王珊珊，张文武，闫昕，刘方洲

（1.山东高速集团有限公司，山东 济南 250098；
2.中路高科交通检测检验认证有限公司，北京 100088）

改革开放以来，我国桥梁建设取得了举世瞩目的成就，在经济社会发展中发挥了积极、重要的作用。然而，随着服役时间的增长，荷载、环境等作用的变化，出行安全性、舒适性等需求的提高，桥梁的安全性、耐久性等问题也日益突出，受到越来越广泛的关注。

养护维修是确保桥梁处于正常工作状态的主要手段，包括检查检测、维修保养和加固等工作，其中，通过规范性的日常巡查、经常性检查、定期检查和特殊检查是获取桥梁工作状态的主要途径。然而，养护检查及评定在很大程度上要依赖于人员的经验，且周期性较长，隐蔽缺陷检查不到，这样就存在对桥梁状态评估不准确不全面、对病害发展跟踪不到位、对突发异常反馈不及时等弊端。

20 世纪80年代，随着传感与测试、计算机、网络传输、数字信号处理、数据库等技术的发展，桥梁监测理论体系得以逐步建立及发展应用。近20年来，随着桥梁建设的飞速发展和对桥梁安全重视程度的不断提高，我国在桥梁监测领域的研究和应用上均取得了跨越式发展，目前已成为系统应用最多的国家。但是，桥梁监测数据至今没有在桥梁养护工作中得到广泛有效地利用，监测系统对桥梁养护管理工作的支撑和补充作用不明显，系统效能没有得到充分地利用。因此，如何将监测系统的应用融入到养护管理工作中，利用多源的监测数据结合检测数据对桥梁状态做出综合的诊断与评定，是推动桥梁监测系统发展，提升桥梁综合养护管理水平的必由之路。

本文针对高速公路典型桥梁，在对其监测内容分析的基础上，建立了高速公路桥梁结构状态监测指标体系及评价方法，开发桥梁结构状态评定软件包，推动桥梁结构多源检/监测数据分析和状态诊断评定技术难点的解决与突破。

高速公路梁式桥按主梁截面形式可分为多梁（肋）式结构（Ⅰ形梁、T 形梁、Ⅱ形梁、槽形梁、板梁、小箱梁等）和整体式结构（箱型梁）。根据桥梁类别对不同类型的梁式桥的监测内容进行了分析，形成了高速公路梁式桥结构状态的监测指标体系，如表1 所示。

表1 高速公路梁式桥结构状态监测指标体系

基于上述指标体系，对各监测项目需要进行数据分析项进行了分析与归类，如表2 所示。

表2 监测内容对应的数据分析项

（表1续）

（表2续）

混凝土、钢筋及钢绞线等材料往往含有微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷（微裂纹和微孔洞）会成核发展及合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹不得到有效控制，极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。早期疲劳损伤往往不易被检测到，但其带来的后果可能是灾难性的。

近30年来疲劳损伤的研究已进入混凝土结构，由于各种原因，预应力混凝土中总存在或多或少的裂缝，车辆动荷载使裂缝反复闭合和扩宽，使裂尖产生累积残余变形。由于梁体循环应力，及介质的非均匀性，使疲劳裂缝沿纵向、斜向扩展。预应力混凝土梁受到车辆动荷载作用，梁体不仅发生弯曲变形，同时受到较大剪力，因此桥梁动疲劳破坏可分为正截面受弯破坏和斜截面剪切破坏。

预应力钢筋和钢绞线在受到很大拉力的同时，还和梁体一起承受较大剪力，处于拉剪组合受力状态。当纵向钢筋和钢绞束发生疲劳断裂时，梁体立即发生正截面破坏。车辆动荷载使梁体受到重复变化的剪力，随着荷载作用次数的增加，钢筋和混凝土疲劳损伤不断积累裂缝不断扩展，剪压区混凝土的剪力逐渐卸给箍筋，使箍筋应力增大，受力最大的箍筋首先疲劳断裂，使疲劳损伤速度加快，其它穿过裂缝的箍筋应力增大，而逐根疲劳断裂，最终因不足以承受较大剪力而破坏。

评估桥梁的疲劳寿命一般依据Miner 线性累积损伤原理，即影响疲劳寿命的主要因素是应力幅和相应的循环次数，以及结构的疲劳抗力性能。在整个使用期间，结构不发生破坏的条件为：

式（1）中，D为结构损伤度，Ni为S-N 曲线上相应于应力幅的抗疲劳循环次数。由实验得出的S-N 曲线方程为：lgN＝A-BΔσg。构件疲劳强度可由材料的S-N 曲线来确定，而S-N 曲线通过大量疲劳试验数据统计分析得到。

桥梁结构疲劳可靠性分析，主要从桥跨构件抗力和动荷载效应两方面入手，将它们作为随机变量，研究它们的分布规律、统计参数和变异性。对预应力混凝土连续刚构桥，主要分析混凝土和钢绞线的疲劳特性。

（1）混凝土的疲劳分析

一些文献给出了混凝土在等幅应力下，轴心抗压强度与应力重复次数N 的关系式：

式（2）中，σmax、σmin分别为重复应力上、下限；
σc为混凝土静载轴心抗压强度；
N为应力作用次数。

（2）钢绞线的疲劳分析

钢绞线的疲劳强度Δσp，可按修正后的S-N 曲线进行分析。

式（3）中,N为相应应力幅的作用次数;为S-N 曲线的斜率指数，钢绞线可取为3.0；
为相应于应力作用次数N0=2×106预应力钢筋的持久疲劳强度。

应力谱可以利用应变监测数据获取实际随机动荷载作用下的应力时间历程，得到其应力时程曲线。然后用雨流计数法对应力时程曲线进行分析，得到不同应力幅水平及其所对应的循环次数，利用统计推断的方法研究其分布规律和统计参数，最后用累积损伤理论计算损伤度，分析其疲劳可靠度。

现行规范中的标准荷载，不能反映真实营运状况和未来状况的随机动力荷载谱，以及桥梁结构动力特性和车辆动力状态的不确定性，使得利用实际抽测法统计分析构件的疲劳应力谱很有必要。

土木工程结构在其使用寿命周期内会出现损伤现象，有效理论和方法来监测和识别损伤状态，对于保证结构安全，避免重大事故发生和降低事故的危害性具有重要实际意义和应用价值，基于振动的损伤识别方法一直是土木工程领域的研究热点。

本文通过输出的结构响应根据相空间嵌入技术来重新构建系统的吸引子，通过分析不同状态下重构吸引子的特征来识别不同程度的损伤。可以通过计算目标结构对完好状态的参考状态的吸引子曲线的距离差，可以来判断损伤的有无，判断结构是否出现劣化。图1 显示了当第一层柱子发生不同损伤时，各层的加速度信号重构的吸引子相对于原完好状态时的吸引子的距离。从图可见，当损伤增大，其吸引子距离也跟着增大，呈现出一种单调上升的状态。

图1 底层受不同损伤时各层的吸引子距离

对于多损伤也可以用同样的方法进行识别，图2 所示为第二层和第三层同时受相同损伤时各层的吸引子距离。可见，当损伤增大，其吸引子距离也跟着增大，同样呈现出一种单调上升的状态。

图2 第二层和第三层同时受相同损伤时各层的吸引子距离

本文针对高速公路桥梁荷载和环境作用复杂、桥梁群服役状况显著差异等问题，对高速公路桥梁结构状态监测指标体系和评价方法开展了研究分析，主要结论如下：

（1）提出了高速公路典型桥梁的监测指标体系及对应的数据分析项；

（2）提出了基于桥梁应变监测结果统计分析的构件疲劳应力谱分析方法及疲劳状态评定方法；

（3）提出了基于混沌激励的研究方法，可以将结构中较小的损伤进行放大，从而识别结构内存在的损伤，对于识别结构初期损伤或者劣化，具有较好的理论意义和实用价值。

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