橋梁結構狀態識別及評估策略分析

康文剛

摘 要：目前已經投入使用的橋梁常會因為多方面的原因在運營數年后產生諸多病害。對橋梁的結構狀態進行識別，隨時了解并掌握橋梁的病變情況并進行科學的評估，是保證橋梁的使用安全和延長其使用時限的有效策略。在目前的橋梁結構狀態的識別及評估中，已經出現了多種手段和方法，形成了相應的評估理論，但還需在此基礎上將相關的技術手段加以提高和完善。

關鍵詞：橋梁；結構狀態；識別；評估

進入21世紀以來，交通事業得到了進一步的發展。作為交通線路中重要的組成部分，橋梁使用的時間正在逐漸增長，導致橋梁結構的內外都出現了一定的缺陷，給交通運輸的安全性帶來了很大的威脅。如果對于這些橋梁沒有進行足夠的監測和維護，會使橋梁的使用年限大幅度降低，甚至有時會發生嚴重的毀壞，造成嚴重的生命損失和財產損失。因此，人們對于使用中橋梁的耐久性、安全性和使用功能極為關注。如何對橋梁的結構狀態進行行之有效的識別，并展開準確而高效的狀態評估，是保證我國交通運輸安全的重要手段。

1.橋梁結構狀態的識別

對橋梁的結構狀態進行識別，主要是對橋梁在日常使用中的健康情況進行監測，并對是否發生或已經發生的損失情況進行準確的識別與判斷。

1.1橋梁健康情況的監測

對橋梁進行健康監測，主要是使用計算機系統和傳感器在橋梁上形成監測系統，長期對橋梁的結構、工作情況和可能的損傷進行在線監測，并將監測到的信息用于對橋梁的結構狀態進行反演，從而對其中的損傷進行識別。當橋梁遭遇特殊的交通條件、惡劣的氣候或者使用功能異常時，能夠發出預警的信號，從而為橋梁的使用、管理和維護提供指導。對橋梁健康情況進行監測，可以為橋梁的結構狀態識別過程提供在現實情況下結構響應的實測信息。

1.2橋梁結構的損傷識別

橋梁結構狀態識別的核心就是損傷識別，常用的識別方法可以分為以振動為基礎的識別法和神經網絡識別法。

1.2.1以振動為基礎的識別法

這種損傷識別方法主要包括有模型的識別方法和無模型的識別方法兩種。有模型的識別方法在工程領域中常用于對損傷進行監測，可以分為動力指紋的識別和模型修正識別兩種。動力指紋的識別是對和結構動力有所關聯的相應動力指紋進行分析，根據指紋變化情況對結構的狀況進行判斷。在橋梁的損傷識別中，常用到的動力指紋包括功率譜、振型、頻率和MAC指標等。無模型的識別方法是對振動相應時和相應傅立葉譜或其他的變換進行分析對比，得到具有代表性的特征量，對損傷進行識別。無模型的識別方法又可分為頻域法、時頻分析法和時域法。雖然以振動為基礎的識別方法是較優的選擇，但是在應用中存在一定的難度，如屬于數據壓縮形式的模態性質，在壓縮過程中會將部分狀態信息丟失，不能準確的反應真實的情況，而損傷只是局部現象，需要高頻率的模態才能采集到，而低頻率的模態不能準確得到損傷的信息。

1.2.2神經網絡識別法

1943年，二值神經元模型的提出，拉開了神經網絡技術的序幕。從上個世紀九十年代以來，就有很多學者將神經網絡用于對結構損傷的識別研究。神經網絡識別法對原來的系統沒有特殊要求，不限定是非線性或線性，在輸出和輸入間建立其非線性的映射關聯，而對于輸入參數也沒有明確的規定，可用的輸入參數有位移模態、固有頻率、應變模態和曲率模態等。神經網絡自身的高度容錯性和非線性映射能力使對參數的準確與否沒有嚴格要求，對于模糊信息的處理和專家推理的模擬能力都非常具有潛能，可以對橋梁進行實時的診斷和監測，對損傷的位置可以準確的進行識別，并且可以合理評價損傷的程度，所以在橋梁的損傷識別和健康判斷中可以發揮巨大的作用。

2.橋梁結構狀態的評估策略

2.1橋梁結構的安全性評估

目前，在對于橋梁結構的安全性進行評估時，可以采用多種評估方法，應用的理論主要是層次分析法、可靠度理論、模糊理論和專家系統等。

2.1.1層次分析法

層次分析法簡稱為AHP，在上個世紀七十年代由美國運籌學家提出。AHP評估方法是對多個指標進行綜合的定量評價分析，首先將同層次的評估指標確定初始的權重，把相關的定性因素進行定量化處理，減少了評價中的主觀因素的影響，使評估的結果更為客觀真實。對權重進行確定時，可以用求和平均和乘積方根的方法進行計算。這一評估方法主要可對橋梁的耐久性和安全性進行評估，包括橋梁的索力、變形、結構損傷、應力和承載能力等內容。

2.1.2可靠度理論

目前采用最多的基于可靠度的分析方法就是一次二階矩方法，這種方法的基礎是保持結構功能函數的正態分布，而在實際操作中，結構功能函數常呈非線性，不符合正態分布規律，導致結構功能函數也不符合正態分布，這時就不能用這一方法對結構可靠指標進行直接的計算，以避免計算的精度無法滿足評估的要求。所以，在這一方法的基礎上，又出現了二次二階矩方法，用于對隨機空間中的可靠度分析。蒙特卡羅法這一數值模擬法是可靠度分析方法之一，這種方法中，模擬處理的收斂素的和隨機變量中維數互不相關，模擬的過程對極限狀態下的函數復雜性不造成影響，所以在計算時，不需要將隨機變量轉換成正態化或將狀態函數線性化。

2.1.3綜合評估方法

綜合性的評估方法是以層次分析方法和專家評估為基礎的變權評估方法。目前，我國相關規范中采用的是綜合分級評估法，并且最終的評定標度可分五級，根據橋梁所處的環境和維護的要求，利用專家評估的方法對各結構進行權重確定，按照扣分原則進行分數的評定，并劃分評估的等級。在實際的評估中，基層維護人員對于按規范判定橋梁的損傷較為困難，一旦重要分部結構評級錯誤，會使綜合評定中的計算出現錯誤，導致評定結果不能真實反應橋梁結構的實際狀態。

2.2對橋梁結構的耐久性進行評估

對橋梁結構的耐久性進行評估，經常使用的評估方法是概率基礎上的結構疲勞評估方法。這種評估方法是根據橋梁結構的健康監測利用系統記錄的信息繪制應變時程曲線，對橋梁中的結構疲勞以概率學內容進行可靠評估。這一方法需要取一定天數的應變曲線進行統計學分析，從而得到標準樣本，并將橋梁中應變循環全用這個樣本加以體現，根據雨流計數的方法，得到標準樣本上的應力幅譜。具體的分析流程如圖1所示。除此之外，還有模糊綜合的評估方法。

圖1：橋梁箱梁結構疲勞分析流程圖

3.結束語

我國很大一部分橋梁因為使用的時間較長，在結構上已經出現了一些問題，埋藏著嚴重的安全隱患，嚴重威脅著橋梁的安全使用。因此，采用有效的方法對現有橋梁的結構狀態進行識別與評估，是保證橋梁的使用安全和使用壽命的有效措施。要加強對相關技術手段的研究，從而為橋梁的正常使用保駕護航。

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