋梁安全狀況。

2 橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)健康監(jiān)測

橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)健康監(jiān)測主要是通過對橋梁振動的監(jiān)測得到橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的時間歷程，通過對數(shù)字信號的分析求得橋梁結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)，從而得到橋梁結(jié)構(gòu)的非參數(shù)模型，通過參數(shù)識別方法求得橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)、物理參數(shù)，根據(jù)長期觀測這些參數(shù)變化[8]，進而由這些變化判定結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。

2.1 結(jié)構(gòu)振動的模態(tài)分析基本理論

多自由度體系結(jié)構(gòu)的動力特征可用運動微分方程表示[9]：

(1)

若無外荷載作用則：

(2)

式(2)為自由振動，解此方程可得：n個自振頻率以及與之相應(yīng)的n個振型，則稱這一頻率與振型的組合為該結(jié)構(gòu)的動力模態(tài)。

由上知，結(jié)構(gòu)動力模態(tài)是結(jié)構(gòu)固有動力性能。結(jié)構(gòu)振動模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動力性能分析的一種手段。

2.2 實驗?zāi)B(tài)分析

多自由度系統(tǒng)頻響函數(shù)為一函數(shù)矩陣：

H(ω)中對角元素Hee(ω)表示僅在第e個物理坐標上施加單位激勵而引起該坐標的位移響應(yīng)。Hee(ω)稱為第e個物理坐標上的原點頻響函數(shù)或驅(qū)動點頻響函數(shù)。H(ω)中非對角元素Hef(ω)表示僅在第f個物理坐標上施加單位激勵而引起第e個物理坐標的位移響應(yīng)[10]。Hef(ω)稱為第e、f個物理坐標之間的跨點頻響函數(shù)[11]。

由于頻響函數(shù)可直接測得。從理論上講，對于具有相同自由度的系統(tǒng)，模態(tài)參數(shù)數(shù)量遠少于物理參數(shù)數(shù)量，因此辨識模態(tài)參數(shù)相對于辨識物理參數(shù)更加簡單。由此促進了結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗檢測技術(shù)的發(fā)展。

2.3 模態(tài)參數(shù)識別

根據(jù)體系振動響應(yīng)反求振動體系的模態(tài)參數(shù)、物理參數(shù)，即結(jié)構(gòu)動力方程求解的逆過程，是為參數(shù)識別。結(jié)構(gòu)振動參數(shù)識別屬于系統(tǒng)參數(shù)識別這一大課題的一分支，現(xiàn)代意義上的系統(tǒng)識別都是建立在最優(yōu)控制原則上的，按照一定的最優(yōu)控制準則和算法，使實驗數(shù)學(xué)模型和理論數(shù)學(xué)模型誤差最小，從而得到反映系統(tǒng)特性的最優(yōu)數(shù)學(xué)模型。結(jié)構(gòu)振動模態(tài)分析可在頻域、時域內(nèi)進行，因借助的數(shù)學(xué)手段不一樣，形成多種分析方法。

2.4 環(huán)境振動模態(tài)分析

借助參數(shù)識別方法的發(fā)展，傳統(tǒng)的試驗?zāi)B(tài)分析方法發(fā)展為工作模態(tài)分析。橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境擾動作用下亦會發(fā)生輕微的振動，其振幅雖小，但頻率振型仍很明確[12]，這種隨機振動可借高精度測振設(shè)備測得；利用環(huán)境激勵作復(fù)點響應(yīng)測量，即可測得運行狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)模態(tài)，對之作結(jié)構(gòu)模態(tài)分析稱為環(huán)境激勵模態(tài)分析。其最大優(yōu)點為無須停車，無須預(yù)埋件，無須現(xiàn)場操作。

2.5 結(jié)構(gòu)使用性能評價

與正常結(jié)構(gòu)比較，結(jié)構(gòu)受損傷后，其性能必會發(fā)生某些變化，根據(jù)這些變化，亦可判別結(jié)構(gòu)損傷，基于結(jié)構(gòu)動力性能檢測的結(jié)構(gòu)損傷判別，有如下判別方法：

(1)基于動力指紋的判別；

(2)基于小波變換的損傷診斷；

(3)基于人工智能的損傷判別。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人腦識別的網(wǎng)絡(luò)，以積累的結(jié)構(gòu)動力測試、損傷判斷、損傷處理為樣本，以結(jié)構(gòu)體系為分類依據(jù)，用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可編制結(jié)構(gòu)損傷診斷的人工智能搜索系統(tǒng)?；诃h(huán)境振動的橋梁使用性能評價方法主要是利用橋面上布置的加速度傳感器采集環(huán)境振動條件下的橋梁結(jié)構(gòu)振動信號，通過模式轉(zhuǎn)換分析給出橋梁的振動模態(tài)，對橋梁整體健康狀況做出科學(xué)合理的評價。

3 實例分析

3.1 項目概況

某橋梁為75m+135m+75m的波形鋼腹板PC組合箱梁橋，分上、下行兩幅。支點處梁高7.5米，跨中梁高3.5米，從支點到跨中箱梁下緣按1.8次拋物線變化。主梁采用單箱單室斷面，單幅箱梁頂板寬16.25m，箱梁底板寬9m，箱體寬度在國內(nèi)同類型橋梁中居領(lǐng)先地位，如圖1、圖2所示。為提高箱梁的抗扭剛度，同時滿足體外束轉(zhuǎn)向的需要，因此在邊跨設(shè)置四道橫隔板，中跨設(shè)置八道橫隔板，橫隔板間距9.6—17.6m。為了提高橋面板的橫向抗彎剛度，適當加厚了頂板厚度。橋梁共劃分節(jié)段68段，除0#塊外，其余節(jié)段長度分為3.2m和4.8m兩種。梁體建造采用支架現(xiàn)澆和掛籃懸澆的方式進行施工。

圖1 跨中截面圖

圖2 支點截面圖

3.2 橋跨主體結(jié)構(gòu)外觀檢測

3.2.1橋面系檢查

在右幅橋梁橋面系伸縮縫錨固區(qū)混凝土順向開裂30道，可見裂縫長度達0.4m，最大寬度達到0.3mm。止水帶開裂，長度達8.0m。左幅橋梁橋面系未發(fā)現(xiàn)明顯病害。

3.2.2上部結(jié)構(gòu)檢查

右幅橋梁上部結(jié)構(gòu)箱室鋼混結(jié)合處距墩3.4m，距底板1.4m處斜向裂縫1道，長1.4m，寬0.2mm。左幅橋梁：在距墩3.5m箱室內(nèi)鋼混結(jié)合處，出現(xiàn)長度達1.1m，寬度達0.2mm的橫向裂縫并在附近出現(xiàn)斜裂縫，長度達1.9m，最大寬度達到0.15mm(見圖3)。在梁板底跨中處距左側(cè)腹板1.1m處附近出現(xiàn)混凝土不密實，露筋，面積約為1.8m×0.4m(見圖4)。梁左側(cè)腹板距墩3.4m，距腹板底1.2m處出現(xiàn)斜向裂縫，長度達2.8m，寬度0.2mm；距墩1.4m，距腹板底1.0m處出現(xiàn)斜向45°裂縫1道，長1.5m，寬0.18mm。

3.2.3下部結(jié)構(gòu)檢查

左右幅橋梁下部結(jié)構(gòu)并未發(fā)現(xiàn)明顯的破損現(xiàn)象。

圖3 腹板斜裂縫

圖4 混凝土破損

3.3 基于環(huán)境振動的模態(tài)分析

3.3.1有限元模型建立

利用有限元軟件Midas/civil建立三維橋梁結(jié)構(gòu)模型，對結(jié)構(gòu)進行動力特性和地震反應(yīng)分析?？紤]相鄰結(jié)構(gòu)的耦聯(lián)作用，建立包括相鄰連續(xù)箱梁的三維有限元模型，如圖5所示。

圖5 橋梁有限元模型

3.3.2現(xiàn)場動態(tài)加速度測試

為提高大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的模態(tài)參數(shù)的模態(tài)分辨率，傳感器采用非均勻布置的方案。全橋共三跨，邊跨在跨中、中跨在四分點處設(shè)置加速度測點，共計5個加速度測點；采樣頻率為100Hz，采集時間為20min。對橋梁振動信號進行時域和頻域分析。該橋梁體實測自振頻率和理論頻率如表 1所示,測點布置如圖6所示。

圖6 測點布置圖

3.3.3振動模態(tài)分析

表1 結(jié)構(gòu)體系基本動力特征

圖7 橋梁振型圖

根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果表1、圖7所示：橋梁實測一階對稱豎向彎曲頻率為1.074Hz，計算值為0.76205Hz；橋梁一階反對稱豎向彎曲頻率為2.051Hz，計算值為1.2386Hz。阻尼比為6.592%；橋梁橫向?qū)ΨQ彎曲頻率為2.051Hz，阻尼比為6.853%。

3.4 使用性能評價

在橋梁外觀檢測中可以看到，雖然在伸縮縫錨固區(qū)出現(xiàn)開裂、部分混凝土不密實，鋼混結(jié)合處出現(xiàn)斜裂縫，但橋梁結(jié)構(gòu)的完整性強，橋梁的檢測振型和設(shè)計振型保持一致，橋梁實測一階頻率1.074Hz大于一階設(shè)計頻率0.76205Hz，二階頻率2.05Hz大于二階設(shè)計頻率1.2386Hz；結(jié)構(gòu)的豎向動力剛度滿足安全性要求，橋梁整體健康。

4 結(jié) 語

對于高次超靜定的多跨連續(xù)橋梁來說，個別截面的應(yīng)力和變形超限或破壞未必會造成橋梁結(jié)構(gòu)體系的性能降低，也并不會影響整個橋梁結(jié)構(gòu)體系的健康或安全。目前橋梁健康評價體系中難以反映局部損傷對結(jié)構(gòu)整體健康狀態(tài)的影響情況。本文提出基于環(huán)境振動的橋梁使用性能評價是基于結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的整體評價方法，通過外觀檢測和環(huán)境振動模態(tài)分析綜合評估橋梁健康狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)健康狀況的評估具有借鑒意義。