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基于监测统计数据的高速铁路大跨度桥梁状态评估理论 对桥梁结构进行健康监测,最终目标是要对结构进行健康状态的评估。桥梁结构状态评估,就是根据由常规或特殊检查所积累的信息,选择适当的分析方法,根据相应的评估指标和评估模型,对桥梁结构的工作状态进行综合评价。一个完整的桥梁状态评估流程应包含以下内容,见图1所示。 图1 桥梁结构状态评估流程 桥梁结构状态评估的过程就是不确定推理的过程。不确定推理是依据专家对相关问题的知识和经验,根据提供的不完全的初始信息,进行推理和判断的过程。在此过程中,主要考虑规则的可靠度RC:和前提ui的置信度两种因素,见图2所示,则结论S的可靠度可以表示为: （1） 其中,RC表示规则的可靠度;表示前提的置信度;S表示结论的可靠度;“。”表示合成算子。 图2 不确定性推理模型 将不确定性推理的理论应用于桥梁状态评估中,经过不断的修正摸索,就是现今使用最多的模糊综合评判法。模糊综合评判法是模糊数学的一种具体应用,它以模糊集合论为基础,应用模糊关系合成原理,从多个因素对被评估事物所属的等级进行评估,其问题的一般模式可归结为:设为影响被评价事物的n种因素(或指标),各指标对应的权重为,事物的状态有m种评语等级,判断事物归属于哪一等级。本文试图基于健康监测获得的统计数据,并根据其统计特性,参考模糊综合评判法对高速铁路桥梁进行状态评估。 1 高速铁路大跨度桥梁结构评估指标的确定 建立评估指标体系应从以下几个因素考虑: (1)满足完全性原则,即应整体反映桥梁目前的使用状态; (2)建立的评估指标体系应包含桥梁状态的绝大部分信息,尽量避免或排除对状态 评估结果无影响或影响较小的指标; (3)应与健康监测系统结合起来,即所有指标均可通过监测得到; (4)根据不同桥型的特点和评估的侧重点制定相应的评估指标体系,并尽量参照相 应规范规定的指标,以便与规范限值标准对比; (5)各指标应尽可能相互独立; (6)各指标之间的重要程度具有可比性。 对于高速铁路桥梁结构,桥梁结构刚度、列车行车的安全性及平稳性、乘车舒适性是评估的重点内容;桥梁的横竖向刚度主要通过横竖向自振频率、横竖向加速度和横竖向烧跨比来体现。基于以上原则,高速铁路桥梁结构状态评估指标体系构建如下: 图3 高速铁路桥梁结构状态评估指标体系 图3所列的各评估指标,上部结构参数中“横竖向位移”包括梁体竖向挠度、梁体横竖向振幅、伸缩缝位移;“相应截面应力、索力”包括控制截面的应力、控制系杆或吊杆的索力;下部结构参数中“墩台顶位移”包括纵横向振幅;“支座位移”视支座类型而定,包括纵横竖向位移;车辆参数中“舒适度指标”采用Sperling舒适度指标,根据振动加速度和振动频率计算而得。各具体指标根据不同桥型进行适当的取舍。 上述评估指标体系均可根据相应传感器釆集得到,但由于环境因素的不确定性、边界条件的变化及测量噪声的干扰等方面的影响,导致传感器所采集的原始信号常混杂着各种噪声、粗差等,这些可能会对分析结果产生较大的影响,因此应对原始信号进行处理,以提高分析结果的可信度。原始信号的基本处理包括预滤波、零均值化、消除趋势项、粗差野点的判断与副除、傅里叶变换、信号的统计处理等,这里就不再详细介绍。各指标参数的信号经过处理与分析后,便可得到对应的实测值。 直接用所测的参数进行评定,是一种相对直观简单的方法,一般从实测值与修正计算值、正常值/通常值、安全限值对比来考虑。修正计算值是定期对桥梁结构进行详细的监测与试验的基础上,得到实测参数值,根据这些实测参数值对原结构有限元模型进行修正。修正 内容主要针对桥梁结构支撑、连接等边界条件进行,同时还对桥梁结构实际所用的材料参数,如弹性模量、容重等进行修正,这样得出的修正计算值可作为结构参照标准。正常值/通常值是指桥梁在正常运营过程中,为保证其良好的运营性能及高速列车走行的安全性、平稳性和乘客舒适性而设定的正常限值,与《铁路桥梁检定规范》中定义的“通常值”意义相同。安全限值是桥梁结构必须满足的限值指标,即各参数临危限值。 对国内外动力参数限值标准进行了介绍,但仅局限于小跨度的高速铁路桥梁且桥型有所限制,因此对高速铁路大跨度桥梁结构某些指标的正常值/通常值或安全限值是未知的,导致直接用指标参数进行评定比较困难。基于此,本文对监测得到的各指标参数的变化量进行分析,试图发展一种适合高速铁路任意桥型通用的评定方法。此外,以时间作为横坐标,以指标参数变化量作为纵坐标,得到变化量随时间变化的趋势图,通过分析此趋势图可了解结构状态的变化,也可作出桥梁健康发展情况的估计。 2 各监测参数变化量的近似统计分布 桥梁结构所受的大多数作用具有随机性,如车辆荷载、风荷载、地震或船撞荷载等,因此实际健康监测中,测得的均是非平稳随机响应。由于非平稳随机响应计算较为复