何惟煌

1 概述

近10多年来,国内外学者一直在寻找一种能够适用于复杂结构的整体损伤评估方法,用于损伤定位的指标大致分为基于静态特性和基于动态特性的损伤指标两大类。基于静力的方法具有准确度和信噪比高等优点,但需要明确的外部荷载输入,对运营期的桥梁结构来说比较难以实现。基于动力的损伤识别方法具备长期实时工作、监测不影响交通等优点,是目前得到普遍认同的一种最有前途的方法,但该方法在实际应用中受到试验模态不完备、测试振型自由度较少以及易受噪声影响等几个方面的制约。本文提出一种大跨度悬索桥结构损伤识别的静动力实用方法,该方法特点是充分利用健康监测系统静动力监测数据,以大桥在荷载试验时的静动力状态作为大桥“健康”状况的基准,以大桥“准恒载”挠度曲率的变化和多阶振型变化差值求和作为损伤识别的依据,并以阳逻长江大桥为工程背景进行损伤识别模拟与分析。

2 结构特点与损伤指标实用性研究

加劲梁的抗弯刚度对悬索桥的低阶竖向挠曲频率影响较小,主要是因为在大跨度悬索桥中,加劲梁的抗弯刚度相对于具有初始轴力的主缆形成的重力刚度是一个较小的值[2],而高阶加劲梁的抗弯刚度影响较大。加劲梁横向高阶振动基本独立,与简支梁振动特性基本一致;吊杆是将竖向力传给主缆的局部受力构件,其损伤时对悬索桥结构的整体频率影响很小。

目前,在基于结构动态特性的损伤识别研究中,常用的指标有固有频率变化、模态振型差和模态振型曲率、柔度差和柔度曲率以及坐标模态保证准则等;在基于结构静态特性的损伤识别研究中,常用的指标有应力差、应变差、刚度以及挠度等[3]。其中,基于频率的方法对结构局部损伤不敏感,基于振型和柔度的曲率法由于测试振型自由度较少,振型反弯点容易带来较大误差。柔度法则由于试验模态不完备而在实际工程中难以应用;基于静力的方法主要需要解决外部荷载输入的问题。

为了充分利用静动力测试信息,并克服静力或动力方法进行损伤识别实用性上的不足,本文提出以大桥“准恒载”挠度曲率改变和多阶振型变化差值求和进行损伤识别的方法。

1)“准恒载”挠度曲率识别方法。

在运营期间可以通过结构空载挠度变化进行损伤识别,用于识别的监测工况宜选择在夜间车辆较少时,通过去奇异值等统计分析方法排除车辆荷载的影响,获得“准恒载”状态,另外还应排除温度场对挠度的影响。通过实测加劲梁挠度数据就可以获得“准恒载”作用下的变形{v},变形曲率可通过有限差分法求得,通过变形对坐标位置的二级导数,即可求得变形曲率。

其中,Δx为相邻两个计算点之间的距离。

如果能获得健康结构和损伤结构在荷载作用下的变形曲率{1/ρ}u,{1/ρ}d,两向量的差值为:

显然,结构出现损伤导致损伤前后{Δφ}发生变化,而未损伤处的曲率为0,可由此探测结构损伤的位置。

2)多阶振型变化差值求和。

文献[4]在青马大桥损伤识别中运用了ECOMAC法,本文在此基础上,直接运用多阶振型变化差值求和,其计算公式如下:

其中,i为实测测点号;φuj,φdj分别为未损伤和损伤结构的第j阶测量模态,假如实测模态为第1,2,3,5,8阶,则将这 5阶每个测点对应的差值求和即可。显然,当损伤未发生时,则SD(i)值较小;一旦损伤发生,则SD(i)值较大。多阶振型变化差值求和的方法避免了试验模态不完备、测试振型自由度较少等动力测试方法实际应用的缺陷,可以获得较好的识别效果。

3 阳逻长江大桥损伤识别

3.1 工程概况

阳逻长江公路大桥是京珠国道主干线及沪蓉国道主干线的重要组成部分,位于武汉市东北郊区。主桥结构形式为大跨度钢箱梁悬索桥,总体布置为(250+1 280+440)m,矢跨比为 1/10.5。桥塔设计采用分离式H形空间索塔,加劲梁采用钢箱梁。大桥设计先进,技术含量高,其跨度在同类型桥梁中排名国内第四、世界第八。为保证大桥运营期的安全运营,并为大桥的维护提供及时指导,建立了阳逻长江大桥长期健康监测及数字化管养系统,损伤识别是该系统的重要内容之一。

3.2 损伤模拟与识别

基于ANSYS平台建立了大桥空间有限元计算模型。在模型中,索塔采用梁单元模拟,主缆和吊索等效为空间杆单元,加劲梁采用板壳单元进行模拟,桥面铺张和栏杆用附加质量。

损伤模拟时,分别将加劲梁1/16,1/8,1/4以及跨中处50 m区域抗弯刚度减少30%,将1/16,1/8,1/4以及跨中处一对吊杆抗拉刚度减少30%。

1)“准恒载”挠度曲率损伤识别。以成桥时荷载试验实测线型作为大桥的基准状态,运营过程中通过选择在夜间车辆较少时利用去奇异值等统计方式获得“准恒载状态”的几何线型。损伤识别结果见图1,图2,图1,图2中较大值处即为损伤位置。

2)多阶振型变化差值求和损伤识别。以实测竖向第1,2,4,6,8,9,10,11,13模态振型作为基准振型,模拟结构损伤,部分损伤识别结果见图3,图4,图3,图4中较大值处即为损伤位置。

4 结语

1)文中结合静力和动力法进行损伤识别,所述方法充分发挥了动力实时监测和静力稳定可靠的优势,并克服了各自方法的缺点;2)吊索的损伤可以在此基础上,通过索力测试等方法来进一步确认;3)从文中理论分析和模拟结果来看,所述方法能较好的应用于目前工程实际,具有好的实用性,值得推广。

[1] 秦 权.悬索桥的损伤识别[J].清华大学学报(自然科学版),1998(12):30-32.

[2] 张运波.影响大跨度悬索桥自振特性的参数分析[J].华东公路,2002(6):121-122.

[3] 刘嫦娟.悬索桥损伤指标的适用性分析[J].建材技术与应用,2007(1):233-234.

[4] B.S.Wang.COMPARATIVE STUDY OF DAMAGE INDICES INAPPLICATION TOA LONG-SPANSUSPENSION BRIDGE[A].Advances in Structural Dynamics[C].Oxford(UK):Elsevier Science Ltd,2000:1085-1092.

[5] 钟继卫,孙连峰,李星新.阳逻长江大桥荷载试验报告[R].武汉:大桥局武汉桥梁科学研究院科研报告,2008.