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    • 百花范文网 > 实用范文 > 其他范文 > 异形桥梁优化设计与损伤识别方法

    异形桥梁优化设计与损伤识别方法

    时间：2023-02-24 16:55:05来源：百花范文网本文已影响人

    胡梦宇

    （北京市市政工程设计研究总院有限公司广东分院,广东 广州 510075）

    随着国家对基础设施的大力建设，桥梁作为我国交通运输通道的重要一环，在提升运输效率和城市空间利用率等方面，有着无可替代的作用。但因为我国对城市规划、道路设计相关规范的要求，加之地形自然环境等因素影响，异形桥梁的设计也随之而来。异形桥梁作为弯桥梁与直桥梁的连接，比普通桥梁有着更为复杂的计算模型与受力方式。因此传统的计算模型与分析方法已无法准确分析其复杂的空间效应。如何对不同的异形桥梁进行优化设计成为了一大难题。异形桥梁不仅在结构层面有难以解决的问题，在道路行驶方面也需要较多的优化。例如如何避免较多车辆同时汇入时产生的道路安全隐患等，桥梁也容易在外界重复荷载、材料老化等因素下发生疲劳损伤以及性能的不断退化，使结构的安全性降低，从而造成重大的交通安全事故[1]。因此，异形桥梁的优化设计方案与损伤识别方法，对国家基础建设以及保障人民的生命财产安全尤为重要。

    该文依托工程为某异形桥梁，桥梁全长为85 m，跨径（20+30+20）=70 m，由拱形装饰、主体结构及悬挑平台三部分组成。全桥分为左右两幅，桥梁两侧均设置有10 cm的伸缩缝。图1为异形桥梁效果图。桥梁参数见表1所示。

    图1 异形桥梁效果图

    2.1 异形桥梁道路优化设计

    我国对异形桥梁的分类较多，有X形、Y形、三路相交及畸形相交等，图2为Y形异形桥梁。由于异形桥梁的本身特征，导致车辆在经过路口时的方向有较大的不确定性，行驶轨迹无规律；
    车辆的入口与出口没有明确的指向性，导致驾驶员错误判断；
    异形桥梁交叉口存在较多的多路交叉的现象，容易使双方驾驶者难以发现对方，从而造成较大的交通事故。因此，有专家学者指出，考虑到各种不利因素，异形交叉口的优化设计实施难度大。因此，对于多路交叉口和错位交叉口的形式，可考虑限制一种一路或几路实现交通优化；
    对于通行能力接近饱和路口范围大的多路交叉口，宜选择环岛交通组织[2]。

    图2 Y形异形桥梁

    2.2 异形桥梁结构优化设计

    作为直梁桥和弯梁桥的连接结构，异形桥具有正桥受力和弯梁桥弯矩组合的受力特征。与一般传统弯桥相比，异形桥梁的弯曲、畸变、翘曲和剪力滞后以及不同效应的相互耦合是当前研究的重点领域。当前，由于异形桥梁结构多样，受力行为复杂，约束扭转和剪力滞后的特征突出，采用一般的理论计算分析方法无法实现对异形桥梁结构的准确分析。

    在异形桥梁设计过程中，存在诸多影响因素，对各个因素的影响权重分析，从而得到最优设计参数组合是众多研究人员的关注热点。目前，国内外众多学者对薄壁箱梁开展理论计算和方法研究，然而考虑到异形桥梁与薄壁箱梁在受力特征方面存在着诸多差异，过往采用的理论解析法无法直接应用。而随着科学技术的突飞猛进，基于大型计算设备的数值模拟方法在结构计算领域得到广泛应用。其中，有限元计算为异形桥梁结构的静力和动力特性求解提供有效方法。通过建立有限单元模型、输入荷载及开展数值计算，研究各设计参数对桥梁受力特征的影响程度发挥了重要作用。但是，在有限元计算方法中未建立准确反映异形桥梁受力状态的指标体系。在开展设计参数对桥梁受力性能的分析过程中，考虑到多种影响因素，单因素试验往往无法反映现实情况。对多种因素组合的全面试验，需要开展多种工况下的数值建模及数值计算，模型计算量大，实施难度大。因此，采用正交试验方法，选取具有代表性特征的参数组合，可以降低试验操作难度，反映各设计参数对桥梁结构受力性能的影响程度。

    正交试验方法一定程度上降低了试验操作和试验分析的难度，但对于多个指标的正交试验仍存在工作量大、权重设置不合理及外界影响因素等劣势。因此，该文引入层次分析法，以求建立异形桥梁受力特征的指标体系。选取应力变异系数、曲梁的扭转程度及扭转振动基础频率等作为试验指标，利用正交试验方法分析支撑方式、截面高度、闸道半径等参数对试验指标的影响程度。同时，需明确各参数及其水平的权重计算方式。基于上述方法，可以得到各因素及其不同水平对异形桥梁受力特征的影响权重。根据影响权重大小依次排序，可以得到对异形桥梁受力性能影响的主次顺序，在此基础上开展结构优化设计[3]。综上所述，采用该文提出的基于权重分析法的正交试验可以显著减少试验操作过程，更为合理地反映各项参数的影响程度，为异形桥梁结构优化提供了有效措施。

    2.3 整体优化设计方法

    异形桥梁结构复杂，存在较多变量，且属于高次超静定结构，在设计过程中无法做到准确判断，应综合考虑各种因素，对桥梁质量做出合理评判，同时评判过程应结合桥梁的各项参数及运营状态。在当前异形桥梁建设过程中，采用整体优化设计方法存在一定的局限性，导致其应用效果有限，主要是受到建设环境、工程造价及施工技术等因素的影响。设计人员应借鉴国外的设计模式及设计理念，结合桥梁建设情况，引入功能评价、造价控制等指标，实现整体优化设计效果。

    由于桥梁自身材料的老化、自然环境的影响和缺乏人为的养护，世界范围内的桥梁均面临着性能衰减、结构安全性不足等问题。加拿大目前已有40%的桥梁已建成30年以上，美国面临着40%的桥梁需要进行加固与维修。随着我国经济社会的迅猛发展，全国公路桥梁数量达73万余座。上述桥梁在服役一段时间后，也要面临着维修、加固、保养等问题。如何有效地鉴别桥梁的损伤，成为重要的研究热点。

    桥梁的损伤识别作为桥梁结构的健康检测中的重要一环，有着较多的方法。一般情况下，结构损伤就是结构系统发生了改变，影响了结构的性能。传统的桥梁损伤识别时依赖于人工检测，检修员在一定期限内对桥梁进行检修。但是这种过于依赖人工经验，有较大风险。目前主流并得以广泛应用的检测方式是通过超声波、X射线等工具对结构内部进行检测。异形桥梁等大型且复杂的桥梁，用X射线等仪器局限性较大。对于无法接触到的区域，无法进行检测，此时采用基于震动损伤识别的方法较为有利。通过识别其指标类型来判断损伤程度。例如模态柔度、阵型、频率等。图3为结构健康监测组成部分。

    图3 结构健康监测组成

    3.1 动力参数损伤识别方法

    桥梁若出现结构损伤，例如裂缝、塑性铰等，会引起自身刚度变化，从而导致频率、振型等动力参数发生变化。通过对动力参数建立起相应的数学模型，使动力参数能够表达出结构损伤的程度。频率、振型等指标是常用的判别损伤指标，但其对损伤的敏感性及适用范围各不相同。频率参数可较容易获得，但对结构损伤的敏感性较低，即反应损伤的能力较弱[4]。图4为异形桥梁动力参数损伤识别流程。

    图4 异形桥梁动力参数损伤识别流程

    3.2 模态振型损伤识别

    模态振型损伤识别方法是鉴定异形桥梁结构损伤识别的重要方法之一。模态振型损伤识别主要依靠振型数据的输入量与振型数据的导出量。若异形桥梁结构内部出现损伤，在整体空间信息输入时，局部模态振型在损伤区域出现变化，通过模态振型的频率变化识别异形桥梁结构内部损伤。图5为异形桥梁模态振型损伤识别流程。

    图5 异形桥梁模态振型损伤识别流程

    3.3 结构损伤识别

    根据结构损伤识别的基本原理，损伤识别属于力学和工程中的问题。即结构系统自身的特征未知，或输入参数未知，而响应数据已知，通过响应数据反推得到结构的特征数据。由于传统识别技术有着诸多劣势，比如计算繁琐、计算结果不收敛等，导致最终结果不准确。结构损伤识别首先利用人工智能技术，对异形桥梁扫描后得到其内部情况图像，然后利用计算分析软件对损伤区域进行研究，从而完成整个损伤识别过程。该方法操作便捷，但对计算设备及智能软件提出了较高要求。通过上述流程可知，基于计算机技术的智能设备在异形桥梁损伤识别中发挥着显著作用，值得进一步推广[5]。图6为异形桥梁结构损伤识别流程。

    图6 异形桥梁结构损伤识别流程

    异形桥梁作为交通设施的重要组成部分之一，在提升交通效率、便捷出行等方面发挥了显著作用。在城市化进程中，为了提升城市空间利用率，异形桥梁以其空间利用高、受力性能好等优势，得到了大规模应用。考虑到异形桥梁外观几何构造和结构设计的多样性，采用传统的设计方法存在一定的局限性，该文提出了异形桥梁优化设计的几种方法。然而，受外界荷载、温度变化及盐分侵蚀等环境因素影响，异形桥梁结构会出现不同程度的损伤情况，桥梁承载力降低。因此，为了减少异形桥梁损伤事故的发生，保障人民群众安全出行，需做到对异形桥梁损伤状况的有效识别。该文根据损伤程度的不同，提出了多种损伤识别方法，为工程实践提供参考。

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