既有桥梁承载力动力评估方法综述

ＣＯＭＭＵＮＩＣＡ订ＯＮＳ　ＳＴＡＮＤＡＲＤＩＺＡ订ＯＮ　既有桥梁承载力动力　评估方法综述　李闻涛　（长安大学公路学院，陕西西安７１００６４）　摘要：用动力法评估既有桥梁承载力是一种较有前途的桥梁承载力评估方法，在介绍各种动力评估方法的基础上，对它　们进行比较分析，其结果可为相关工作人员提供一定的参考。　关键词：既有桥梁；承载力；评估；动力法　中图分类号：Ｕ４４１．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—４７８６（２００７）０４—００９６—０３　Ｔｈｅ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｂｅａｒｉｎｇ　Ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　Ｅｘｉｓｔ　Ｂｒｉｄｇｅ　ＬＩ　Ｗｅｎ－ｔａｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｈｉｇｈｗａｙ，Ｃｈａｎｇ　ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｌｌ　７１００６４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｅｘｉｓｔ　ｂｒｉｄｇｅ　Ｓ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ．　Ｓｏｍｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗｅｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ　ａｌｌ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｌ　２００　性变形阶段，而模型试验２曲线大致走向仍为直线，　还处于第一阶段即直线变形阶段。　１　０００　量８００　昌６００　赣４０Ｏ　媸　２００　Ｏ　在荷载级数相同的情况下，模型试验２的荷载　沉降量要比模型试验ｌｄ，得多。　由此结果分析可得出结论：土工格栅具有较高　荷载（ｋＮ）　的抗拉强度和较低的延伸率，开孔面积大，其孔眼　可以与粉煤灰产生良好的咬合、嵌锁作用，格栅的　图３模型试验２　４试验结果分析　刚度较大。施工时容易．是很好的加筋材料。　参考文献　试验结果分为三个阶段：　ａ）直线变形阶段——曲线的前期变化大致成直　线．说明地基的压力与变形成线性关系，地基的变　形计算可以应用弹性理论公式：　ｂ）塑性变形阶段——也即剪切阶段，曲线变弯　曲，地基进入塑性变形阶段，弹性理论已不适用；　『ｌ１方雄师．土工格栅在软土地基处理工程中的应　用『Ｊ】．中南公路，２００１，（４）：２９—３１．　［２】ＪＴＪ　０５１—９３，公路土工试验规程［Ｓ】．　『３】王钊．土工合成材料［Ｍ】．北京：机械工业出版　社．２００５．　Ｃ）破坏阶段——当曲线急剧下降达到终点时，　对应的荷载沉降增量已经达到前一级荷载沉降增量　的５倍以上，即达到破坏荷载。　作者简介：李宗民（１９７２一），男，满族，工程师，现工作于　青龙满族自治县交通局。　收稿日期：２００７一Ｏｌ一１２　模型试验１曲线明显已经进入了第二阶段即塑　ｃｏ　ＭｕＮＩＣＡＴｔＯＮＳ　ｓ］．ＡＮＤＡＲＤＩＺＡＴＩＯＮ．Ｎｏ．４。２００７（１５ＳＵＥ　Ｎｏ．１６４）　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｃ０ＭＭＵＮ１ＣＡＴ１０ＮＳ　ＳＴＡＮＤＡＲＤｌＺＡＴ１０　ｔｈｅｍ　ｃａｎ　ｇｉｖｅ　ｕｓｅｆｕｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｗｏｒｋｅｒｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｘｉｓｔ　ｂｒｉｄｇｅ；ｂｅａｒｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ；ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　１概述　处损伤的情况下，得出结构损伤前后任意两阶频率　变化的比值只与损伤的位置有关的结论。　１９９０年，Ｓｔｕｂｂｓ根据一阶动态灵敏度分析，推　导出频率关于结构物理参数更为一般的表达式：　［　｛　｝＝ｆ　）＋ｆ　一＋ｆ　也　对既有桥梁进行评估已经引起世界性的关注。　在西方发达国家，桥梁工程的重点已逐步转移到既　有桥梁的养护维修、鉴定评估和加固改造方面，并　已取得长足发展。我国也正在开展桥梁评估方法的　（１）　理论研究和实践。对既有桥梁的评估包括其安全性　式中：ｆ　——特征值相对结构物理参数的灵敏度矩　评估、适用性评估和耐久性评估，其中最重要的就　阵：　是安全性评估中的承载力评估。既有桥梁的评估方　｛　｝＿＿一结构物理参数由于损伤发生的改变　法有：基于外观调查的方法、基于设计规范的方　量．右边项则为测得的由于结构物理参数改变而引　法、荷载试验法、基于专家经验的方法和基于结构　起的损伤结构频率改变量。　可靠性理论的方法［１Ｉ２１。而其中最为成熟、可靠的就　Ｓｔｕｂｂｓ以欧拉一伯努力梁为研究对象．忽略质　是对现有结构进行荷载试验．但该试验耗资、费时　量和阻尼的改变，利用结构前７阶频率计算出结构　且需要中断交通．所以不适应大规模的桥梁检测和　损伤。　评估。　１９９０年，Ｓａｌａｎｅ对公路桥梁和桥梁模型进行疲　近十年来．国内外学者一直在寻找能适用于复　劳试验，通过检测结构动力特性的变化发现．杆件　杂结构整体损伤评估的方法。目前普遍认可的一种　的刚度与裂缝开展存在一定关系．频率的变化与观　最有前途的方法就是结合系统识别、振动理论、振　测到的质量退化有关。　动测试技术、信号采集与分析等跨学科技术的试验　１９９１年Ｈｅａｒｎ指出，结构损伤后，各阶频率变　模态分析法．这种方法在发达国家已被广泛应用于　化按与最大频率变化归一化后，任两阶频率变化的　航空、航天、精密机床、造船、土木工程等领域。　比值是结构损伤位置的函数。　众所周知，任何结构系统都可以看作是刚度、　利用结构损伤前后频率的变化．国内学者在理　质量、阻尼矩阵组成的力学系统，且结构一旦出现　论分析和试验研究方面也做了有益的探讨。１９８８年　损伤．结构参数随之发生改变，从而导致系统的频　成都城市建设科学研究所和华中理工大学的研究者　率响应函数和模态参数（频率和振型）也发生改变。　通过模型试验．以模态分析方法对桥梁动力参数进　所以．结构的模态参数的改变可以视为结构发生损　行非线性分析，外推极限承载力；１９９７年湖南大学　伤的标志．成为动力评估法的切人点。所谓动力评　的研究者以实测频率为基础识别桥梁刚度分布情　估方法就是通过测量桥梁的振动信号，提取与桥梁　况．从而评定桥梁的承载能力；１９９８年西安公路交　特性有关的特征参数．利用它们对桥梁的整体和部　通大学的研究者对钢筋混凝土单梁破损模态分析与　分结构进行评估．得到桥梁的实际工作状态。　承载力评定问题初步进行试验研究．提出了反映荷　２桥梁承载力动力评估方法　载和频率关系的经验回归公式．并用极限频率的概　目前从公开发表的资料来看．动力法评定技术　念进行外推桥梁承载力的尝试：２００１年长安大学的　可概况为以下几类：基于固有频率变化的结构性能　研究者通过室内单梁与整桥模型试验建立了板梁　评估、基于振型变化的结构性能评估、刚度和柔度　静、动刚度比　与无量纲化基频　之间的统计回归　矩阵法、其他动态评估方法。　关系，构造了以名义配筋率　一为参数的结构承载　２．１基于固有频率变化的结构性能评估　能力与振动基频之间的关系。　１９７９年．Ｃａｗｌｅｙ和Ａｄａｍｓ最早利用频率数据对　２．２基于振型变化的结构性能评估　结构进行损伤识别．这二位工作者通过特征值对结　频率是表征结构刚度及其他物理参数发生改变　构物理参数的灵敏度进行分析．并在结构只存在单　的一个宏观指标．而振型却能更加敏感地反映结构　ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴ１０ＮＳ　ＳＴＡＮＤＡＲＤＩＺＡＴＩＯＮ．Ｎｏ．４．２００７（ＩＳＳＵＥ　Ｎｏ．１６４）　Ｊ　９７　维普资讯 http://www.cqvip.com

舞《萄滞Ｉ６幸　・嚣嗣　蕙替写运囊　局部的变化。Ｐａｎｄｙ在１９９１年提出的振型曲率法认　为：对梁类结构．单元刚度与此单元对应的截面曲　率密切相关．从而刚度的下降可以明显地反映在振　型曲率的改变上．当结构局部出现损伤时，此处的　曲率ｐ就会增大，从而引起振型曲线的曲率增大，　估有机地统一起来。　２０００年同济大学范立础、袁万城等提出了一种　悬索桥结构基于敏感性分析的动力有限元模型修正　方法，并利用一实验室悬索桥模型和试验模态的分　析结果。对建立的悬索桥动力有限元模型进行了修　正。结果显示，该方法可以较好地修正初始建立的　悬索桥理论模型．使得理论模态分析结果大大接近　并以一有２０个单元的简支梁为例验证了此方法的有　效性。　国内．郭国会同志利用结构损伤后一阶振型与　未损伤时的一阶振型的改变率，探测连续梁损伤位　于实测值．从而为全面了解结构的动力性能、确定　控制策略以及结构状态评估提供更精确的理论模　型。　置．发现结构损伤前后各阶振型曲率的绝对差值．　可以明显地识别梁损伤发生的位置以及相对的损伤　程度．且其有效程度大于一阶振型改变率的效　１９９８年同济大学张启伟，利用动静力测量数据　的桥梁结构损伤识别．提出了一种基于模型修正理　论的结构损伤检测的方法。该方法首先给出一种利　用结构振动模态数据修正结构刚度的子结构算法，　然后将这一方法推广为同时利用振动模态数据和静　果。袁向荣、徐宜桂等人也在相应的数值模拟及　试验中证实了此方法的可行性。　２．３　刚度和柔度矩阵法　结构发生损伤时，必然伴随结构刚度的下降，　因此利用刚度矩阵的变化对结构承载力评定是可行　的。１９８８年．Ｐａｒｋ和Ｌｅｅ运用损伤结构与未损伤结　力位移量测值的损伤识别方法；同时运用缩阶的理　论分析摸型解决实测自由度不足的矛盾，并以一悬　臂梁损伤仿真试验，验证了这一方法的有效性。　３结语　构之间的刚度误差来定位损伤，但Ｇｙｓｉｎ认为误差　刚度矩阵法只有在包含了足够多的振型，尤其是包　含了那些对结构刚度矩阵影响较大的振型时，此方　桥梁承载力评估是桥梁维修、加固和技术改造　的基本依据。桥梁承载力动力法评估具有简便、快　速、无损等优点。本文较详细地介绍了国内外动力　法评估既有桥梁的研究方法和概况，以期给相关工　法才有效。　１９９４年．Ｐａｎｄｙ￣Ｂｉｓｗａｓ提出了用柔度矩阵法　对梁式结构进行评估。在模态满足归一化的条件　下，柔度矩阵是频率平方倒数的函数。柔度矩阵在　结构损伤前后的改变量为：　ｎ　作者提供参考。　参考文献　［１】李亚东．既有桥梁评估方法研究［Ｊ］．铁道学报，　１９９７，１９（３）：１０９—１１５．　’　Ｋ　ｉ＝１　（１　）　ＡＦ＝Ｆ　ｕ　ｆ２】袁万城，崔飞，张启伟．桥梁健康检测与状态　评估的研究现状与发展［Ｊ］．同济大学学报，１９９９，　２７（１），１８４—１８８．　式中：　一振型；　ｎ卜＿＿频率。　ｆ３】贺拴海．公路桥梁承载能力快速检测技术研究．　ｆＤ１．西安：长安大学，２００１．　［４】袁向荣．梁的破损对频率、振型及振型曲率的　影响【ＪＪ．振动、诊断与测试，１９９４，１４（２）：４０—５０．　［５】徐宜桂，史铁林，杨叔子．基于神经网络的结　构动力模型修改和破损诊断研究ｆＪＪ．振动工程学报，　１９９７，１０（１）：８—１２．　在柔度矩阵中，高阶模态所占的份量由于　的　增大而迅速减小，因而只用少数低阶模态就可以比　较准确地计算柔度矩阵。１９９５年Ｐａｎｄｙ通过试验证　明，只要２　３阶振型即可识别简支梁的损伤。　２．４其他动态评估方法　１９９９年同济大学袁万城、崔飞等在结合桥梁的　结构特性与工作环境的基础上提出了一套新的桥梁　健康监测与状态评估发展策略，该策略强调了结构　动力指纹增长与更新的概念以及动态子结构与模型　修正法的综合运用，并最终将桥梁承载能力作为状　态评估的重要指数，使桥梁的观察、监测与安全评　【６】郭琦．钢筋混凝土梁承载能力的动力试验法预　测研究『Ｄ１．西安：长安大学，２００１．　作者简介：李闻涛（１９８１一），男，长安大学硕士。　收稿日期：２００６一】】一０ｌ　ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴ１０ＮＳ　ＳＴＡＮＤＡＲＤＩＺＡＴＩＯＮ．Ｎｏ．４，２００７（ＩＳＳＵＥ　Ｎｏ．１６４）