浅析桥梁结构系统研究和结构可靠性

摘要:本文用系统研究的思想来系统地理解桥梁结构的一些新领域。分析表明桥梁结构是一个要素和结构复杂、具有生存环境和结构功能的动力学系统。结构可靠性是许多国家开始研究在结构设计规范中的应用,使结构可靠性理论的应用进入一个新的时期。

关键词:桥梁;结构;可靠性

1 桥架结构系统

桥梁是由多种材料、不同结构组合而成的复杂系统。桥梁结构系统的要素、结构、功能及环境的简要示意图。桥梁结构系统是桥梁工程大系统的一个子系统,不同的桥梁结构体系又构成各个更低层次的子系统。要素中的各种基本构件也构成一个层面上的系统,有其自身的要素、结构、功能和环境。

桥梁结构系统整体不等于部分之和。单个基本构件,比如单个梁构件,是无法实现跨越峡谷甚至海峡的目的的,而多个构件按照一定的构造规则组成悬索桥或斜拉桥就可以实现。结构系统的整体功能取决于构件单元、结构体系和环境状况,其中起决定性的是系统的结构,通常只有大跨斜拉桥和悬索桥才能作为跨海大桥的候选桥型,对抗震性能要求较高的地区,应选用抗震性能较好的结构系统,如连续刚构、斜拉桥等,或对连续梁等桥型进行结构的改进,设计支座单元,达到减震目的。

耗散结构理论认为,在远离平衡状态的非平衡区内,在非线性的非平衡作用下系统演化方向是不确定的,系统的平衡可能失稳,发生突变,系统呈现出新的结构稳定状态。这种结构是一种非平衡的结构,接受环境注入系统的负熵流才能稳定。桥梁的非线性行为同样体现了这一思想,桥梁的失稳为系统突变所致,地震荷载作用下的桥梁系统的延性抗震性能也是结构非线性性能的体现。

2 桥架结构的系统研究思路

2.1 系统识别与健康监测

结构系统识别是通过试验和计算机来实现对结构的建模。桥梁结构可以看作“灰箱”系统,处于一定环境中的桥梁结构,一定的输入对应一定的输出,通过对系统输出和输入的分析,可以实现对结构系统的判断和识别。对这样一个灰箱的识别首先应确立一个由梁整体监测的许多困难,对桥梁在使用年限内工作特性的变化缺乏全面深入的研究,难以建立客观统一的桥梁状态评估标准。所以整个技术的成功开发乃至系统目标的最终实现有赖于更好地结合系统自身的要素、结构和系统工作环境。

具体实现桥梁结构系统的健康监测与状态评估,当前主要有以下几方面的工作

针对系统输出:开发和应用以无线通讯技术为手段的数据采集系统;开发能适用于交通荷载风荷载及定点测试荷载的传感器最优布设技术;

针对系统输入和输出的反向分析:采用动态边界子结构原理,开发以结构模型修正法为基础的结构损伤识别技术;研究非线性结构模型的时域评估方法及系统识别技术;寻找更适合桥梁监测的新指纹;开发桥梁观察与监测收据管理系统及决策专家系统;综合良态建模技术,改善有限元模型修正方法;

系统分析的终端应用:根据观察与监测的结果分析实桥的剩余承载能力;建立桥梁安全准则及能用于桥梁整个寿命过程经济评价的估价模型。

2.2 系统控制

古典控制理论起源于本世纪20年代,主要以单变量线性定常系统为研究对象,以频率法为主要方法研究控制系统的动态特性。50年代以来,逐渐出现了多变量系统、系统灵敏度分析、动态系统测试状态空间方法和 Bellman动态规划等现代控制理论方法。

在系统与控制理论中,主要研究动力学系统。桥梁结构在动力荷载作用下,表现为不确定性的随机系统,其非线性行为受到越来越多的关注和研究。尤其在桥梁的抗震和抗风领域,近年来从传统的抗震抗风设计思路发展到结构控制思想。目前的结构控制方式主要有被动控制、主动控制和混合控制,被动控制是通过支座、阻尼器等装置来消耗输入系统的外部环境能量;主动控制的基本思想是通过主动施加外部能量来抵消和消耗环境输入能量,使偏高平衡状态的系统在新的注入能量流作用下找到平衡。

3 桥梁结构可靠性理论研究现状

长期以来,人们就广泛采用“可靠性”这一概念来定性评价产品的质量。这种靠人们经验评定其产品可靠、比较可靠、不可靠,没有一个量的标准来衡量。

桥梁可靠性设计要解决的问题是在结构承受外荷载和结构抗力的统计特征已知的条件下,根据规定的目标可靠指标,选择结构(构件)截面几何参数,使结构在规定的时间内,在规定的条件下,保证其可靠度不低于预先给定的值。

可靠性的数量描述一般用可靠度。我国对结构可靠度的研究只限于理论方面,且侧重于可靠度设计方面,对结构耐久性方面的研究,特别是对耐久性评估理论的研究还很落后。实际上对现有桥梁结构做出正确的可靠性评估,准确预测出其剩余寿命,才能保证结构在寿命延续期内的安全性,节省大量的维修加固资金。

我国在桥梁设计过程中,存在着考虑强度多而考虑耐久性少;重视强度极限状态不重视使用极限状态;重视桥梁结构的建造而忽视其检测和维护,使结构安全性存在不同程度的隐患和缺陷。近几年来,国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲劳损坏(如结构开裂、变形过大等)所导致,从而严重影响桥梁结构的承载能力和使用性能。为了保证桥梁安全运营、延长其使用寿命以及提高桥梁的安全性和耐久性,减少早期桥梁病害,从而节约后期桥梁的维修费用,因而对桥梁结构可靠性研究非常必要和迫切。

4 工程结构可靠性理论研究发展趋势

进入二十世纪80年代后,结构系统的可靠性理论研究工作已经成为结构工程中的研究热点,并已出版了许多专著,对于复杂的结构系统可靠度分析和先进的计算方法蓬勃发展。概括而言,如下几方面是结构可靠度理论研究的热点:

结构系统的可靠度分析。对于结构系统可靠度分析的非常复杂的研究课题,许多学者对此从不同角度进行了研究,提出了一些概念和方法。如结构可靠度分析的一阶矩概念及荷载为Ferry Borges Castanheta组合情况下的计算方法问题;利用系统系数,针对结构各种破坏水平所对应的极限状态不同,计算系统可靠度并进行结构设计的方法;利用蒙特卡洛(Monte-Carlo)法采用重要抽样技术计算结构系统的可靠度等,同时,一些学者还研究了系统可靠度界限的问题。总之,系统可靠度分析研究内容丰富,难度较大。

对结构极限状态分析的改进,除考虑强度极限状态外,还应考虑结构的正常使用极状态、破坏安全极限状态,以及地震和其他特殊情况下考虑能量耗损极限状态等。

目标可靠度的量化问题。虽然校准法已经部分解决了这个问题,但与实际情况相比,这方面的问题还远远没有解决。

人为差错的分析。许多结构的失效并非由荷载、强度的不确定性造成,而往往是设计、施工、使用等环节中人为差错造成的,这方面事例很多,已成为目前研究热点之一。

在役结构的可靠性评估与维修决策问题。对在役建筑结构的可靠性评估与维修决策正成为建筑结构学的边缘学科,它不仅涉及结构力学、断裂力学、建筑材料科学、工程地质学等基础理论,而且,与施工技术、检验手段、建筑物的维修使用状况等有密切的关系。同时,经典的结构可靠性理论,在在役结构的可靠性评估中也必将得到相应的发展。

模糊随机可靠度的研究。模糊随机可靠度理论研究是工程结构广义可靠度理论研究的重要内容,随着模糊数学理论与方法的完善,模糊随机可靠度理论也必将进一步完善和发展。

结语:

桥梁工程问题的解决总是理论与工程经验的结合,掌握的知识越多,主观经验越少,桥梁结构的设计越合理,这也正是桥梁工程技术研究追求的目标。桥梁结构可靠度理论研究是内容极其丰富且复杂的重大研究课题,不仅仅在理论上有许多重大问题需要解决,而且,将其应用到桥梁结构设计、评估及维修决策之中尚有许多细致的工作要做。

参考文献

[1]《公路桥涵施工技术规范》(JTG F41-2000)

[2]《公路桥梁工程建设危旧桥测试改造拆除加固维修技术及典型案例分析实务全书》 胡智慧 杨道江 光明日报出版社

[3]刘玉彬.工程结构可靠度理论研究综述[J].吉林建筑工程学院学報,2002,19(2):41-43.

推荐访问： 结构 浅析 可靠性 桥梁 研究

---