桥梁结构状态识别及评估策略分析

康文刚

摘 要：目前已经投入使用的桥梁常会因为多方面的原因在运营数年后产生诸多病害。对桥梁的结构状态进行识别，随时了解并掌握桥梁的病变情况并进行科学的评估，是保证桥梁的使用安全和延长其使用时限的有效策略。在目前的桥梁结构状态的识别及评估中，已经出现了多种手段和方法，形成了相应的评估理论，但还需在此基础上将相关的技术手段加以提高和完善。

关键词：桥梁；结构状态；识别；评估

进入21世纪以来，交通事业得到了进一步的发展。作为交通线路中重要的组成部分，桥梁使用的时间正在逐渐增长，导致桥梁结构的内外都出现了一定的缺陷，给交通运输的安全性带来了很大的威胁。如果对于这些桥梁没有进行足够的监测和维护，会使桥梁的使用年限大幅度降低，甚至有时会发生严重的毁坏，造成严重的生命损失和财产损失。因此，人们对于使用中桥梁的耐久性、安全性和使用功能极为关注。如何对桥梁的结构状态进行行之有效的识别，并展开准确而高效的状态评估，是保证我国交通运输安全的重要手段。

1.桥梁结构状态的识别

对桥梁的结构状态进行识别，主要是对桥梁在日常使用中的健康情况进行监测，并对是否发生或已经发生的损失情况进行准确的识别与判断。

1.1桥梁健康情况的监测

对桥梁进行健康监测，主要是使用计算机系统和传感器在桥梁上形成监测系统，长期对桥梁的结构、工作情况和可能的损伤进行在线监测，并将监测到的信息用于对桥梁的结构状态进行反演，从而对其中的损伤进行识别。当桥梁遭遇特殊的交通条件、恶劣的气候或者使用功能异常时，能够发出预警的信号，从而为桥梁的使用、管理和维护提供指导。对桥梁健康情况进行监测，可以为桥梁的结构状态识别过程提供在现实情况下结构响应的实测信息。

1.2桥梁结构的损伤识别

桥梁结构状态识别的核心就是损伤识别，常用的识别方法可以分为以振动为基础的识别法和神经网络识别法。

1.2.1以振动为基础的识别法

这种损伤识别方法主要包括有模型的识别方法和无模型的识别方法两种。有模型的识别方法在工程领域中常用于对损伤进行监测，可以分为动力指纹的识别和模型修正识别两种。动力指纹的识别是对和结构动力有所关联的相应动力指纹进行分析，根据指纹变化情况对结构的状况进行判断。在桥梁的损伤识别中，常用到的动力指纹包括功率谱、振型、频率和MAC指标等。无模型的识别方法是对振动相应时和相应傅立叶谱或其他的变换进行分析对比，得到具有代表性的特征量，对损伤进行识别。无模型的识别方法又可分为频域法、时频分析法和时域法。虽然以振动为基础的识别方法是较优的选择，但是在应用中存在一定的难度，如属于数据压缩形式的模态性质，在压缩过程中会将部分状态信息丢失，不能准确的反应真实的情况，而损伤只是局部现象，需要高频率的模态才能采集到，而低频率的模态不能准确得到损伤的信息。

1.2.2神经网络识别法

1943年，二值神经元模型的提出，拉开了神经网络技术的序幕。从上个世纪九十年代以来，就有很多学者将神经网络用于对结构损伤的识别研究。神经网络识别法对原来的系统没有特殊要求，不限定是非线性或线性，在输出和输入间建立其非线性的映射关联，而对于输入参数也没有明确的规定，可用的输入参数有位移模态、固有频率、应变模态和曲率模态等。神经网络自身的高度容错性和非线性映射能力使对参数的准确与否没有严格要求，对于模糊信息的处理和专家推理的模拟能力都非常具有潜能，可以对桥梁进行实时的诊断和监测，对损伤的位置可以准确的进行识别，并且可以合理评价损伤的程度，所以在桥梁的损伤识别和健康判断中可以发挥巨大的作用。

2.桥梁结构状态的评估策略

2.1桥梁结构的安全性评估

目前，在对于桥梁结构的安全性进行评估时，可以采用多种评估方法，应用的理论主要是层次分析法、可靠度理论、模糊理论和专家系统等。

2.1.1层次分析法

层次分析法简称为AHP，在上个世纪七十年代由美国运筹学家提出。AHP评估方法是对多个指标进行综合的定量评价分析，首先将同层次的评估指标确定初始的权重，把相关的定性因素进行定量化处理，减少了评价中的主观因素的影响，使评估的结果更为客观真实。对权重进行确定时，可以用求和平均和乘积方根的方法进行计算。这一评估方法主要可对桥梁的耐久性和安全性进行评估，包括桥梁的索力、变形、结构损伤、应力和承载能力等内容。

2.1.2可靠度理论

目前采用最多的基于可靠度的分析方法就是一次二阶矩方法，这种方法的基础是保持结构功能函数的正态分布，而在实际操作中，结构功能函数常呈非线性，不符合正态分布规律，导致结构功能函数也不符合正态分布，这时就不能用这一方法对结构可靠指标进行直接的计算，以避免计算的精度无法满足评估的要求。所以，在这一方法的基础上，又出现了二次二阶矩方法，用于对随机空间中的可靠度分析。蒙特卡罗法这一数值模拟法是可靠度分析方法之一，这种方法中，模拟处理的收敛素的和随机变量中维数互不相关，模拟的过程对极限状态下的函数复杂性不造成影响，所以在计算时，不需要将随机变量转换成正态化或将状态函数线性化。

2.1.3综合评估方法

综合性的评估方法是以层次分析方法和专家评估为基础的变权评估方法。目前，我国相关规范中采用的是综合分级评估法，并且最终的评定标度可分五级，根据桥梁所处的环境和维护的要求，利用专家评估的方法对各结构进行权重确定，按照扣分原则进行分数的评定，并划分评估的等级。在实际的评估中，基层维护人员对于按规范判定桥梁的损伤较为困难，一旦重要分部结构评级错误，会使综合评定中的计算出现错误，导致评定结果不能真实反应桥梁结构的实际状态。

2.2对桥梁结构的耐久性进行评估

对桥梁结构的耐久性进行评估，经常使用的评估方法是概率基础上的结构疲劳评估方法。这种评估方法是根据桥梁结构的健康监测利用系统记录的信息绘制应变时程曲线，对桥梁中的结构疲劳以概率学内容进行可靠评估。这一方法需要取一定天数的应变曲线进行统计学分析，从而得到标准样本，并将桥梁中应变循环全用这个样本加以体现，根据雨流计数的方法，得到标准样本上的应力幅谱。具体的分析流程如图1所示。除此之外，还有模糊综合的评估方法。

图1：桥梁箱梁结构疲劳分析流程图

3.结束语

我国很大一部分桥梁因为使用的时间较长，在结构上已经出现了一些问题，埋藏着严重的安全隐患，严重威胁着桥梁的安全使用。因此，采用有效的方法对现有桥梁的结构状态进行识别与评估，是保证桥梁的使用安全和使用寿命的有效措施。要加强对相关技术手段的研究，从而为桥梁的正常使用保驾护航。

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