浅析桥梁结构劣化与损伤过程的多尺度分析方法及其应用

李元军

(山西省交通科学研究院)



浅析桥梁结构劣化与损伤过程的多尺度分析方法及其应用

李元军

(山西省交通科学研究院)

将重点探究桥梁结构多尺度分析方法，建立结构损伤演化的理论分析与方法。

结构劣化；多尺度分析；大跨桥梁

1 桥梁结构的特点

桥梁结构在服役期间通常会因为受到环境侵蚀、材料老化等疲劳效应而导致结构系统中抗力逐渐衰减，损伤不断累积，造成不可避免的局面。桥梁结构抗力的衰减导致其正常服役载荷能力大大下降，并容易引发灾难性事故发生，桥梁结构损伤情况及其潜在危险性无法预知，为人们的生活与社会的进步造成极大的阻碍。桥梁结构的服役特点包括：环境相对复杂，导致载荷作用规律不确定；服役时间相对漫长，其结构损伤与材料劣化共生共存；桥梁结构构形复杂，导致无法进行结构全尺度在线试验；劣化过程时间持久，且损伤分析所设计的时间尺度也是多量级的，导致无法在同一时间尺度下进行分析。现阶段，材料与结构的多尺度模拟与计算已经迅速发展为一个研究热点。我们必须对大跨桥梁结构多尺度模拟及损伤计算分析方法系统地展开研究。

2 桥梁结构以损伤分析为目标的多尺度模拟

2.1 桥梁结构多尺度建模策略

(1)建立大跨结构全尺度模型。

在设计载荷时，必须计算出结构主要构件的内力，以此确定结构关键构件。

(2)建立重点关注构件的尺度模型。

确定好结构中的重点构件以后，建立相关的尺度模型，从而对构件中的应力进行分析，进一步确定关键焊接细节。

(3)关注焊接部位细节构造。

在上述基础上，对焊接部位的细节构造进行重点观察，并对其局部使用的材料特性进行检验。

根据以上三种方法，可以计算出应力与局部损伤演化对结构内力的影响，将多种不同类型的尺度模型合并在一起，充分满足模型建立的不同需求。

2.2 桥梁结构多尺度建模方法

在对桥梁结构多尺度建模方法研究中，我们可以采用基于子结构的方法，来建立大跨桥梁结构多尺度模型。采用子结构可以大大提高计算效率以及建模效益，基于这一点，我们可以将子结构方法进行改进，让其更加适用于结构建模。在结构多尺度建模过程中，我们应该根据不同尺度模型来确定构建关键所在，可以采用多点约束法，考虑到不同载荷形式来推导，在同样的加载条件下，多尺度模型的位移基本介于单元模型数值之间。

2.3 桥梁结构多尺度模型的修正

在建立结构多尺度模型中，我们必须呈现结构的整体动力特性，要达到多级目标各级尺度下的主要参数识别。模型修正问题研究重点在于目标函数的确定，在传统修正方法中，通常将目标函数设置成有限分析结构。我们在对其进行修正时应该考虑到大型桥梁结构特点，通过评价函数法将其优化问题转化为单指标优化问题，从而建立目标函数，且当两种修正因素对目标函数的敏感性相差比较大时, 应先修正对目标函数比较敏感的因素, 后修正对目标函数不太敏感的因素。

3 基于结构多尺度模拟结构劣化过程分析方法

由于我们在建立大型结构多尺度时，通常接近于有限元模型，基于桥梁结构多尺度有限元模型，我们可以通过模拟计算方法来对桥梁在服役过程中多尺度损伤规律进行研究，在分析中必须考虑到材料的弹性强度、构件的截面大小，利用结构多尺度模型求解结构焊缝细节处的等效应力及损伤增量，采用系统可靠度理论中的约界法得出主要失效路径。在结构服役初期，我们必须考虑到结构中含缺陷的局部细节损伤情况，以此建立结构损伤多尺度分析模型来实现对结构跨细、宏观尺度应力的获取。而在结构劣化过程时间多尺度计算方面，我们发展了一种损伤分析算法，采用中心差分法来对不同类型结构损伤进行模拟计算，与其他计算方法相比，这种方法更加强调时间的多重尺度，对于结构劣化问题我们必须采取针对性措施解决。

4 在桥梁结构健康检测及损伤分析中的应用

随着桥梁结构健康检测系统的发展，传统的钢桥梁结构疲劳评估方法已经无法被应用，基于桥梁结构模拟分析和基于桥梁结构健康检测信息损伤检测系统的发展势在必行。针对目前大跨桥梁结构劣化与损伤过程分析，我们必须结合目前结构模拟现状，在完成润扬大桥、青马大桥等重大桥梁工程的结构健康监测系统和结构状态评估项目的过程中, 研究了上述结构多尺度模拟和损伤分析方法在实际桥梁工程中的应用。润扬长江公路大桥是由南汊悬索桥和北汊斜拉桥组合而成的特大型跨江大桥, 建成于2005年，其中的南汊悬索桥目前保持主跨国内第一、世界第三的记录。青马大桥总长2 200 m，主跨1 377 m,建成于1997 年, 是连接香港九龙市区和大屿山国际机场的铁路和公路两用的重要交通枢纽, 是目前世界上最长的公路、铁路两用悬索桥。

4.1 青马大桥钢箱梁结构疲劳损伤分析

青马大桥在基于结构多尺度模拟结构疲劳损伤分析中，为了提高计算效率，在多尺度模型中通常只会嵌入到所关注的焊接细节局部，在损伤计算中采用两种损伤演化方程, 分别是米勒线性疲劳准则和基于连续损伤力学理论的高周疲劳损伤演化方程。为了靠在损伤多尺度计算结果的可靠性，我们对青马桥结构健康监测系统输出的数据进行分析，表明工程中广泛采用的线性米勒准则用于疲劳寿命评估是偏于安全的, 这种偏于安全的误差, 用于结构的疲劳设计是合适的, 但对于在役结构疲劳损伤累积的准确评估却是不利的。

4.2 润扬大桥结构多尺度模拟

以润扬长江大桥北汊斜拉桥为例, 概要介绍实际桥梁结构多尺度模拟过程中的关键问题。桥面结构采用多重子结构方法来建立有限元模型，并对这种大跨斜拉桥结构多尺度模型进行了相关分析。大跨斜拉桥主要是考桥塔、桥面系、斜拉索三个部件正确建模组成。然后根据我们提出的适合于大型土木结构响应分析的结构一致多尺度模拟方法——模拟方法与策略, 采用分级多重子结构的方法来实现对局部关注部位采用“小尺度”建模, 其它部位采用“大尺度”建模的结构行为一致多尺度模拟。与其他桥梁有限元模型相比，我们建立的结构多尺度模型相对更复杂，首先我们在对主梁进行有限元模型建立时，通常会先找出桥面受力关键截面，对其箱梁截面应力进行分析，并采用多重子结构将“小尺度”模型嵌入到整桥结构当中，形成桥梁结构多尺度模型。

4.3 基于结构多尺度模拟与分析的桥梁检测系传感器布设优化设计

桥梁结构健康监测系统的运行离不开传感器布设系统，传感器在一定程度上会对监测结构起到决定性作用，对于结构状态评估而言，传感器布设越多，所得到的结构局部响应信息则越多，更有利于得到结构的真实性态。

5 结束语

通过对桥梁结构劣化与损伤过程的多尺度分析方法及其应用进行了分析，针对重大桥梁工程结构多尺度模拟与损伤分析的实践表明，不同尺度模型方式必须引入不同的损伤演化过程，大跨结构损伤分析过程必须通过多尺度模拟与计算来实现，桥梁结构会受到很多因素的影响，不论是人为还是运用过程中的不可抗因素，我们都必须将这些或大或小的问题一一解决，相信通过我们的不懈努力，我们一定能够解决桥梁结构劣化与损伤的现象，改变长期以来对结构损伤情况潜在危险性无法预知的现状，促进我国建筑行业的发展，充分满足时代发展需求。

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2015-08-11

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1008-3383(2015)12-0116-01