桥梁结构损伤检测及安全性评估

余利 姚鹏勋

摘要：近年来，随着我国交通运输事业的发展，桥梁的重要性越来越大，其通行能力、承载能力和结构安全是交通正常运行的关键，但由于交通量的增大、重型汽车的增加以及人类或自然环境影响，我国现役桥梁劣化程度严重，桥梁结构损伤检测和安全评估成了桥梁功能和安全的重要保证。本文介绍了目前国内外采用的桥梁结构损伤检测和安全性评估的主要方法，并总结了这些方法的使用现状和不足之处。

关键词：桥梁结构 损伤检测 安全性评估

引言

近年来，随着我国交通运输事业的发展，桥梁的重要性越来越大，其通行能力、承载能力和结构安全是交通正常运行的关键，但由于交通量的增大、重型汽车的增加以及人类或自然环境影响，我国现役桥梁劣化程度严重。对桥梁结构损伤进行检测和安全性评估，及早发现桥梁结构上的缺隐或损伤，对于保证桥梁的安全运行有着极为重要的实际意义。

一、桥梁损伤检测技术现状

为了掌握桥梁的技术状态，及时进行加固整修，确保桥梁运营安全，延长桥梁结构的使用寿命，防止交通安全事故的发生，目前全球各国都在积极开发桥梁结构损伤检测技术和安全性评估技术，包括振动测试法、冲击振动试验法、超场波检测法等多种桥梁结构损伤检测技术。在具体应用中，对既有桥梁进行损伤检测和安全性评估时，主要采用静力评估法和动力评估法两种方法。其中，静力评估法又称为荷载试验法，其基本思路是用等效于设计荷载的车辆荷载来对桥梁进行加载，以测量桥梁的应变和挠度等指标，同设计值进行比较，从而通过检验系数来对桥梁的状态进行评估。动力评估法是利用振动检测技术对桥梁结构损伤进行检测的方法，其基本思路是对结构模态参数进行检测，从结构模态参数的改变来判定桥梁结构是否存在损伤，并利用结构破坏前后动力学特性的变化来诊断出结构的损伤。

总的来说，近年来在桥梁损伤检测和安全性评估方面的研究，已经取得了极大的发展，但依然存在众多问题，究其主要原因，一方面是因为桥梁结构的复杂性和材料的多样性，其各个部分的应力状态、动力特性、刚度等差异较大，用单一的动力特性变化指标很难评估桥梁结构的整体状态。另一方面则是因为现有的检测及评估指标对环境因素的考虑不足，对于桥梁结构损伤后整体结构呈现的非线性特性把握不全面，无法全面或者正确的反映桥梁结构损伤的实际情况。此外，测量仪器的精度和效率也有待提高。

二、桥梁结构损伤检测方法

桥梁结构损伤检测通常分为局部检测和整体检测两类，局部检测是对桥梁重点部位进行细致的检测，主要是为了清楚结构局部的物理、力学、构造特性的实际状态。整体检测是从全局上把握桥梁结构的实际状态。

对于桥梁设计、施工和维修加固的质量和效果，可采用表观检测法进行检查，分析桥梁结构各部分的运行情况，分析出现结构损伤的原因。此外，还可以采用各种仪器，如X射线、超场波、显微镜、声学仪器、光学仪器等，对桥梁结构局部进行检测，这些设备价格昂贵，在检测前需要对损伤的部位有一定的了解。对于与桥梁承载能力有关的变形、挠度、应变、裂缝等结构的检测，则可以通过静载试验进行，包括静应变测量、静位移测量，通过实际测量得到的应变和位移推算出桥梁结构有关的内力值和挠度值，从检测得出的参数中分析得出结构的强度、刚度和抗裂性能。对于桥梁结构的动力性能，则需要通过动态检测的方法进行动态荷载试验，以判断桥梁运营状况和承载能力，比如通过动力放大系数确定车轴荷载对桥梁的动力作用，这種理论的根据来源于结构损伤必然导致结构参数的改变。

除了传统的检测技术外，随着计算机和网络技术的发展，近年来还发展出了一些新兴桥梁损伤检测技术，如基于GPRS技术的桥梁检测远程数据传输技术，可以迅速、安全的将桥梁结构检测数据远程传输，对桥梁结构运行状态进行远程监测。再如神经网络在桥梁检测技术中的应用，采用人工神经网络方法构造BP模型，与桥梁结构受力状态建立映射关系，仅需对部分桥索受力情况进行实地检测，便可得除其余桥索受力情况。此外，数字图像处理技术、光纤应变传感器测试系统等新兴技术，在桥梁结构损伤检测中都得到了极大的发展，有效的消除了检测盲区，降低了单点检测成本。

三、桥梁损伤识别方法

近年来，动力破损评估法是桥梁结构损伤识别上常用的方法，其中基于模态参数损伤识别方法在实际应用中被采用较为广泛。其主要损伤识别方法包括以下几类：

1.基于固有频率的损伤识别法

由于新材料、新技术在桥梁建设工程中的广泛应用，桥梁结构形状日趋复杂，在进行结构损伤和安全性评估时，有些位置不适合布置测试点进行检测，这种情况下基于模态振型的损伤识别方法很难适用，但采用基于固有频率的识别方法，却有着测试简单、方法成熟、精度高的优点，尤其是测试数据较长，进行多数据点频谱分析时，更可以得到较精确的频率分析，真实的反映出结构损伤引起的频率变化。实际测试中，一般仅需要对一两个测试点进行固有频率测试，即可得出结构多阶自振频率。

2.刚度和柔度矩阵法

桥梁结构损伤通常表现为桥梁结构刚度下降，所以采用刚度矩阵来判断结构的损伤，运用损伤结构与未损伤结构进行判断得出刚度差，从而来对结构损伤进行定位具有极大的可行性，这种方法对于桥梁结构大的损伤非常有效。但是，这种采取误差对比的方法来判断结构损伤的检测技术，需要包含足够多的振荡模型，尤其是对结构刚度矩阵影响较大的振荡模型。柔度矩阵法则通过测量结构低阶振型，根据高阶所占份量由于频率的增大而迅速减小的原理，准确的估计出结构的柔度矩阵变化。

3.灵敏度结构损伤识别法

利用灵敏度检测桥梁结构损伤，首先需要得到桥梁结构的模态参数或者在动力响应时结构物理参数的灵敏度矩阵，再对结构损伤前后的模态参数变化或者动力响应结构物理参数的变化，来判断桥梁结构损伤。目前常用的灵敏度结构损伤识别法， 有实验灵敏度识别法、解释灵敏度识别法、特征参数灵敏度分析法、噪声灵敏度分析法、水平灵敏度分析法、正交关系灵敏度分析法等。各种基于灵敏度的结构损伤识别方法， 其主要的区别在于形成灵敏度矩阵的方法上。

4.小波变换法

小波变换法可以看作是傅里叶变换法的扩展，采取可调整的视频窗口，以“可变焦”性能对局部信号进行多尺度刻画，其实质是对结构损伤的原始信号进行滤波处理，这种技术在损伤识别上有着极大的优势。可以根据结构损伤的动力特性进行分析，以动力响应信号作为结构损伤的原始数据，进行有效的分析的判断。

5.桥梁结构安全性评估

桥梁结构安全性评估一般分为初步评估和详细评估两个层次，初步评估主要用于桥梁安全性程度的评测，以根据桥梁重要性程度决定是否进行详细评估。初步评估主要是对桥梁耐震、耐荷、耐冲刷能力进行评测。详细评估则是根据桥梁实际情况，结合相关设计规范，对桥梁结构进宪详细分析以计算出桥梁的耐震和耐荷能力，最终评测桥梁安全性程度。

参考文献

[1] 史家钧，《基于可靠性的桥梁评估方法》[J]，山西建筑，2005

[2] 董聪，《基于动力特性的结构损伤定位方法》[J]，力学与实践，2000