桥梁结构检测分析系统研究

赖嘉洲

【摘要】桥梁结构属于一个动力学系统，其具备生存环境与结构功能，其组成要素与结构十分复杂。在桥梁结构系统识别与健康监测领域应用系统研究的思路，其对系统的控制是通过主动施加外部能量实现的。桥梁结构系统体现出一定的分形特征，而分维值是描述结构非线性的有效工具之一。

【关键词】系统；桥梁；研究

1 桥架结构系统

桥梁结构比较复杂，由各种结构以及很多不同的材料组合而成，图1 是对桥梁结构进行的简单介绍。桥梁结构系统，是整个桥梁工程中的一个很重要的子系统，而桥梁结构系统又是由多个子系统组合而成的，系统是由基本构件组合形成的，这其中也包括很多的要素、功能、结构以及环境等多个方面的内容。应该注意的是，桥梁结构系统并不是简单地等同于各个部门的总和，而是由各个系统优化组合而形成的一个整体，比如，单个梁构件组合在一起不能帮助桥梁实现跨越峡谷的目标，但是经过一系列的特定的构造，将多个构建结合在一起，则可以形成斜拉桥或者是悬索桥，即可完成桥梁的跨越功能。从某种程度而言，构件单元、结构体系、环境状况等决定了结构系统的整体功能，而其中系统的结构体系又起到决定性作用。一般跨海大桥的桥型选择会优先考虑大跨斜拉桥以及悬索桥等；如果抗震性能要求比较高，则要选择诸如连续刚构以及斜拉桥等抗震性能比较优良的结构系统；或者是可以对连续梁实现结构的改造，从而可以起到好的抗震作用。

2 桥架结构的系统研究思路

2.1 系统识别与健康监测系统识别是指是指利用计算机技术以及相关的试验手段对系统结构进行建模。桥梁结构处于特定的环境中，会遵循一定的输入对应一定输出的规律，分析系统的输入与输出，即可对结构系统加以判断与识别。首先是要建立一个由桥梁整体进行监测的难点，因为，在桥梁的使用年限内，由于种种方面的限制，不能对桥梁的系统进行全面的深入研究，因此，就无法建立统一的、客观的、桥梁状态的评估标准，因此，为了保证整个桥梁技术的开发成功，从而实现系统的目标，就要将系统的各个要素、功能以及结构结合起来。对桥梁结构系统的健康监测与评估要注意以下几点：

第一，系统输出：开发实现基于无线通讯技术的数据采集系统，设计出可以适用于交通荷载、风荷载以及定点测试荷载的传感器最优布设技术。第二，反向分析系统的输入与输出：根据动态边界子结构原理，开发出结构损伤设别系统，其以结构模型修正法为基础，深入研究非线性结构模型的时域评估方法与系统识别技术；探索新指纹技术，提高其在桥梁监测方面的实用性；设计桥梁的监测数据系统、桥梁观察系统以及相关的决策专家系统；同时还要采用良态的建模技术对模型修正作出改正。

2.2 系统非线性机理传统自然科学更加偏重稳定、单一以及有序、均衡，这种传统的科学表现出了鲜明的线性特征。直到20 世纪70 年代左右，自然科学才逐渐的向着失稳、多重性以及无序、非均衡的方向转变。非线性是一切复杂现象的本源，因此自然科学的主要研究对象也开始向非线性系统发展。

2.2.1 分形与分维分形指系统通过某种方式组成与整体相类似的形，分形的实质是一类规则，复杂、混乱，但是局部又与整体相类似的体系。数学家按照特定的规则构造出规则分形集合，其具有严格的自相似性。图2 为柯曲折线结构，其体现出严格的自相似性。在自然界中，海岸线、云层边缘、地球表面以及断口表面与液体湍流等均属于分形系统，其并没有一个严格意义上的分形，其自相似性也只是统计意义上的近似。通常在某些特定的尺度范围，分形自然体局部与整体的某种相似性才会成立，称这些特定的尺度范围为无标度区，而在无标度范围内具有自相似性的分形称其为随机分形；客体在结构、信息以及功能、时间上具有自相似性则称其为广议分形。

在研究实际问题过程中，保需对某个事物是否存在无标度区进行检验，即可确定该事物是否具有局部或者整体的相似性。把事物按照尺度r 分为N个相似部分，针对变化的r 绘出igr-lgN 曲线，再对该曲线进行检验，确认其是否有明显的直线段，如果有，则其所对应的区域即为无标度区域。该方法是依自相似集的相似维数是不依赖于尺度r 的一个常数为理论依据。分维是定量参数，其是对分形特征的描述。由于其描绘的具体对象不同，相应的分维计算的形式也各有不同，比如相似维数、容量維数、信息维数、关联维数以及集团分维与质量分维等形式。在地震学领域，大量研究均是针对地震的时、空、强度分维及其多分维展开的。普遍认为地震为多重分形，在地震前后，分维值会发生变化，这种变化为研究地震前兆的复杂性提供了有效的分析工具。

2.2.2 桥梁的抗震与分形特征分形不仅在自然科学以及社会科学等诸多领域中存在，其在桥梁抗震领域同样存在。首先，地震动为结构的输入荷载，其能量就体现出一定的分形特征，并且能量分维还有可能作用地震预报的新参数。其次，地震动反应谱是地震动特性联系结构动力反应的纽带，其属于统计意义的分形结构，结构反应的分形

特征也是由其来决定的，尤其是以周期为标度，结构反应与反应谱的无标度区应该一致。

第三，研究礅柱的破坏准则过程中可以发现，在划分桥梁域的不同破坏程度时，可以将变形能量双重破坏准则的破坏指数当做合理的指标，以墩柱体积的配箍率或者输入地震动的峰值为标度，破坏指数体现出近似分维的特征。在对桥梁结构出现的地震反应进行分析时，以往复杂的结构有限元模式可以由建立代分析模型的方法取而代之。在桥例计算与理论分析后可以发现，以刚度为标度，结构周期、墩底弯矩以及墩顶位移反应均存在无标度区；而以周期为标度，则墩底弯矩与墩顶位移反应其分形特征也十分明显，与反应谱体现出的分形特征相同。

结合两个实际的桥例建立有限元模型，并将结构动力反应受边跨主跨跨径比、梁墩刚度、局部构件以及支座单元等因素的影响考虑进来。对实际桥例进行分析可以看出，如果标度不同，不管是跨度比、梁墩刚度比还是支座的刚度等，其动力反应均会体现出与多重分形近似的特征，由此可见，分维值可以将动力反应对不同标度的敏感程度直观的反映出来。

在桥梁结构动力分析领域应用分形与分维的概念，关键是要对桥梁结构动力特性是否体现出分形特征进行研究。斜拉桥的纵飘基频对于跨径尺度，主塔侧弯基频对于塔高，体系坚弯基频对于跨径，侧弯基频对于跨宽比以及扭转基频对于跨径都具有统计意义上的分形特征。悬索桥竖弯基频、侧弯基频及扭转基频对于跨径或主缆垂度，具有统计分形特征，利用分数维，可以得到比常用估算公式更为接近实桥值的基频简化计算公式。以桥长为标度，小跨径桥梁的基本侧向周期分维为1.20。桥梁结构系统涉及参数多，统一的规律多存在于定性阶段。分维的概念使得对于性质的认识可以定量描述，正如在许多领域，分维对非线性、无规则现象的描述那样。显然，这还需要大量的工作和艰辛的努力。由上述分析可以看出，混沌系统体现出一定的规律性，而分形理论的主要内容就是对这种规律加以描述。其实，不只是桥梁抗震领域存在分形规律，在整个桥梁大系统乃至更大的土木工程领域均广泛存在。

参考文献：

[1]张启伟，袁万城，范立础.大型桥梁结构安全监测的研究现状与发展[J].同济大学学报，1997（增刊）.

[2]袁万城，崔飞，张启伟.桥梁健康监测与状态评估的研究现状与发展[J].同济大学学报，1999，（2）.

[3]段广仁.线性系统理论[M].哈尔滨工业大学出版社，1996.