斜拉桥的内力状态识别技术研究

李　悄

摘要：文章以一座独塔钢箱梁单索面斜拉桥为工程背景，利用有限元软件Ansys对斜拉桥的内力状态识别技术进行了研究。通过分析计算显示，斜拉桥的内力状态可以通过调节索力的方法来调整，并且在测试噪声水平为10％时，可以将内力状态识别误差控制在误差限以内。因此，用位移识别索力的状态识别方法是可行、有效的。

关键词：ANSYS；斜拉桥；状态识别；内力；挠度

中图分类号：U441

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)17－0007-02

社会进步和土木工程技术的发展，使越来越多的大跨度桥梁得到了修建，虽然合理、保守的设计是结构安全的根本保证，但是限于当前对大型复杂结构的认识程度，人们时许多不定时的或不可确定因素并不都能进行有效控制或预测，为了确保设计的使用安全性和耐久性达到预期的标准，时时了解桥梁“健康”状态是非常重要的，因此桥梁健康监测系统这项课题日益成为国内外桥梁学术界和工程界的研究热点。

在特大跨度桥梁运营阶段健康状态的监测中，桥梁结构的内力状况的不利改变情况是危害桥梁结构安全的主要因素，因此，状态识别子系统是桥梁结构健康监测系统的核心。

桥梁内力状态识别的中心任务是将数据采集系统获得的结构响应信息转化为反映结构安全状态的信息，在此基础上对安全状态信息进行综合评价即可获得结构在特定时刻的安全程度及其健康状况，为桥梁结构的运营及维护决策提供科学依据。

一、内力状态识别的理论与方法

现有结构内力状态识别方法本身可分为局部方法和整体方法，按照状态识别所需特征量是否依赖结构模型，可分为有模型方法和无模型方法；从识别策略上又可分为无反演的识别方法、有反演的识别方法以及混合型识别方法。本文从识别策略的角度入手对有模型斜拉桥进行整体状态识别研究。

状态识别的基本原理是：结构的响应(固有频率、模态振型、应变、位移以及相应的派生信息)是结构物理特性(刚度、质量、阻尼和边界条件等)的函数，因而结构参数的改变会引起结构响应的变化，通过将观测得到的结构响应与基准结构响应相比较，可以获得结构关键参数的相关信息，进而实现结构的状态识别。

当前所采用的有反演的状态识别方法主要以模型修正理论为基础。模型修正源于有限元理论结果与试验结果的差异，其基本思想是：利用结构的实测响应信息对初始有限元模型进行修正，得到的修正有限元模型能够更好地反映结构的力学行为。模型修正方法主要包括早期的矩阵型修正法和近年来提出的参数型修正法。具体到力学领域，参数型修正法即参数识别，是当前模型修正最重要的研究领域之一。在已知研究对象模型结构的情况下，采用试验方法确定影响结构响应的主要参数，称为参数识别。模型修正与参数识别理论作为结构状态识别的基础本质上是反问题，可以最终归结为最优化问题进行求解。

二、内力状态识别的实例验证

(一)工程背景

本文的工程背景是一座独塔单索面钢箱梁斜拉桥，其跨径布置为180+90+75m，桥面总宽31.6m，按双向八车道布置。索塔为倾斜式混凝土桥塔，总高126.5m。主梁为单箱四室薄壁结构，主梁全宽38.6m，梁高4.12m。全桥共12对斜拉索，呈不对称布置，边跨主梁的斜拉索集中布置在辅助墩附近，索距3m，主跨主梁上则均匀布置，标准索距12m，塔上索距4m。索塔和主梁的结合方式为塔梁固结。桥型布置如图1所示：

(二)买施方粟

对于斜拉桥而言，斜拉索索力是其安全性最为重要的影响因素，索力确定后即可获得结构的内力状态，从而为探明结构极限承载力、结构的适用性等重要信息，为结构的整体安全性提供最为重要的依据。因此，本文通过主梁结点挠度来识别斜拉索索力，在此基础上确定结构的内力状态并将该状态作为结构状态评估的基础。

具体做法为：以斜拉桥成桥状态的主梁主要结点(主梁锚固点)的竖向位移作为初始值，由于各种因素的作用，斜拉桥的内力状态发生改变后，所测得的主梁锚固点的竖向位移定为实测值。以主梁结点挠度(即位移实测值与初始值之差)的平方和为目标函数，通过软件Ansys的优化模块进行索力优化，可以识别出一组索力，进而得到一组对应的全桥内力状态，以这种内力状态来反映真实的全桥内力状态。通过在不同位置加载外力的方法来模拟内力状态的改变，如图2所示：

1、一号加载点位置为拉索s9与主梁的锚固处，施加一集中力F=1000kN，斜拉桥的内力状态将发生改变，根据主梁锚固点挠度的平方和最小化原则，通过索力优化的方法可识别出一组全桥的内力状态，内力状态改变后的真实弯矩与识别得到的弯矩比较见表1：

一般取识别值与真实值的误差水平限为10％。从表1可看出，通过反演识别出的弯矩图，其主要控制断面的弯矩值与真实值的相对误差最大为4.4％；另外，图3显示，内力状态改变后的主梁挠度曲线真实值与识别值的形状是比较吻合的，最大的误差只有0.0035m。因此，通过反演识别出的这组全桥内力状态是可以比较正确地反映真实的全桥内力状态的。

2、二号加载点位置为拉索s4与主梁的锚固处，施加一集中力F=1000kN，用同样的方法做反演分析，可识别得到一组全桥的内力状态，控制断面的弯矩比较见表2：

表2显示，控制断面识别弯矩值与真实值相对误差最大为2.9％，满足10％的相对误差限，图4显示，主梁挠度识别曲线与真实曲线比较吻合，最大误差约为0.002m，因此，识别出的这组内力状态能够比较正确地反映真实的全桥内力状态。

3、三号加载点位置为边跨主梁的跨中，四号加载点位置为辅助跨主梁的跨中，用同样的方法做反演分析，识别出的内力状态均能够比较正确地反映真实的全桥内力状态。

三、结论

1、斜拉桥的内力状态可以通过调节索力的方法来调整，对本桥进行状态识别计算的结果显示，在测试噪声水平为10％时，可以将内力状态识别误差控制在误差限以内。因此，用位移识别索力的状态识别方法是可行、有效的。

2、通过本文中采用的状态识别技术，利用实桥中的主梁挠度测试结果，可以反演得到桥梁运营状态中恒载内力状态的改变情况。根据恒载状态下的内力反演结果获得当前状态下的结构的恒载内力状态，在此基础上根据活载的信息组合得到结构的名义应力，进而通过当前应力和结构临界应力的对比可以实现对结构承载能力的评估。因此，桥梁状态识别的意义在于为桥梁的状态评估提供依据。