论文部分内容阅读
【摘 要】 近年来，桥梁事故频发，特别是比重较大的中小跨径桥梁，给国家和人民带来重大的经济损失以及极坏的社会影响。为确保中小跨径桥梁的运营安全，适用于中小跨径桥梁的结构健康监测系统应运而生，但如何对监测的中小跨径混凝土桥结构运营状态进行评估研究相对较少，本文主要提出了中小跨径混凝土桥的整体评估思路，研究成果可为类似桥梁评估提供参考与借鉴。
【关键词】 中小跨径混凝土桥；结构状态评估；基准有限元模型修正
1.概述
对监测的中小跨径混凝土桥结构运营状态进行评估是对桥梁实现有效管理和维护的最基本步骤，最终目的是使管理者对桥梁结构当前受力状态有一个较准确的判断。桥梁评估的主要任务是将数据采集系统获得的结构响应信息转化为反映结构安全状态的信息，在此基础上对安全状态信息进行综合评价，获得结构在特定时刻的安全程度及其安全使用状况，为桥梁结构的运营及维护决策提供科学依据。
与大跨桥梁相比，一方面中小桥本身结构较简单，受力状态较清晰；另一方面，受经济实用性等因素限制，中小桥上布设的结构监测系统其监测项与测点数都大幅减少。因此，中小桥的结构评估思路与框架与大跨桥梁相比，具体如下特点：（1）需结合有限的监测项与监测点开展评估；（2）评估内容需根据中小桥实际需求把握其主要受力状态，一般不需像大跨桥梁那样开展全面评估。
2.结构评估整体框架
结构状态评估主要分为两大部分：常规评估和专项评估。其中，常规评估又分为静力评估和动力评估。静力评估主要考虑结构当前所处的静力受力状态，具体的评估参数包括变形、应变和裂缝宽度。动力评估主要是考虑结构当前的动力特性是否发生明显变化，具体的评估参数主要是振动加速度，即通过加速度代表值与结构在设计阶段通过分析和试验得到的加速度值进行比较分析，以判断结构的整体动力性能。
专项评估主要是针对不同截面类型的中小桥在运营过程中已经出现的特有技术问题进行分析和研究，以空心板梁桥为例，目前遇到最多的问题就是铰缝破坏引起的单板受力，因此在对空心板梁桥进行结构评估时，应开展是否存在单板受力的专项评估。
结构评估的整体框架如图1.1所示。
3.常规评估
3.1静力分析与评估
中小跨径混凝土桥静力分析与评估是桥梁结构监测系统的核心，为使中小跨径混凝土桥结构监测系统真正地服务于桥梁的运营管理，为桥梁的养护维修提供科学依据，对桥梁的安全状况以及可能的发展趋势有清晰的了解，对桥梁构件的不正常表现做出预警，及早发现灾难性破坏的隐患，以便能采取措施加以消除或最低程度对其进行控制和延缓。
安全性分析与评估主要对实时采集的监测数据，如应变、位移、裂缝宽度等，在进行数据可靠性分析的基础上，将数据与预警值相比较，给出结构安全性的初步状态评估并预警，详见图1.2。
3.2动力分析与评估
传统的结构分析理论主要是通过对强度、刚度、稳定性等方面的研究而確保结构设计的可靠性。但是仅靠对静力设计和静载实验并不能保证结构的安全可靠性，因为桥梁的工作环境决定其要承受大量的动荷载（车辆冲击荷载、地震荷载、风荷载等动荷载）的影响，并会累积造成的结构损伤，甚至导致结构坍塌。因此，我们应在掌握土木工程结构静载作用下特征参数的基础上，更需要充分了解结构的动力特征参数。
频率参数是决定结构动力特性的主要参数，如何根据现场监测数据准确和快速地将工程结构既有的动力参数识别出来并作出相应的安全评估，是数据监测软件需要解决的一项重要问题。
（1）评估思路
通过对桥梁的实测加速度数据计算分析，对结构频率进行识别，并进行分析，最后可得到该桥结构的动力评估结果，具体评估如流程图1.3所示：
1）对每个小时的加速度数据进行分析包括滤波，采用互功率谱或自功率谱计算分析频谱曲线。
2）利用频域峰值法计算频率值，包括竖弯一阶频率，竖弯二阶频率。
3）对一个月的数据进行分析，并得出此月的频率代表值。
鉴于动力特性是桥梁固有属性，所以软件自动对一个月内每个小时的数据进行分析，再把得到的小时数据结论进行记录保存分析，提取最后的月频率代表值。
4）将计算得到的频率值与理论值以及以前的数据分析得到的频率值做对比分析，可得到最后结论。
4.专项评估
这里以简支空心板梁桥为例，空心板梁桥以板梁损伤和铰缝损伤对桥梁安全危害最大。板梁损伤会降低单梁承载力。铰缝损伤会使铰缝不能有效传递荷载，减低装配式板梁桥整体性，特别当铰缝完全失效时，装配式简支板梁桥会出现单板受力的危险状况，桥梁整体性严重下降。铰缝损伤后会引起板梁桥荷载横向分布的变化，部分板梁承受的荷载急剧增大，又会促进板梁和铺装层损伤等的发展。故中小跨径混凝土桥的专项评估主要针对空心板梁桥的铰缝，通过监测数据对铰缝的工作性能做出判断。
铰缝工作性能判断主要通过同一时间点内，监测系统采集的同一跨挠度或应变数据，画出横向分布图与理论计算值相比较，若变化趋势吻合较好，则认为铰缝状况完好，否则铰缝存在一定病害，需要进行相应处理。
5.小结
本文通过调研和收集当前基于监测数据的桥梁安全评估研究现状，并结合中小跨桥结构本身受力特点和监测系统实际特点，给出了中小跨桥结构安全评估的整体框架。研究结果可为类似桥梁评估提供参考与借鉴。
【关键词】 中小跨径混凝土桥；结构状态评估；基准有限元模型修正
1.概述
对监测的中小跨径混凝土桥结构运营状态进行评估是对桥梁实现有效管理和维护的最基本步骤，最终目的是使管理者对桥梁结构当前受力状态有一个较准确的判断。桥梁评估的主要任务是将数据采集系统获得的结构响应信息转化为反映结构安全状态的信息，在此基础上对安全状态信息进行综合评价，获得结构在特定时刻的安全程度及其安全使用状况，为桥梁结构的运营及维护决策提供科学依据。
与大跨桥梁相比，一方面中小桥本身结构较简单，受力状态较清晰；另一方面，受经济实用性等因素限制，中小桥上布设的结构监测系统其监测项与测点数都大幅减少。因此，中小桥的结构评估思路与框架与大跨桥梁相比，具体如下特点：（1）需结合有限的监测项与监测点开展评估；（2）评估内容需根据中小桥实际需求把握其主要受力状态，一般不需像大跨桥梁那样开展全面评估。
2.结构评估整体框架
结构状态评估主要分为两大部分：常规评估和专项评估。其中，常规评估又分为静力评估和动力评估。静力评估主要考虑结构当前所处的静力受力状态，具体的评估参数包括变形、应变和裂缝宽度。动力评估主要是考虑结构当前的动力特性是否发生明显变化，具体的评估参数主要是振动加速度，即通过加速度代表值与结构在设计阶段通过分析和试验得到的加速度值进行比较分析，以判断结构的整体动力性能。
专项评估主要是针对不同截面类型的中小桥在运营过程中已经出现的特有技术问题进行分析和研究，以空心板梁桥为例，目前遇到最多的问题就是铰缝破坏引起的单板受力，因此在对空心板梁桥进行结构评估时，应开展是否存在单板受力的专项评估。
结构评估的整体框架如图1.1所示。
3.常规评估
3.1静力分析与评估
中小跨径混凝土桥静力分析与评估是桥梁结构监测系统的核心，为使中小跨径混凝土桥结构监测系统真正地服务于桥梁的运营管理，为桥梁的养护维修提供科学依据，对桥梁的安全状况以及可能的发展趋势有清晰的了解，对桥梁构件的不正常表现做出预警，及早发现灾难性破坏的隐患，以便能采取措施加以消除或最低程度对其进行控制和延缓。
安全性分析与评估主要对实时采集的监测数据，如应变、位移、裂缝宽度等，在进行数据可靠性分析的基础上，将数据与预警值相比较，给出结构安全性的初步状态评估并预警，详见图1.2。
3.2动力分析与评估
传统的结构分析理论主要是通过对强度、刚度、稳定性等方面的研究而確保结构设计的可靠性。但是仅靠对静力设计和静载实验并不能保证结构的安全可靠性，因为桥梁的工作环境决定其要承受大量的动荷载（车辆冲击荷载、地震荷载、风荷载等动荷载）的影响，并会累积造成的结构损伤，甚至导致结构坍塌。因此，我们应在掌握土木工程结构静载作用下特征参数的基础上，更需要充分了解结构的动力特征参数。
频率参数是决定结构动力特性的主要参数，如何根据现场监测数据准确和快速地将工程结构既有的动力参数识别出来并作出相应的安全评估，是数据监测软件需要解决的一项重要问题。
（1）评估思路
通过对桥梁的实测加速度数据计算分析，对结构频率进行识别，并进行分析，最后可得到该桥结构的动力评估结果，具体评估如流程图1.3所示：
1）对每个小时的加速度数据进行分析包括滤波，采用互功率谱或自功率谱计算分析频谱曲线。
2）利用频域峰值法计算频率值，包括竖弯一阶频率，竖弯二阶频率。
3）对一个月的数据进行分析，并得出此月的频率代表值。
鉴于动力特性是桥梁固有属性，所以软件自动对一个月内每个小时的数据进行分析，再把得到的小时数据结论进行记录保存分析，提取最后的月频率代表值。
4）将计算得到的频率值与理论值以及以前的数据分析得到的频率值做对比分析，可得到最后结论。
4.专项评估
这里以简支空心板梁桥为例，空心板梁桥以板梁损伤和铰缝损伤对桥梁安全危害最大。板梁损伤会降低单梁承载力。铰缝损伤会使铰缝不能有效传递荷载，减低装配式板梁桥整体性，特别当铰缝完全失效时，装配式简支板梁桥会出现单板受力的危险状况，桥梁整体性严重下降。铰缝损伤后会引起板梁桥荷载横向分布的变化，部分板梁承受的荷载急剧增大，又会促进板梁和铺装层损伤等的发展。故中小跨径混凝土桥的专项评估主要针对空心板梁桥的铰缝，通过监测数据对铰缝的工作性能做出判断。
铰缝工作性能判断主要通过同一时间点内，监测系统采集的同一跨挠度或应变数据，画出横向分布图与理论计算值相比较，若变化趋势吻合较好，则认为铰缝状况完好，否则铰缝存在一定病害，需要进行相应处理。
5.小结
本文通过调研和收集当前基于监测数据的桥梁安全评估研究现状，并结合中小跨桥结构本身受力特点和监测系统实际特点，给出了中小跨桥结构安全评估的整体框架。研究结果可为类似桥梁评估提供参考与借鉴。