異形橋梁優化設計與損傷識別方法研究

李飛　李元鑫

摘要：本文以城市橋梁中廣泛存在的異形橋梁結構為研究對象，針對其優化設計和損傷識別關鍵科學問題，考慮該特殊橋梁的結構特點，基于頻率參數、振型參數、頻響函數參數的損傷識別和動力損傷識別指標、粒子群算法、模糊聚類等理論，提出了相應的優化設計策略和損傷識別方法，為異形橋梁的安全設計和運營提供參考。

關鍵詞：異形橋梁；優化設計；損傷識別；計算方法；參數分析

中圖分類號：U446 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3024（2016）06-105-02

1.研究背景及意義

橋梁作為交通基礎設施的重要組成部分，在提升交通運輸效率方面效果突出。截至2014年年底，我國公路橋梁總數已達75.71萬座，4257.89萬延米，但橋梁結構在外部荷載、氯離子侵蝕、溫濕度等環境因素作用下_結構容易出現疲勞損傷，結構承載性能降低等問題。為了保證橋梁處于良好的服役狀態、有效提升城市空間利用效率，異形橋梁結構在我國城市化進程中得到了廣泛使用，而其結構養護維修、結構安全運營問題也對橋梁優化設計工作提出了新要求。

2.基于模態參數的橋梁結構損傷識別研究現狀

2.1基于頻率參數的損傷識別

在損傷識別領域的早期，大量的研究工作是采用頻率的改變作為損傷識別指標。主要原因在于頻率在實際測試過程中易于測試得到，在許多情況下僅需要一個傳感器就可以實現。然而。采用頻率進行損傷識別的缺點在于頻率改變對損傷不敏感，這就要求要么非常準確的測量或者比較大的損傷。因此。基于頻率的損傷識別方法在實際應用過程中面臨的困難，國內外學者形成了一種可以識別結構損傷的優化算法：以馬爾科夫參數形式的損傷結構沖擊響應為目標函數，并進行待定函數求解。識別結構損傷位置及程度。

2.2基于振型參數的損傷識別

模態振型參數在結構損傷識別中應用最為廣泛。識別效果也要優于模態頻率參數。基于振型數據的損傷識別方法主要包括依賴單純的直接振型數據或者振型的導出量兩類，最常用的直接振型類參數包括模態置信準則fMACl以及坐標模態置信準則（cOMAC）。當結構局部出現損傷時，模態振型會在損傷附近區域出現改變，因此結構損傷前后模態曲率的改變是一個理想的損傷識別指標。特別是應用于結構損傷定位。

2，3基于計算智能方法的損傷識別

神經網絡算法在非線性建模、聯想推理以及容錯性等方面優勢突出，也為解決結構損傷識別難題提供了新途徑，但對于實際的工程結構，監測數據與結果存在很大的模糊性與不確定性，損傷位置及程度的精確確定一方面存在困難，另一方面在某些情況下不是特別必要，而確定出損傷的大致區域和損傷的狀態相對更有實際價值。

3.異形橋梁結構性能分析

異形箱梁橋作為直梁橋和彎梁橋的連接結構，空間效應顯著。既具有正橋受力的特點，又具有彎梁橋彎扭耦合的特性，所以，突出異形橋梁相對于傳統彎橋受力特陛的差異，異形箱梁橋的彎曲、畸變、翹曲和剪力滯以及不同效應的相互耦合成為其結構性能研究的重點。

3.1異形橋梁靜動力性能分析

目前，對異形箱梁橋所做的研究工作主要集中在數值模擬和荷載模型試驗上。建立了異形連續梁橋一車輛耦合振動模型。采用模態分析技術計算了車輛作用下橋梁的動力特陛，并探討了懸架剛度、輪胎剛度等車輛參數以及車輛位置對車輛作用下的異形連續梁橋動力特性的影響，

3.2異形橋梁損傷識別中的影響參數分析

異形橋梁在車輛荷載以及外部其它環境因素影響下，結構損傷呈現階段性變化，即從輕微損傷階段逐步過渡至嚴重損傷階段。因此，結構損傷程度的大小是異形橋梁損傷識別過程中的影響參數之一。

異形橋梁的自由度較普通梁式橋而言相對較大。在結構動力響應測試過程中所需的傳感器數量較多，但傳感器數量太多。經濟性上不理想：傳感器數量過少，無法正確的反映結構動力特性。因此，異形橋梁測試所需傳感器數量也是影響結構損傷識別結果的重要參數之一。

對于異形橋梁損傷識別過程中所需的模態階數，現有研究結果表明模態階數越高對損傷的敏感性越強。但在實際的測試過程中，低階的模態數據相對容易測試獲取。因此，在結構損傷識別過程中確定模態數量與損傷識別效果的相關關系，從而得到理想的損傷識別結果具有重要的現實意義。

4.基于粒子群優化模糊C均值聚類的異形橋梁損傷識別方法

4.1模糊聚類損傷位置識別

本文采用粒子群優化模糊c均值聚類算法實現異形橋梁損傷位置識別。建立損傷位置識別指標。將實測樣本損傷識別指標進行歸一化處理：對樣本數據進行聚類分析確定最佳聚類數目及聚類中心，結合橋梁樣本損傷工況，確定樣本聚類中心對應的損傷位置；基于樣本聚類分析結果，建立異形橋梁損傷位置識別數據庫。通過計算損傷橋梁識別指標與數據庫損傷位置聚類中心的隸屬度，確定異形橋梁損傷位置。

4.2異形橋梁損傷程度識別

損傷位置確定的基礎上，采用均勻荷載面曲率差隸屬度進行結構損傷等級的評定。將結構5%、10%、15%及20%損傷定義為“輕微損傷”、“中度損傷”、“嚴重損傷”及“破壞性損傷”四個損傷等級。通過測量局部損傷區域節點的振型值，獲取ULSCD值，計算其到各損傷等級的隸屬度。根據最大隸屬度確定類別的原則，實現損傷等級判定。單位置損傷程度識別和多位置損傷識別結果表明，該方法在異形橋梁結構損傷程度識別中是準確可行的。

5.結束語

研究針對異形橋梁的損傷程度識別，構建了頻率變化率、振型比值和模態柔度差曲率三種不同的損傷識別參數：基于粒子群優化模糊c均值聚類理論，結合結構整體模態頻率變化比隕傷識別指標提出了多階模態頻率變化比聚類分析的異形橋梁損傷位置識別方法：考慮到異形橋梁損傷識別過程中，容易受到諸多參數的影響，開展了損傷程度、傳感器數量、模態數量等影響參數對損傷識別指標影響，以及支點附近單元損傷和異形結構橫向損傷的評價工作。