混凝土桥梁的损伤诊断与承载力评估

白应华

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430068）

摘要： 基于结构振动理论和系统识别技术的桥梁健康监测系统已显示出了良好的发展前景。主 要阐述了钢筋混凝土桥梁损伤的五种诊断方法，即振动模态参数识别法、动力响应及 动力系数法、超声波法、冲击回波诊断法和自然电位法，并对这些方法的特点和应用作了比 较。同时提出了混凝土损伤识别的四种方法，即模型修正法、动力指纹分析法、神经网络法 和专家系统法，并系统介绍了这四种方法的特点。通过对钢筋混凝土桥梁的损伤诊断和损伤 识别，正确客观的评估桥梁的承载力和安全状况。最后介绍了国内外几种典型的评估桥梁承 载力的理论和方法，并对其发展趋势作了展望。

关键词：混凝土桥梁；损伤诊断；承载力评估

中图分类号：U441.4文献标识码：A[WT]文章编号：16721098(2008)02003404

Damage Diagnosis and Strength Evaluation of Concrete Bridges

BAI Yinghua

(Institute of Civil Engineering and Architecture, Hubei University of Technology ,Wuhan Hubei 430068,China) Abstract: The bridge health monitoring system based on structural vibration theo ry and system identification technique has been presenting its good prospect ofdevelopment．In the paper five kinds of steel-concrete bridge damage detection m ethods were expatiated. They are vibration mode parameters identification method , dynamic response and dynamic parameters method, ultrasonic method, impact echodetection method, and electrical potential method, which characteristics and ap plication were compared. Four kinds of concrete damage identification methods we re put forward, namely model modification method, dynamic fingerprint analysis m ethod, nerve network method and expert system method. Characteristics of the fou r methods were presented. Steel-concrete bridge damage diagnosis and detection b y the methods provide subjective evaluation of bridge strength and safety level.Finally, some typical theories and methods of bridge strength evaluation in Chi na and abroad were presented and their development trend was predicted.

Key words:concrete bridge；damage diagnosis；strength evalua tion

自20世纪50年代以来，人们就意识到桥梁安全监测的重要性，但由于早期的监测手段比较落 后，在应用上一直受到限制。近年来随着大跨桥梁设计的轻柔化以及形式与功能的日趋复杂 化，安全问题日益突出。全国公路桥梁普查结果显示，已有相当一部分桥梁存在不同程度的 损伤，其中四千多座存在严重安全隐患［1］113。国内发生的触目惊心的桥梁垮塌事 故，提醒人们必须重视桥梁的定期健康检测、安全评估以及危桥的损伤检测和监控，力争把 隐患消灭在萌芽之中。因此桥梁健康监测、检测技术成为国内外学术界、工程界的研究热点 。本文旨在介绍钢筋混凝土桥梁损伤诊断及承载力评估方法和发展趋势。

1混凝土桥梁的损伤诊断

1.1振动模态参数识别法

桥梁在发生损伤时，其阻尼比和刚度必然要发生变化。如果用直接测量桥梁刚度的变化来诊 断桥梁损伤是十分困难的。但刚度的变化必然要引起桥梁结构模态参数（如固有频率和模态 振型）的变化。因此首先在桥梁建成未使用前或在桥梁无损伤时测出它的模态参数，作为该 桥梁的初始档案，然后在桥梁使用过程中随时测出它的模态参数，把所测参数和初始档案相 比较，观察这些参数是否发生变化和变化大小，从而比较容易地实现对桥梁损伤的诊断。

用激振锤、伺服液力激振器、火箭或环境振动产生的激励力使桥梁产生自由振动，由在桥梁 上布置的传感器测下桥梁的振动响应，然后由放大器对这些微弱电信号进行放大。为了防止 混叠效应，用低通滤波器将放大的信号进行滤波，滤掉中、高频信号。A/D模拟数字转换器 将模拟的电信号转化为数字信号，这些数字信号由计算机采集存储，分析处理——时域和频 域分析，求出输入信号和输出信号之间的传递函数或频响函数。在频响函数图上，由振动峰 值找出桥梁的各阶固有频率的数值，由半功率带宽法求出桥梁的阻尼比。振型相位和振型幅 值分别由互谱和自谱获得。这样就一一求得了桥梁的各阶固有频率、阻尼比和振型［2 ］410。

桥梁的固有频率大都只有几十赫兹或几赫兹，因此利用刮风和行驶的车辆这样环境振动对桥 梁进行激励拾取其响应信号，既可以节省开支又可以不关闭交通，是一种非常理想的振动激 励方法。但需注意的是，行驶的车辆会对桥梁的各阶固有频率有轻微的改变。

1.2动力响应及动力系数法

当车辆在桥梁上行驶时，桥梁会发生振动；当桥梁发生损伤时，桥梁的振动动力响应参数值 会增长。因此在桥梁的关键部位（如桥墩底部）布置一些拾振传感器（如速度传感器、加速 度计和应变传感器)测下桥梁的动力响应，然后由放大器对这些微弱电信号进行放大。为了 防止混叠效应，用低通滤波器将放大的信号进行滤波，滤掉中、高频信号。A/D模拟数字转 换器将模拟的电信号转化为数字信号，这些数字信号由计算机采集存储、分析处理——时域 和频域分析，分析这些动力响应参数值是否超过允许值及超过数值的多少，可对桥梁的一部 分或整座桥梁发生的损伤进行诊断。

动力系数指的是桥梁由于振动而增加的桥梁应力或动挠度对于静载所增的比率。当桥梁发生 损伤时，动力系数必然会增大。用电阻应变片和红外线挠度仪可测桥梁的动、静应力和动、 静挠度信号，然后由信号处理采集系统采集信号，再利用计算机专用软件监测和记录车辆行 驶引起的时程应力和时程挠度并计算动力系数，分析动力系数是否超过允许值及超过数值的 多少，从而可对桥梁的损伤进行诊断。

1.3超声波法

超声波法是利用应力波在固体中传播是否受到干扰来诊断桥梁是否受到损伤(如裂缝和断面 等)。超声波法把由压电元件组成的发射探头(即电—声换能器)和接受探头(即声—电换能器 )接触在混凝土表面上，由发射探头发射的超声波便被接受探头所接受。根据超声波的声波 、频率、相位、振幅等声学参数进行诊断。用超声波诊断桥梁内部损伤的检测方法有透射法 和反射法。测定透射超声波的传播速度(透射法)或通过测定反射波到达接收探头的传播时间 (反射法)来诊断是否有损伤及损伤的部位。

1.4冲击回波诊断法

冲击回波法是通过在被测桥梁结构表面人工施加一个冲击，由冲击产生很高能量的瞬态应力 脉冲会沿着球面波（玃波和S波的波前）在被测桥梁结构中传播；与此同时由冲击产生的表 面波也会沿着被测桥梁结构表面传播。P波和S波会被被测桥梁结构内部裂缝孔洞和边界反射 。当这些反射波到达产生冲击力附近的被测桥梁结构表面时产生位移，这个位移可由位移传 感器测量。如果这个位移传感器放得靠近冲击点，那么传感器所测量的位移波形就是由P波 引起的。位移波形可用来确定应力脉冲从产生至反射P波到达结构表面之间的时间间隔Δ 玹。如果P波在被测结构中的速度已知，那么反射界面的位置也就可以确定，损伤的部位也 就诊断出来了［2］408。

1.5自然电位法

自然电位法是根据金属在一定的环境中电位是否变化的原理来对混凝土桥梁中钢筋锈蚀进行 诊断。当混凝土中的钢筋发生锈蚀时就会形成锈蚀的电池，可分为产生正极反应的部分(锈 蚀部位)和负极反应的部分(非锈蚀部位)，此时自然电位发生了变化。根据对此电位的量测 ，就可以判断是否发生了锈蚀。由于诊断时必须将钢筋暴露出来，因此这种方法对混凝土中 最内层钢筋的锈蚀诊断无能为力。

1.6其他诊断方法

除了上述几种损伤诊断方法外，还有红外成像检测、声发射、磁试验、γ或X射线检测、光 干涉、脉冲雷达回波法等方法。除振动模态参数识别法以外，多数无损检测技术属于局部检 测方法。局部检测方法需要人工地毯式搜索，虽较费时费力且可靠性差，但对于量大面广的 中小桥梁来说，从技术、经济上考虑，人工检测仍然是一种重要的比较现实的技术管理手段 。

2混凝土桥梁的损伤识别

混凝土桥梁基于不同的损伤诊断技术有不同的损伤识别方法。大致分为四种，即：模型修正 法、动力指纹分析法、神经网络法和专家系统法。

2.1模型修正法

先建立非损伤分析模型，再利用混凝土桥梁动静载试验测得的数据（如频率、振型、挠度、 应变）对桥梁结构的非损伤分析模型的单元刚度（或材料参数）进行修正。此时，模型的计 算模态则为损伤结构的测试模态，接下来建立损伤诊断方程，运用优化法确定受损单元的刚 度减少程度，最后根据模型刚度的变化来实现损伤的定位和损伤程度的评估。这种方法的缺 陷在于测试不可能得到结构的完整模态集且测量中的信噪比较低，因而由测试数据难以给出 足够的修正信息，导致了解的不唯一性。2.2动力指纹分析法

动力指纹法也称对比法。根据结构特性，若结构发生损伤，其结构参数会发生变化，从而引 起相应的动力指纹的变化。在损伤识别时，先建立包括损伤大小及位置的数据库；再将结构 实测值与数据库中各值相比较，最相近的一组数据代表的损伤位置就是该结构最可能的损伤 位置。常用的动力指纹有：频率、振型、振型曲率、应变模态、频响函数、模态柔度矩阵、 模态保证准则(MAC)和坐标模态保证准则(COMAC)等。这些方法的缺点是工作量太大，敏感性 不是很高，与所有潜在损伤情况相对应的数据库较难建立。用这类方法识别损伤的研究成果 很多，如拟牛顿法(Quasi Newton Method)将刚度变化作为指纹，用于识别结构在地震过后 内部的不可见损伤［1］114。2.3神经网络法ド窬网络 法用于损伤识别是结构智能诊断的重要组成部分。其基本思想是：利用数值求解法(如有限 元法、能量法)或实测方法，获取结构中所需物理量(如频率、振型等)作为训练样本的输入 参数，以结构的缺陷作为输出参数，利用神经网络具有很强的自组织、自学习和自适应能力 的特点，通过一定数量的训练样本让网络学习，神经网络会记住这些知识，实现从输入参数 (如结构频率向量等)到输出参数(如结构损伤位置、程度等)之间的非线性映射，从而可以求 得反问题的解［3］。神经网络法虽不是为混凝土桥梁损伤识别设计，但其处理非线 性问题的手段非常适合于非线性很强的混凝土桥梁结构损伤诊断。很多学者在这方面做了大 量工作。现在常用于损伤诊断的网络模型有BP网络模型、对偶传播神经网络、径向基函数(R BF)神经网络和模糊神经网络。由于神经网络的容错性好、鲁棒性强，能进行联想、综合和 推广，对输入参数的准确性要求不高，因此其前景看好。

2.4专家系统法

专家系统是一种模拟专家解决土木工程领域问题的计算机程序系统。用来进行损伤诊断时， 系统内部含有大量的混凝土桥梁损伤诊断知识与经验，专家系统利用损伤诊断知识与经验进 行损伤诊断。专家系统具有准确、效率高、不受环境影响等优点。但混凝土结构的离散性和 桥梁结构的多样性使得该系统难于推广［4］。

3混凝土桥梁的承载力评估

混凝土桥梁的损伤诊断与识别是手段，对桥梁进行承载力与安全评估才是目的。带损伤桥梁 的承载力评估比设计新桥复杂得多。目前各国评估混凝土桥梁承载力的方法都比较抽象模糊 ，这里介绍几种典型的混凝土桥梁承载力评估方法。

3.1英国公路桥梁检测优先权标准

首先对运营期长、社会重要性高、先天或后天结构缺陷严重、交通繁重、绕行线路不足的桥 梁优先给予检测。为此需要对桥梁检测的先后次序作出评价，评价指标分为桥龄（玆玜 ）、桥型（玆玣）、薄弱部位（玆玠）、交通量（玆玽和玆玼）、线路重 要性（玆玦）等5项，分别对这些评价指标评分（1~5分），由此可以得出整体评价分级 玊A=4R玜+2玆玣+玆玠+玆玽+玆玼+玆玦，最后按整体评价分级 TA的分值将优先权分为5个等级，依次为1、2、3、4、5，级数小的桥梁要优先予以检测。

3.2美国公路桥梁评定标准

用下式评定带损伤桥梁的承载力［1］115オЕ誖≥RFγLL(1+I)+∑[DD(]m[]i=1[DD)]γ〥iDi

式中：玆为结构承载能力；φ为承载能力折减系数；RF为允许通过桥梁的荷载等级系数； γL为活载系数；L为活载；I为冲击系数；m为恒载类型数；γ〥i为第i类恒载安 全系数；Di为恒载。

3.3中国公路桥梁综合评定方法

桥梁的综合评定算式

标度（0～5）；Wi为各部件权重。

4结语

桥梁结构损伤检测与评估涉及到结构、通讯、计算机等多个学科领域，系统论、信息论、控 制论、非线性科学等最新技术都在其中有广泛应用。随着各学科的进一步交叉与同步发展， 相信桥梁结构的健康监测与评估这一门新兴的科学将会在损伤检测仪器的研究、传感器的优 化布置、参数识别研究等方面得到较大的发展。

参考文献：

［1］包龙生,于玲,黄海，等.混凝土桥梁损伤诊断及承载力评估评述［J］.华北 公路,2003（4）:113115.

［2］李惠彬,郑兆昌,应怀樵.对国内外桥梁损伤诊断几种方法的评述［J］.工程 力学,1998(S):407413.

［3］余天庆,陈开利,彭苗.桥梁结构的损伤现代检测与评估［J］.世界桥梁,2004 (2):5255.

［4］袁万城,崔飞,张启伟.桥梁健康监测与状态评估的研究现状与发展［J］.同 济大学学报(自然科学版),1999,27(2):184188．

(责任编辑：何学华)