橋梁檢測中結構性能的評價研究
2010-09-16 來源：網絡
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現橋梁的安全隱患，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。目前我國的《公路養護技術規范》中規定：“橋涵構造應按規定進行檢查，以便系統地掌握技術狀況，及時發現缺損，采取相應的養護措施。”并且要求定期檢查。由于人工神經網絡方法的引入，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和使用能力的試驗。通過這些與橋梁工作性能有關的參數，可以分析得出結構的強度、剛度及抗裂性能，據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。根據靜態應變值，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，要測量豎向靜態位移量（梁的撓度）、水平靜態位移量（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的一個重要指標。
1.2 動態檢測方法
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）引發共振造成事故，這是動力檢測的主要目的。
2.現有橋梁的評估方法
我國現在采用的依舊是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、現狀檢查、材質與地基的檢驗等），然后結合現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，經過廣泛的調查研究確定出各項對應的系數，從而折算出橋梁安全承載力。這種計算充分挖掘現有橋梁的承載潛力，而對現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。橋梁的模態參數是整個結構振動系統的基本特性，它是進行結構動力分析所需的參數，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。傳感器測點的布置根據不同的結構形式，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
橋規中定義沖擊系數為μ沖擊力與汽車荷載之比。對于線彈性狀態下的結構來說，動荷載產生的荷載效應與靜荷載產生的荷載效應之比即為1+μ。因此，沖擊系數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.基于人工神經網絡的橋梁結構狀況評估
現實中橋梁處于一個復雜的動態系統中，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，而人工神經網絡方法卻能實現從輸入參數到輸出參數之間的非線性映射，非常適合于非線性很強的混凝土橋梁結構損傷診斷。
4.1 人工神經網絡
人工神經網絡（Artificial Neural Networks，ANN），一種模仿動物神經網絡行為特征，進行分布式并行信息處理的算法數學模型。這種網絡依靠系統的復雜程度，通過調整內部大量節點之間相互連接的關系，從而達到處理信息的目的。
人工神經網絡是并行分布式系統，采用了與傳統人工智能和信息處理技術完全不同的機理，克服了傳統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。
神經網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（剛度、阻尼和內部荷載）的改變。利用數值求解法（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參數，以結構的缺陷作為輸出參數，利用神經網絡具有很強的自組織、自學習和自適應能力的特點，通過一定數量的訓練樣本讓網絡學習，神經網絡會記住這些知識，實現從輸入參數（如結構頻率向量等）到輸出參數（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在常用于損傷診斷的網絡模型有BP網絡模型、對偶傳播神經網絡、徑向基函數（RBF）神經網絡和模糊神經網絡等。
4.2 結構等級評估輸入參數
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，允許在規定范圍內帶裂縫工作，但是裂縫的產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，內部混凝土出現疲勞，產生了塑性變形，大大降低了橋梁剛度。
4.3 結構等級評估輸出參數
通過人工神經網絡系統的反復訓練，可以輸出Y值，根據《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體現不同的破損程度，數值越小，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網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進行了研究，并且取得了一定研究成果。相信人工神經網絡在橋梁結構的檢測評估方面將有很好的發展前景，而且也將為特大橋梁的實時監測提供可能。
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