桥梁运营阶段状态评估方法概述

2020-01-05李杨

科学技术创新 2020年23期

李杨

（重庆交通大学，重庆400000）

桥梁结构状态评估方法经历了从最初由专家综合评估、基于可靠度评估到目前的健康监测实时评估及寿命预测等阶段。根据各评估方法的理论基础，桥梁结构的状态评估方法大致可以分为以下两类：基于结构可靠度理论以及基于专家经验的相关方法。通过对这些方法的探讨，可以发现目前桥梁状态评估领域存在的一些问题。

1 基于可靠度理论的方法

国内外以结构可靠度理论为基础，并结合概率论与数理统计理论，制定了相关的工程结构设计规范。基于可靠度理论的桥梁状态评估方法也可细分为以下两种：一是，标准规范所给出的承载力评定准则及荷载试验等；二是，利用海量监测信息，然后借助相应的数学手段进行桥梁结构的状态评价。

1.1 规范中的评定方法

在1988 年，我国颁布了《公路旧桥承载能力鉴定方法（试行）》[1]（以下简称旧规范），该方法主要根据我国各省市既有桥梁的承载能力鉴定工作的工程实践经验和相关规范编制而成。该鉴定方法以桥涵设计规范中的极限状态设计表达式为基础，通过资料收集、现状调查，考虑旧桥检算系数来进行桥梁的承载能力鉴定。但是此办法仅仅适用于梁桥和拱桥的承载力评定。为了尽可能的应用到桥梁定期检测结果，使桥梁承载能力评定具有客观性，我国于2011 年颁布了《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）[2]，以下简称新规范。

新规范增加了劣化信息的检测内容（即桥梁材质状况与状态参数的检测评定），通过引入分项检算系数（包括截面折减系数、抗力恶化系数等）修正极限状态设计表达式来进行检算评定，并且适用范围扩宽到除钢- 混凝土组（混）合梁外的所有桥型，但是钢结构、拉吊索承载能力评定所采用的检算系数还是由经验确定。

当作用效应与抗力效应的比值超过一定限值之后，应按相关规程进行荷载试验。桥梁荷载试验的目的是通过现场加载试验，记录桥梁在试验荷载作用下的结构静动力响应，为桥梁结构技术状况及承载能力评定和后期养护、维修、加固的决策提供科学依据和支持。荷载试验主要是通过在试验桥跨控制截面施加与设计荷载相当的试验荷载（由荷载试验效率衡量），测量控制截面在试验荷载作用下的静动力响应，然后与理论计算的结果对比，计算应变、挠度校验系数，评判桥梁结构的承载能力及动力特性。校验系数是评定的核心，但其取值的经验性很大。对于不同桥型，校验系数取值不同，即使是同一桥型，其取值的波动性也很大，且目前规范中仅仅给出了板桥、梁桥、圬工拱桥等常规桥型的校验系数。

1.2 基于健康监测的评定方法

大跨桥梁运营环境恶劣，影响结构性能的因素众多，单靠桥梁定期检查，并结合规范进行状态评估是不够的。国外学者很早就开始构思并着手研发桥梁实时监测装置，力求对桥梁结构进行整体行为的实时监控和结构状态的智能化评估。利用桥梁健康检测信息可实现如下目的，即结构诊断与损伤识别、结构状态评估，进而做出剩余寿命预测。

1.2.1 蒙特卡罗数值模拟方法

蒙特卡罗数字模拟方法[3-4]的基本思路是：定义结构功能函数，利用计算软件按最能描述随机变量特性的某种分布方式产生足够多的随机数，即进行足够多的试验（假设为N 次），然后计算其中功能函数小于零的次数n，根据大数定理，则结构的失效概率可以估算为：n/N。此方法实际上是一种计算可靠度的方法，将它作为一种评估方法主要是由于其计算能力强、精度高，已成为目前计算可靠度的主流手段。

1.2.2 结构损伤识别方法

随运营时间增长，桥梁结构会产生相应损伤，并导致整体性能下降。通过健康监测数据，识别结构的损伤部位及程度，为结构整体实时状态评估提供参数修正是保持桥梁运营安全的重要手段。利用健康监测数据进行结构损伤识别主要有以下方法[5-6]：a.动力指纹分析

动力指纹分析法[7]的主要思想是找寻与结构动力特性相关的参数，分析结构损伤前后参数的变化，由此作出结构损伤与否的判断。

固有频率反应的是结构整体的响应，仅能判别损伤是否发生，而不能识别出损伤的位置及程度。振型变化虽能反应结构的局部特征，定位损伤，但其对测量精度要求极高，并且需要优化传感器的布置。能量变化和传递函数虽包含较多的损伤信息，但受测量误差的影响也很大，容易造成误判。

总的来说，动力指纹分析法简单直观，在一定程度上能定位损伤，但对定量损伤程度效果欠佳，往往需要结合遗传算法、神经网络等数学手段进行精准定位和定量。

b.模型修正法

模型修正法[8]的基本思想是选取与结构固有特性相关的参数，建立优化目标函数，使有限元模型的计算响应不断逼近实测响应，然后根据修正后模型的计算结果与未修正的差异来判别结构是否发生损伤，可分为：直接法、灵敏度方法、基于响应面的方法。

直接法修正结构的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵，使计算响应与实测响应相符。灵敏度法是通过对结构响应进行灵敏度分析，然后选择对结构响应影响较大的参数作为修正参数，以此修正有限元模型。基于响应面的方法[9]是利用回归分析技术，在参数的整个设计空间范围内以显式的响应面模型逼近响应参数与设计参数间复杂的隐式函数关系，然后在其基础上进行迭代修正。

c.模式匹配法

模式匹配法的基本思想是根据不同的损伤方案（不同损伤位置、不同损伤程度），建立结构响应参数与损伤状态之间的映射关系库，然后用实测的响应匹配结构最可能发生的损伤状态。该方法一般是通过神经网络算法进行实现。

d.无模型方法

无模型的识别方法无需建立结构模型，直接通过分析、比较结构振动的时程响应数据的差异性来进行结构损伤识别，从而减少了由建模和计算所带来的工作量，同时避免了由建模所带来的模型误差。但它过分依赖测量结果的准确性。测量误差、测量噪声等不确定因素会对识别结果产生很大影响。最关键的一点是，无模型的识别方法一般与结构本身的物理特性参数无直接联系，因而难以定量识别结果损伤。

总体来说，各个识别方法各有优劣之处，在实际应用时往往是相互结合、优势互补，以期得到精准的识别结果，常常还要辅以相应的数学手段以进行结构损伤定位、定量的精确识别，如遗传算法、小波分析、数据融合等。

1.2.3 剩余寿命预测方法

在进行了结构损伤识别后，一般需要根据结构的劣化信息预测结构剩余的使用寿命，以便做出结构是安全运营或是改造加固，还是拆除重建的最佳经济策略。主流的预测桥梁结构剩余使用寿命的方法基本上都是基于可靠度理论提出的。只不过由于钢结构的疲劳问题，其疲劳寿命的预测与混凝土结构有些许不同，可将这些方法大致分为两类：钢结构疲劳寿命预测方法和基于时变可靠度的混凝土桥梁剩余寿命预测方法。

a.钢结构疲劳寿命预测方法

疲劳寿命是指结构或构件在交变荷载作用下发生破坏所承受的荷载循环次数或持续时间。相关的预测方法主要有：基于疲劳曲线的预测方法和基于断裂力学的预测方法。

基于疲劳曲线的预测方被工程师们广泛采用。对于变幅疲劳，还需要联合疲劳累积损伤理论进行预测。

传统的疲劳曲线预测方法没有探究结构疲劳破坏的终极原因，即疲劳裂纹扩展到极限长度，因此预测结果较粗糙。断裂力学正好是研究裂纹生成与发展的一门学科，对于疲劳寿命的预测尤其适用。

c.基于时变可靠度理论的方法

该方法认为结构荷载效应与抗力效应的分布都是随时间变化的，那么结构的可靠度也是时间的函数。当结构可靠度达到规定的目标可靠度值时，相应的时间就是结构的使用寿命，则结构的剩余使用寿命就等于结构使用寿命与已使用年限的差值。该方法最核心的部分就是荷载及抗力效应时变规律的确定。由于不同材质、不同结构形式、不同养护手段桥梁的劣化效应不尽相同。在剩余寿命预测的基础上，为取得最佳经济效益和最大限度延长使用寿命而进行最优维修和加固时机的研究是目前比较活跃的一个方向。