桥梁结构损伤识别评价应用技术研究

郭训如

（河南省濮阳市农村公路管理处，河南 濮阳 457000）

随着桥梁在交通运输中占据日益重要的地位，桥梁设计理论和施工技术的不断进步使得桥梁跨度不断有新的突破，结构形式也日趋复杂。但是，目前中、老龄桥梁在国内陆路交通网络中占相当的比重，随着桥龄的增长，由于环境、气候等自然因素的作用、日益增加的交通量及重车、超重车过桥数量的不断增加和人为事故等因素，不少桥梁已出现严重的功能退化情况。而建造和维护大型桥梁需要耗费大量的人力、物力和财力，滞后于桥梁建设与发展的综合监测及评估手段，使桥梁管理层和决策层无法对其整体使用性能做出客观准确的评估，因此也无法采用低成本、高效益的维修养护方法。在这种形势下，建立与之相适应相匹配的桥梁综合监测与评估系统成为桥梁界研究的热点之一，具有极为重要的意义。

1 国内外桥梁安全识别与评价研究概况

针对不同类型的新旧桥梁损伤和老化现象，国内外桥梁研究人员提出了各种各样的损伤检测技术。大体上说，主要分为3类。

1.1 基于静载试验的桥梁损伤识别评价技术

基于静载试验的桥梁结构整体损伤识别是在桥梁停止使用的状态下对桥梁进行静载试验，量测与桥梁结构性能有关的静力参数，如桥梁在静载下的变形、挠度、应变、裂缝等。通过分析这些参数，可直接判定全桥静承载能力，并得出结构的强度、刚度及抗裂性能。在桥梁结构的试验中，基于静载测试的桥梁结构分析方法是主要的和基本的方法，也是目前对桥梁结构性能的比较直观、可靠的检测方法，在我国已经有成熟的方法和标准。

1.2 基于动载试验的桥梁损伤识别评价技术

基于动载测试的桥梁结构整体损伤识别是对桥梁结构进行动力荷载试验，利用结构的动力性能作为判断桥梁运营状况和承载力的依据。该方法是对待测系统进行激励，通过振动测试、数据采集、信号分析与处理，由系统的输入和输出确定结构的力学特性，根据结构系统的动力特性来识别损伤。

1.2.1 基于结构固有振动频率的损伤识别方法

在动力参数中，固有频率是比较容易获得的一个参数，识别精度高，因此是损伤中应用比较广泛的模态参数。由结构动力特征方程可知，频率是结构整体刚度与整体质量的函数，是一个整体量。结构某个构件或某一部分发生损伤都会造成结构质量和刚度减小，引起频率变化。因此可用固有频率的变化来确定结构的损伤。目前，利用结构固有频率的变化进行损伤识别的方法有很多。

1.2.2 基于结构振型的损伤识别方法

由于振型包含较多的损伤信息，且模态振型的变化对损伤较为敏感，因此可用振型来确定结构的损伤。很多学者从振型的基础上提取出许多模态参数，如MAC和COMAC，MSF、曲率模态等。

模态比例因子（MSF）判别法：

式（1）表示振型相关图的最佳直线的斜率。当模态对应关系不知道时，可用坐标模态因子对其进行分析。当MSF接近于0时，说明损伤前后的模态不相关，即结构中有损伤，当MSF接近于1时，说明损伤前后的模态相关性好，即结构中无损伤。

曲率模态判别法：

曲率模态与梁截面的弯曲刚度有关，梁在某点的曲率vi=M/EI，损伤减小截面刚度，增加损伤截面的曲率。计算模态时，通过位移中心差分可得曲率模态振型。曲率模态振型对损伤很敏感，因此用来识别损伤。计算公式如下：

式（2）中yi为i点的位移；h为测点间距。

振型变化图形判别法：

以振型相对变化量作为定位参数，即损伤前后振型的差值与损伤前振型的比值。当发生损伤时，受到影响的自由度上的振型相对变化量在损伤区域内就会出现较大的值，所以可以用来识别损伤位置。

1.2.3 基于刚度和柔度矩阵的结构损伤识别方法

在进行结构损伤诊断时，由于损伤多表现为刚度的下降，很自然地想到要利用刚度矩阵来判断结构损伤。Park和Lee运用损伤结构与未损伤结构之间的刚度误差来定位损伤，对于大的损伤，此方法非常有效。但Gysin认为损伤刚度矩阵法只有在包含了足够多的振型，尤其是包含了那些对结构刚度矩阵影响较大的振型时，此方法才有效。

柔度矩阵与刚度矩阵是互逆的，利用柔度矩阵与刚度矩阵的互逆性，根据振动理论，可得到以下表达式：

式中：F：结构的柔度矩阵；

φi：振型矩阵的列向量；

λi：对角矩阵Λ的元素，即固有频率的平方；

n：结构的自由度数。

可以看出，柔度矩阵F的元素反比于固有频率的平方，即低阶振动的模态和频率信息在F中所占的影响成分很大，实际应用中，一般只能测得结构最低的几阶模态与频率，以此来近似得出实际的柔度矩阵。

1.2.4 基于结构位移和应变类参数损伤识别方法

根据结构动力学理论可知：当结构出现损伤，损伤附近区域将产生较显著的应力重分布，结构的位移响应将发生改变，应变是位移的一阶导数，根据损伤前后位移和应变模态，就可判断损伤的位置。

2 桥梁结构安全监测与评价技术存在的问题

通过研究现状的阐述，当前结构损伤识别存在的主要问题有：

（1）现役公路桥梁上存在着大量的中小跨径梁桥，采用传统荷载试验的方式进行检测和评估费时又费力，有关部门难以对桥梁的养护、维修、加固、监测进行有效的科学管理，使得大量公路桥梁的健康检测受到限制、拖延，乃至忽略。

（2）缺少通用的损伤量化指标。目前提出的损伤指标一般只能进行损伤的识别与定位，而无法进行损伤程度的标定。

（3）建模误差及测量误差问题。测量噪声和模型误差在损伤检测过程中是不可避免的，它们对损伤检测的结果会产生严重的影响，如何较好地将这些不确定性的因素与确定性的损伤诊断有机地结合起来，是解决该问题的关键。

3 课题研究的主要内容

文章结合目前桥梁工程检测的若干问题，在已有的研究成果上，进行简支梁桥几何变形分析，探讨其结构截面、开裂曲率与挠曲变形的关系；应用有限元软件ANSYS分析验证试验检测的挠度可靠性。课题主要研究内容如下：

（1）收集分析桥梁安全识别与评价技术现状、桥梁检测测量的内容，总结现有桥梁结构安全监测与评价技术存在的问题。

（2）建立桥梁检测测量控制网，采用全站仪观测桥梁变形，取得详细的桥梁变形基础数据。

（3）对监测数据进行相关性分析，验证数据的可靠性。

（4）进行简支梁桥几何变形分析，找出其结构截面、开裂曲率与挠曲变形的关系；并应用有限元软件ANSYS分析验证试验检测的挠度可靠性。

（5）分析结构振动频率的改变来进行损伤识别的原理，提出利用结构动态振频方程进行桥梁评价的方法。