桥梁结构承载能力快速检测评定方法综合探讨

1、桥梁结构承载能力快速检测评定方法综合探讨重庆交通科研设计院桥梁与结构工程分院简介国家山区公路工程技术研究中心桥梁工程结构动力学国家重点实验室桥梁结构抗震技术交通行业重点实验室主要设备 实验室建成了世界领先水平的轨道移动式大型地震模拟试验台阵系统。 是国内唯一可开展长大桥梁三轴向多点激震等空间效应研究的全桥模型实验系统。 承担了港珠澳跨海大桥、 厦漳跨海大桥等10余座桥梁的抗震试验，并承担了路基、边坡、核电站、特高压输电设备、民用建筑、输气管线、高铁等工程的地震台试验。自主研制的大型工程索缆静载和疲劳试验系统，疲劳试验能力为15000kN（静载+动载），静载试验能力为30000kN，具有拉弯疲劳

2、试验功能，其加载吨位和试验功能均处于国际领先水平。完成了国内30余座大跨度桥梁拉索疲劳试验项目。主要设备主要设备大型桥梁支座试验系统 最大试验能力达到30000kN，具有载荷控制和位移控制两种方式。可进行桥梁支座基本力学性能试验研究及抗震性能试验研究。 主要设备 主要为桥梁检测人员在检测过程中提供作业平台，装备有桥梁检测仪器,用于流动检测和(或)维修作业的专用汽车。它可以随时移动位置，能安全、快速、高效地让检测人员进入作业位置进行流动检测或维修作业。工作时不影响交通而且可以在不收回臂架的情况下慢速行驶。桥梁检测车主要设备 实验室购置了3台人工气候模拟设备，可对桥梁材料或构件进行温度、盐雾、喷淋

3、、日照、 CO2、冻融、碳化等试验。人工气候老化箱 研究背景 理论基础 研究内容 结论 我国公路建设规模庞大，目前公路总里程已达到387万公里，公路桥梁已达到70万座。到2020年，我国将新建110万公里的公路网，万多公里的高速公路和20余万座桥梁，已是仅次于美国的世界第二桥梁大国。我国桥梁建设迅猛发展的同时，在桥梁养护、维修、监测和管理等方面在一定程度上出现了相对滞后状况，重大垮塌事故也时有发生。 綦江彩虹桥垮塌铁力市呼兰河大桥坍塌 研究背景在役桥梁检测评定 研究背景在役桥梁检测评定 桥梁快速检测评定方面：桥梁工程师一直面临着如何在不中断交通或少中断交通情况下，对交通繁忙的桥梁进行检测评定，

4、如何对量大、面广的中小跨径桥梁进行大面积快速评定的难题，这方面的研究还处于起步阶段，还未有实质性的进展。静、动载试验方面：桥梁结构评定主要通过检查、检算、检测，静力试验在桥梁结构承载能力的检测评定中已得到非常广泛的应用，被认为是最可靠的方法之一，但存在测试时间长、费力和成本较高等缺点。桥梁结构动力试验方法与评定方法主要是通过动力测试得到桥梁的频率、振型、阻尼、冲击系数等动力参数，以评定桥梁的动力性能，但不能直接评价桥梁的承载能力，对于桥梁的承载能力评定只能起到辅助和补充的作用。 索支撑体系桥梁索力测试方面：我国建有大量的斜拉桥、悬索桥、吊杆拱桥等索支撑体系桥梁，在役桥梁索力检测是非常重要的检测

5、内容，目前短索索力的动力法测试还有待进一步研究。 模型可分为解析模型和有限元模型。结构建模的手段主要有两种：理论建模和实验建模。其中前者因对结构物理特性、几何特性、连接状态和约束条件等的简化以及这些简化过程中包含了诸多不确定因素而使得分析结果与实际测试结果出现偏差，在不少情况下这种偏差会超出工程许可范围。 精确的解析模型或有限元模型作为桥梁损伤识别、健康监测、结构控制、结构评估和诊断等方面的强有力的工具而受到广泛的重视。 理论基础基本思路 理论基础基本思路模型修正过程 理论基础基本思路用于模型修正的目标参数选择1、静力参数2、动力参数一、实测准静态广义影响线在桥梁 检测评定中的应用研究基本原理

6、： 主要是采用测试值与有限元计算值之间的影响线残差和频率残差及其相关函数作为修正目标函数，进行有限元模型修正。 理论基础基本思路本研究选择动、静多目标参数用于模型修正 理论基础多目标优化处理加权平均处理多目标优化变为单目标约束优化问题 理论基础基本思路待修正结构参数选择1、整体参数（几何或材料）2、局部参数（几何或材料，需识别位置） 3、边界条件 研究内容数值算例 I2345678910119112913914915DAMDAMDAML=6.0mh=0.2mb=0.25m数值模型损伤单元几何参数假设E1，E2和E3分别减少了20%，50%和30% 研究内容仅用影响线残差修正三个单元弹性模量的损

7、伤值和修正值弹性模量E1E2E3实际值（10e8Pa）256.00160.00224.00修正值（10e8Pa）255.39161.41223.59误差()-0.240.88-0.18 研究内容动、静测试误差对多目标修正的影响实际值与误差值（假设有10%测试误差） 实际值误差值误差（%） 位移影响线 -8.38e-3-9.22e-310.00基 频8.279.0910.00修 正 方 法E1(10e8Pa)误差（%）E2(10e8Pa)误差（%）E3(10e8Pa)误差（%）实际值256.00160.00224.00影 响 线 法211.6617.32191.7919.87195.57-12.

8、69基 频 法179.39-29.92225.4040.88295.0731.7多 目 标 法（权系数1：1）211.81-17.26175.219.51235.014.92三种方法修正结果及误差 数值模型几何参数 研究内容数值算例 II边界条件的损伤值和修正值T1T2T3实际值1000.001000.001000.00初始修正值500.00500.00500.00修 正 值1002.751000.241007.98误 差 0.280.020.79 研究内容数值算例 II 研究内容准静态广义影响线的定义准静态广义影响线的的定义：通过慢速跑车，测得的结构某一量值随车辆位置变化的函数曲线。1）加载

9、载荷不是单位荷载，而是具有四个或多个集中力的汽车荷载，作用点连续移动，方向和大小保持不变；2）广义位移如位移、应变和曲率等和广义内力如轴力、弯矩和扭矩等；3）动力效应不很明显，几乎趋近于静态响应；4）结构响应是对应于连续慢速的动态加载过程，相当于多工况加载问题，可以掌握更多的结构信息。 影响线的定义：在竖向单位移动荷载作用下，结构某一量值随竖向单位荷载（P=1）位置移动而变化的函数曲线。 研究内容准静态广义影响线的定义1、加载车辆一般为双轴或者三轴重车，纵向两列轮胎。2、对桥梁而言，一般通过左、中、右三次跑车进行测试。 研究内容影响线快速测试系统基本原理： 该系统的硬件系统主要由脉冲信号激励装

10、置、脉冲信号发射装置和脉冲信号接收装置组成；软件系统记录脉冲信号和控制截面待测量Z，然后利用脉冲信号计算其对应的车辆位移，并绘制影响线。影响线快速测试系统脉冲激励装置平面图实测应变影响线面向测试对象的桥梁结构有限元分析与模型修正软件系统界面 研究内容模型修正软件基本原理： 采用挠度（应变）等变形影响线及其对位置的一、二阶导数识别结构的损伤位置 。基于影响线的损伤敏感性指标体系 一阶导数影响线二阶导数损 伤 研究内容损伤敏感性指标损伤程度基于影响线的损伤敏感性指标体系 多损伤识别 研究内容损伤敏感性指标完好模型和损伤模型损伤位置损伤位置基于影响线的损伤敏感性指标体系 一阶导数影响线二阶导数忠县乌

11、杨大桥全景 研究内容损伤敏感性指标横隔梁 基于准静态广义影响线的桥梁承载能力快速评定方法直接对比评定法 :直接对比测试影响线和计算影响线来评定桥梁结构的承载能力。模型修正评定法 :用实测的准静态广义影响线数据来修正有限元模型，用修正后的有限元模型来预测结构的响应情况并对桥梁结构进行评定。研究意义：上述评定法可以为桥梁结构检测评定提供更多的信息，丰富和完善常规桥梁结构评定方法，为不中断交通或少中断交通以及超重车过桥评定提供了快速评定的手段。 改进部分 研究内容应用研究直接检算评定法 :直接利用测试影响线进行荷载组合来评定桥梁结构的承载能力。 研究内容应用研究忠县乌杨大桥全景 边界条件约束状况修正

12、影响线残差简支梁（扭转自由度完全放松）36.48 固定端（所有自由度度约束）5.51 弹性支撑（扭转自由度不完全放约束）1.89 研究内容应用研究忠县乌杨大桥全景 梁号2车正载4车正载实测(ue)预测值(ue)误差%实测值(ue)预测值(ue)误差%B1#-30-29.32.33 -58-54.36.38 B2#-28-27.13.21 -55-54.21.45 B3#-26-28.4-9.23 -57-56.60.70 B4#-31-28.19.35 -61-56.86.89 B5#-27-27.2-0.74 -55-57.4-4.36 修正模型预测与静载试验对比分析 梁 号加载位1加载位2

13、加载位3加载位4组合值实测值误差%B1#-3.74-23.57-3.06-23.21-53.57-587.63B2#-8.46-19.11-7.48-18.86-53.91-551.98B3#-13.23-13.57-11.57-14.10-52.47-577.94B4#-18.66-11.29-16.62-11.35-57.93-615.04B5#-21.31-5.03-19.85-4.80-50.99-557.294车加载值与准静态广义影响线组合值对比(单位:) 研究内容应用研究梁 号3车正载6车正载实测(ue)预测值(ue)误差(%)实测值(ue)预测值(ue)误差(%)1#3026.7

14、4-10.865756.16-1.472#3734.11-7.827471.68-3.133#4039.46-1.368383.230.284#4443.09-2.079590.76-4.475#4245.217.649094.494.996#4343.180.428890.743.117#4039.70-0.767883.186.658#3934.47-11.607371.61-1.919#2927.15-6.375256.087.85修正模型预测与静载试验对比分析 长寿长江大桥南引桥边跨 骑中线跑车理论计算值（D-QSIL）与测试值（T-QSIL）对比分析 研究内容应用研究忠县龙洞大桥全景

15、 梁号加载位1加载位2加载位3加载位4组合值实测值误差%1#-2.87 -28.97 -2.94 -29.69 -64.48 -623.99 2#-8.56 -27.26 -6.11 -27.95 -69.88 -76-8.05 3#-15.36 -17.84 -15.74 -18.29 -67.23 -69-2.28 4#-22.78 -13.43 -23.35 -13.77 -73.34 -696.60 5#-27.70 -4.26 -28.39 -4.37 -64.72 -625.06 4车正载实测值与影响线组合值对比 研究内容应用研究二、索支撑体系桥梁索力测试技术研究 专题4-代表性成

16、果2高精度的长短索索力识别方法基本原理：采用遗传等识别算法修正拉索有限元模型中:索力T、弯曲刚度EI、线密度 A、边界条件Ky,K等，多参数识别问题。 自振频率与拉索参数为：fj = fj (T, A, EI , K y , K )目标函数遗传等识别算法索力识别流程长短索索力识别系统界面选择各阶频率 输入识别参数 研究内容工程应用研究拉索设计索力（kN）计算索力（kN） 偏差上游SSC2850865205 2.34%上游SSC2750335161 2.55%上游SSC2649345148 4.34%下游SSC2850865069 -0.33%下游SSC2750334958 -1.48%下游SS

17、C2649345071 2.78%上游NSC2849075168 5.32%上游NSC2748194744 -1.55%上游NSC2648164793 -0.49%下游NSC2849074796 -2.26%下游NSC2748194744 -1.55%下游NSC2648164734 -1.70%重庆夔门大桥固结索索力识别的公式化公式化背景固支索力解析公式铰支索力解析公式经典弦张力解析公式？数值识别方法：效率低、数值不稳定、结果可靠性差公式化识别方法：效率高、可操作性强、利于大规模采用有限元法、优化识别算法、特征求解固结索索力识别的公式化索振动方程频率方程方程1、含有双曲线和三角函数的超越方程2

18、、数值越界3、大数与小数并存 ？双曲线：当=2l=时，/ch= ，sh/。 等价为固支索频率解析公式固支索频率解析公式成立条件其中根据实际工程的计算精度而定方程图解法固结索的近似频率方程第1次近似第2次近似与铰支索公式非常类似设弯曲刚度EI2，索长l，索力T，线密度A-1。频率阶数频率方程/Hz近似方程/Hz频率公式/Hz相对误差/%1141.31140.28140.71-0.432388.74388.82389.080.093761.44761.44761.620.0241258.211258.211258.350.0151879.151879.151879.260.0162624.262624.262624.3