淺析橋梁結構系統研究和結構可靠性

阿布都克力木．卡馬力

摘要:本文用系統研究的思想來系統地理解橋梁結構的一些新領域。分析表明橋梁結構是一個要素和結構復雜、具有生存環境和結構功能的動力學系統。結構可靠性是許多國家開始研究在結構設計規范中的應用,使結構可靠性理論的應用進入一個新的時期。

關鍵詞:橋梁;結構;可靠性

1 橋架結構系統

橋梁是由多種材料、不同結構組合而成的復雜系統。橋梁結構系統的要素、結構、功能及環境的簡要示意圖。橋梁結構系統是橋梁工程大系統的一個子系統,不同的橋梁結構體系又構成各個更低層次的子系統。要素中的各種基本構件也構成一個層面上的系統,有其自身的要素、結構、功能和環境。

橋梁結構系統整體不等于部分之和。單個基本構件,比如單個梁構件,是無法實現跨越峽谷甚至海峽的目的的,而多個構件按照一定的構造規則組成懸索橋或斜拉橋就可以實現。結構系統的整體功能取決于構件單元、結構體系和環境狀況,其中起決定性的是系統的結構,通常只有大跨斜拉橋和懸索橋才能作為跨海大橋的候選橋型,對抗震性能要求較高的地區,應選用抗震性能較好的結構系統,如連續剛構、斜拉橋等,或對連續梁等橋型進行結構的改進,設計支座單元,達到減震目的。

耗散結構理論認為,在遠離平衡狀態的非平衡區內,在非線性的非平衡作用下系統演化方向是不確定的,系統的平衡可能失穩,發生突變,系統呈現出新的結構穩定狀態。這種結構是一種非平衡的結構,接受環境注入系統的負熵流才能穩定。橋梁的非線性行為同樣體現了這一思想,橋梁的失穩為系統突變所致,地震荷載作用下的橋梁系統的延性抗震性能也是結構非線性性能的體現。

2 橋架結構的系統研究思路

2.1 系統識別與健康監測

結構系統識別是通過試驗和計算機來實現對結構的建模。橋梁結構可以看作“灰箱”系統,處于一定環境中的橋梁結構,一定的輸入對應一定的輸出,通過對系統輸出和輸入的分析,可以實現對結構系統的判斷和識別。對這樣一個灰箱的識別首先應確立一個由梁整體監測的許多困難,對橋梁在使用年限內工作特性的變化缺乏全面深入的研究,難以建立客觀統一的橋梁狀態評估標準。所以整個技術的成功開發乃至系統目標的最終實現有賴于更好地結合系統自身的要素、結構和系統工作環境。

具體實現橋梁結構系統的健康監測與狀態評估,當前主要有以下幾方面的工作

針對系統輸出:開發和應用以無線通訊技術為手段的數據采集系統;開發能適用于交通荷載風荷載及定點測試荷載的傳感器最優布設技術;

針對系統輸入和輸出的反向分析:采用動態邊界子結構原理,開發以結構模型修正法為基礎的結構損傷識別技術;研究非線性結構模型的時域評估方法及系統識別技術;尋找更適合橋梁監測的新指紋;開發橋梁觀察與監測收據管理系統及決策專家系統;綜合良態建模技術,改善有限元模型修正方法;

系統分析的終端應用:根據觀察與監測的結果分析實橋的剩余承載能力;建立橋梁安全準則及能用于橋梁整個壽命過程經濟評價的估價模型。

2.2 系統控制

古典控制理論起源于本世紀20年代,主要以單變量線性定常系統為研究對象,以頻率法為主要方法研究控制系統的動態特性。50年代以來,逐漸出現了多變量系統、系統靈敏度分析、動態系統測試狀態空間方法和 Bellman動態規劃等現代控制理論方法。

在系統與控制理論中,主要研究動力學系統。橋梁結構在動力荷載作用下,表現為不確定性的隨機系統,其非線性行為受到越來越多的關注和研究。尤其在橋梁的抗震和抗風領域,近年來從傳統的抗震抗風設計思路發展到結構控制思想。目前的結構控制方式主要有被動控制、主動控制和混合控制,被動控制是通過支座、阻尼器等裝置來消耗輸入系統的外部環境能量;主動控制的基本思想是通過主動施加外部能量來抵消和消耗環境輸入能量,使偏高平衡狀態的系統在新的注入能量流作用下找到平衡。

3 橋梁結構可靠性理論研究現狀

長期以來,人們就廣泛采用“可靠性”這一概念來定性評價產品的質量。這種靠人們經驗評定其產品可靠、比較可靠、不可靠,沒有一個量的標準來衡量。

橋梁可靠性設計要解決的問題是在結構承受外荷載和結構抗力的統計特征已知的條件下,根據規定的目標可靠指標,選擇結構(構件)截面幾何參數,使結構在規定的時間內,在規定的條件下,保證其可靠度不低于預先給定的值。

可靠性的數量描述一般用可靠度。我國對結構可靠度的研究只限于理論方面,且側重于可靠度設計方面,對結構耐久性方面的研究,特別是對耐久性評估理論的研究還很落后。實際上對現有橋梁結構做出正確的可靠性評估,準確預測出其剩余壽命,才能保證結構在壽命延續期內的安全性,節省大量的維修加固資金。

我國在橋梁設計過程中,存在著考慮強度多而考慮耐久性少;重視強度極限狀態不重視使用極限狀態;重視橋梁結構的建造而忽視其檢測和維護,使結構安全性存在不同程度的隱患和缺陷。近幾年來,國內發生的幾起大橋坍塌或局部破壞事故在很大程度上是由于構件疲勞損壞(如結構開裂、變形過大等)所導致,從而嚴重影響橋梁結構的承載能力和使用性能。為了保證橋梁安全運營、延長其使用壽命以及提高橋梁的安全性和耐久性,減少早期橋梁病害,從而節約后期橋梁的維修費用,因而對橋梁結構可靠性研究非常必要和迫切。

4 工程結構可靠性理論研究發展趨勢

進入二十世紀80年代后,結構系統的可靠性理論研究工作已經成為結構工程中的研究熱點,并已出版了許多專著,對于復雜的結構系統可靠度分析和先進的計算方法蓬勃發展。概括而言,如下幾方面是結構可靠度理論研究的熱點:

結構系統的可靠度分析。對于結構系統可靠度分析的非常復雜的研究課題,許多學者對此從不同角度進行了研究,提出了一些概念和方法。如結構可靠度分析的一階矩概念及荷載為Ferry Borges Castanheta組合情況下的計算方法問題;利用系統系數,針對結構各種破壞水平所對應的極限狀態不同,計算系統可靠度并進行結構設計的方法;利用蒙特卡洛(Monte-Carlo)法采用重要抽樣技術計算結構系統的可靠度等,同時,一些學者還研究了系統可靠度界限的問題。總之,系統可靠度分析研究內容豐富,難度較大。

對結構極限狀態分析的改進,除考慮強度極限狀態外,還應考慮結構的正常使用極狀態、破壞安全極限狀態,以及地震和其他特殊情況下考慮能量耗損極限狀態等。

目標可靠度的量化問題。雖然校準法已經部分解決了這個問題,但與實際情況相比,這方面的問題還遠遠沒有解決。

人為差錯的分析。許多結構的失效并非由荷載、強度的不確定性造成,而往往是設計、施工、使用等環節中人為差錯造成的,這方面事例很多,已成為目前研究熱點之一。

在役結構的可靠性評估與維修決策問題。對在役建筑結構的可靠性評估與維修決策正成為建筑結構學的邊緣學科,它不僅涉及結構力學、斷裂力學、建筑材料科學、工程地質學等基礎理論,而且,與施工技術、檢驗手段、建筑物的維修使用狀況等有密切的關系。同時,經典的結構可靠性理論,在在役結構的可靠性評估中也必將得到相應的發展。

模糊隨機可靠度的研究。模糊隨機可靠度理論研究是工程結構廣義可靠度理論研究的重要內容,隨著模糊數學理論與方法的完善,模糊隨機可靠度理論也必將進一步完善和發展。

結語:

橋梁工程問題的解決總是理論與工程經驗的結合,掌握的知識越多,主觀經驗越少,橋梁結構的設計越合理,這也正是橋梁工程技術研究追求的目標。橋梁結構可靠度理論研究是內容極其豐富且復雜的重大研究課題,不僅僅在理論上有許多重大問題需要解決,而且,將其應用到橋梁結構設計、評估及維修決策之中尚有許多細致的工作要做。

參考文獻

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[2]《公路橋梁工程建設危舊橋測試改造拆除加固維修技術及典型案例分析實務全書》 胡智慧 楊道江 光明日報出版社

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