橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與評定
2015-07-02
1.橋梁健康監(jiān)測的現(xiàn)狀
橋梁是國家交通運輸體系中的重要組成部分，大型橋梁的興建對地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展往往具有重要意義。建國以來已經(jīng)修建了數(shù)量眾多、規(guī)模各異的橋梁，這些橋梁往往都成為交通網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵部分。一旦發(fā)生橋梁損毀事故，造成的后果往往都比較嚴(yán)重。橋梁健康狀況的監(jiān)測可以對橋梁的運行狀況做及時的了解和預(yù)測，對于預(yù)防橋梁損毀事故顯得尤為重要。從當(dāng)前橋梁健康監(jiān)測的目的來看，主要可以分為兩類，一是出于對橋梁運行狀況的實時掌握，二是通過對橋梁各種變形數(shù)據(jù)的監(jiān)測來進一步的掌握新型橋梁的設(shè)計理念。這兩類橋梁監(jiān)測目的都需要依賴于一定的硬件和軟件系統(tǒng)來完成。一般而言，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)由四個主要部分組成：傳感器、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)、安全評估系統(tǒng)，分別實現(xiàn)從橋梁運行實時數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理和評估。國內(nèi)對橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的研究相對較晚，因此對橋梁健康監(jiān)測這四個基本系統(tǒng)的研究還并不普及。在20世紀(jì)90年代啟動對橋梁的健康監(jiān)測以來，監(jiān)測系統(tǒng)大多設(shè)置在大型橋梁上，對普通橋梁的健康監(jiān)測還不夠完善。其中最重要的是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)的分析方法上的研究不夠深入，對橋梁健康狀況的評估方法不夠完善。因此本文將就橋梁健康狀況的評估方法展開討論。
2.橋梁健康狀況的評估方法
在組成橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的四個主要部分中，前面三個都是數(shù)據(jù)采集和初步的處理，關(guān)鍵是第四部分，即對這些實測數(shù)據(jù)的使用，也就是對橋梁健康狀況的綜合評估。這是當(dāng)前橋梁研究的難點問題之一。
2.1橋梁健康基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的計算方法
橋梁健康狀況評估的基本思路是將實測數(shù)據(jù)與橋梁的健康基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行對比分析，類似于人體健康體檢。而橋梁健康基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的獲取也是一個值得深入研究的問題，目前較為普遍的方法是采用有限元法進行模擬，模擬方法主要有以下三種形式：
2.1.1設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)模型
這類方法是以橋梁設(shè)計時的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，以設(shè)計圖紙所提供的基本參數(shù)來建立有限元模型，通過模擬計算來得到橋梁各關(guān)鍵部位上的基準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)，這類模擬方法所得到的橋梁健康基準(zhǔn)數(shù)據(jù)較為理想化。
2.1.2竣工基準(zhǔn)模型
這類模型考慮到橋梁設(shè)計圖紙和實際施工之間的差異，因此以橋梁在竣工后的實際數(shù)據(jù)來作為有限元模擬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而得到橋梁健康基準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)。
2.1.3動態(tài)基準(zhǔn)模型
這類模型的思路是以橋梁近期的安全狀況數(shù)據(jù)作為監(jiān)測橋梁當(dāng)前健康狀況評估的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在獲得了橋梁健康基準(zhǔn)數(shù)據(jù)后，經(jīng)過一定的方法來對比分析橋梁實時監(jiān)測數(shù)據(jù)便可進行橋梁的健康狀況評定。
2.2橋梁健康狀況的綜合評定方法
在獲得橋梁健康的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)后，便可通過一定的方法來實現(xiàn)對橋梁健康狀況的評定。評定方法主要以所采用的數(shù)學(xué)模型的差異來劃分，主要有以下4種主要的評定方法：①模糊綜合評定法 這類評定方法利用實測數(shù)據(jù)和專業(yè)人員的經(jīng)驗，將數(shù)據(jù)進行模糊化的處理，利用模糊評判方法綜合考慮橋梁運行中的不確定因素，從而得出橋梁的健康狀況評定結(jié)果；②灰關(guān)聯(lián)評價方法 這種綜合評價方法認(rèn)為橋梁的實測數(shù)據(jù)具有灰色性，部分信息已知而部分信息未知，利用灰色系統(tǒng)理論來綜合評判數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的橋梁運行數(shù)據(jù)；③神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理法 這類方法利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理機制來對橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)進行推理和評判；④德爾菲法 這類方法是利用專家預(yù)測的方式，經(jīng)過若干輪次的數(shù)據(jù)反饋和專家分析，最終得到較為統(tǒng)一的評判結(jié)果。
本文將在上述幾類評判方法的基礎(chǔ)上研究一種基于靜力識別的統(tǒng)計對比診斷的橋梁健康狀況評定方法。
3.橋梁健康狀況的統(tǒng)計對比診斷法研究
3.1基本原理
橋梁在投入使用后的健康狀況和設(shè)計水平有關(guān)，也和運行環(huán)境有關(guān)。設(shè)計時的條件和實際運行中的條件構(gòu)成了一組基本的對比關(guān)系。統(tǒng)計對比診斷法的原理就是以這種基本的對比關(guān)系為基礎(chǔ)，具體實施步驟如下：①統(tǒng)計橋梁在正常使用中的健康狀態(tài)運行數(shù)據(jù)，重點收集橋梁在運行中的環(huán)境因素和橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)標(biāo)量之間的數(shù)據(jù)樣本；②通過對監(jiān)測系統(tǒng)收集到的橋梁運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，建立起橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)變量和環(huán)境因素之間的函數(shù)關(guān)系；③利用步驟2建立的函數(shù)關(guān)系，將橋梁實際運行中的得到的環(huán)境變量作為輸入，通過函數(shù)關(guān)系的計算得到橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)量預(yù)測值；④計算橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測值與實測值之間的差值；⑤通過分析差值與診斷標(biāo)準(zhǔn)之間的差異來評判橋梁的健康狀況。
3.2模型的建立
3.2.1橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)量與因變量之間的函數(shù)關(guān)系
橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)量取以下幾類：結(jié)構(gòu)應(yīng)變值、結(jié)構(gòu)撓度、橋梁支座位移量和橋梁自振頻率。因變量取以下兩類：橋梁荷載、環(huán)境溫度、濕度等。設(shè)橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)量與因變量之間的預(yù)測函數(shù)關(guān)系為R=f(x,y,…z)，R為橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)量，x,y,…z為因變量。由該函數(shù)關(guān)系可見，這是一個多因多果的對應(yīng)關(guān)系，因此可以在大量實測數(shù)據(jù)的的基礎(chǔ)上利用多元統(tǒng)計分析原理來建立起函數(shù)關(guān)系，本文中采用最小二乘法來進行這些因素之間的多元回歸統(tǒng)計分析的計算。
3.2.2評估方法
在完成第一步所需的預(yù)測函數(shù)后，將實測的因變量帶入該函數(shù)中，分別計算橋梁各結(jié)構(gòu)響應(yīng)量的函數(shù)預(yù)測值，再將預(yù)測值與橋梁結(jié)構(gòu)的實測響應(yīng)量進行統(tǒng)計對比分析，設(shè)橋梁各結(jié)構(gòu)響應(yīng)量的函數(shù)預(yù)測值為X’，橋梁結(jié)構(gòu)的實測響應(yīng)量為X，允許偏差的臨界值為ε1,ε2，且有ε1＜ε2，則可根據(jù)預(yù)測值與實測值之間的差異來評判橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況，分為以下3種基本的情形：①X’-X≤ε1說明預(yù)測值與實測值之間的差異在允許范圍之內(nèi)，橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況理想；②ε1＜X’-X≤ε2說明預(yù)測值與實測值之間的差異大于理想狀況是允許誤差，但仍然在正常運行范圍之內(nèi)；③X’-X＞ε2說明預(yù)測值與實測值之間的差異較大，已經(jīng)超出了允許的范圍，應(yīng)當(dāng)對橋梁健康狀況進行實地結(jié)構(gòu)檢查來確定橋梁運行的狀況。
由此可見，臨界值ε1,ε2的物理意義是橋梁結(jié)構(gòu)運行健康狀況的分級報警臨界值。因此應(yīng)用統(tǒng)計對比方法來評判橋梁的健康狀況的關(guān)鍵是合理確定這兩類臨界值。在確定這兩類臨界值時按如下方法進行：①ε1借鑒鐵路橋梁相關(guān)規(guī)范中的“通常值”的概念，以對橋梁建成后處于完好狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)為依據(jù)，并通過與結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測函數(shù)的輸出值之間的數(shù)據(jù)分析做對比綜合確定ε1；②ε2從定義中可以看出ε2是一類安全預(yù)警的臨界值。因此在確定ε2時主要考慮國家相關(guān)規(guī)范中對橋梁結(jié)構(gòu)各部分在荷載下安全閾值，如結(jié)構(gòu)的容許應(yīng)力、容許撓度、最大振幅等。相對于ε1的確定方法，ε2的確定更為復(fù)雜。由于ε2表征的是橋梁即將進入危險狀況下的臨界值，而何種狀態(tài)屬于危險狀況需要多方綜合評定，因此ε2的確定和國家規(guī)范、技術(shù)經(jīng)濟等因素都有關(guān)系，要綜合考慮后才能確定。根據(jù)筆者經(jīng)驗和橋梁健康監(jiān)測和評定的實際需要，建議以國家規(guī)范為基礎(chǔ)，結(jié)合橋梁的設(shè)計資料，對橋梁在完全健康狀況下做動載和靜載分析后的數(shù)據(jù)來綜合確定ε2。
