基于监测措施的桥梁可靠性评估外文翻译资料

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基于监测措施的桥梁可靠性评估

Dan M. Frangopol, F.ASCE; Alfred Strauss; Sunyong Kim

摘要

在过去的十年中，结构体系的监测概念已经得到了快速的发展。他们在计划干预，如新的和现有结构的维护、修理、复原以及更换过程中显得越来越重要。然而，在可靠性评估中仍然十分需要有效利用结构监测数据和预测模型。基于监测数据的预测模型的更换工作会对干预策略有一定影响。 由于这些策略涉及成本，监测系统将有助于有效地支出可用的预算。因此，有效利用监测数据的需求不仅与结构的可靠性有关，还与成本因素有关。从广义上讲，结构监测可以被认为是与质量保证和验收采样类似的，因为实际上来说是不可能持续监控一个结构体系的所有关键部分的所有性能指标的。然而，由监测措施提供的对一个恶化的结构体系中的离散点所进行的连续性且持续性测量是允许评估与不同极限状态有关的结构的特性的，这篇文章的目的主要有两点：a）提出一种在结构可靠性评估过程中能有效地纳入监测数据的方法；b）证明监测数据对预测模型发展的用处。该途径会基于一个现存的高速公路桥（Lehigh河桥 SR-33）进行说明。

这是一个位于Pennsylvania的结构，并且由一所Lehigh大学的国际工程研究中心兼大型结构系统中心提供的前沿技术所监控。

DOI: 10.1061/ASCE1084-0702200813:3258

CE Database 主题关键词：桥梁；结构可靠性；监测。

介绍

在过去十年中，工程结构的监控和维修项目方面的现代化概念已经得到了一定发展，（Frangopol和Estes 1997; Bergmeister和Santa 2000;van Noortwijk和Frangopol 2004; Neves et al. 2006; Kong和Frangopol 2004; Wong 2007）。由环境及力学情况、材料特性、加载历史等方面的不确定性，结构的监控项目和维修措施都显得十分必要。创新的监控和维护概念应当有助于基于民用基础设施系统的成本优化干预措施。研究人员、相关从业人员以及专家已经接受了对恶化结构最具有成本效应的干预措施所决定的成本优化框架。基于预测模型的优化措施已经被考虑用到高速公路网络的维修以及运作过程中了。通过无损测试方案的运用，预测模型已经在空间和时间两方面得到了更新（Ellingwoodand Zheng 1998; Enright和Frangopol 1999; Bergmeisteret al. 2004）.数值可靠性评估方法、材料与结构的退化模型（Lawanwisut et al. 2001）以及成本优化干预措施（Estes和Frangopol 1999; Kong 和Frangopol 2004）已经得到了发展。然而，目前仍然迫切需要对结构评测与预测模型中监控数据的有效引入措施。早期的基于监控数据的预测模型调整对应用于计划干预的成本模型有着直接的影响。从广义上讲，监测读数可被认为是类似于质量保证和验收采样的，因为实际上不可能连续地监控一个结构体系的所有关键部分的所有性能指标。因此可以通过观察一个监测系统时间上离散或连续的读数来预测一个结构的性能。对一个结构系统上离散点处所分部的必要传感器数量的合理选择依赖于工程师们的经验、关于物理化学和力学方面的知识以及分配给监控活动的预算。与此同时，一些基于理论的方法同样有助于监控系统的设计。

Marsh和Frangopol （2007, 2008）两人将传感器必要数量的决定过程基于一个腐蚀传感器的成本优化方案。考虑到传感器的数量以及它们的可靠性水平，他们施行了一种伴随结构整个寿命的成本优化措施。通过提高检测出不良性能的概率，高成本的传感器相对于低成本的传感器而言被认为将产生更多的可靠结果。

Marshall（1996）通过使用质量保证和验收抽样理论的原则来确定无损评估（NDE）测试的必要数量。Marshall（1996）和Marsh与Frangopol（2007，2008）的两种学说均能为监控系统的有效设计服务。这些研究是十分必要的，然而，它们没有提供能解释与现存监控系统有关的测量数据如何运用于可靠性评估方案的综合型数据，而这正是本篇文章的目的。

Lehigh河桥SR-33被位于Bethlehem的Lehigh University旗下的国际性中心所提供的用于大型结构系统（ATLSS）的前沿技术长期监控，这个结构为实行与测量数据在可靠性评估模型与基于可靠性预测模型的发展两方面的用途相关的学说提供了平台。Lehigh河桥SR-33的监控系统早在2001年钢桁架的架设过程中就已设立。因此，架设与放置混凝土板块期间的监控数据、受控活载测试和不受控活载测试均能用于这座桥的现实性能评估。从此监控系统中得到的数据可用于提供与AASHTO（2002）桥梁设计代码所指代安全余量有关的信息。

图1 从东南方向看 Lehigh河桥SR-33的西侧（由ALfred Strauss拍摄与2007.4)

在本篇文章中，首先会回顾Lehigh河桥SR-33监控系统的有关介绍，同时也包括这个系统所用到的传感器。接着在可靠性评估中传感器数据的引入方法会被提出。本次研究依照AASHTO（2002）方针中有关屈服与疲劳的描述进行。随后，由监控数据所得到的疲劳预测模型的发展情况会被列举出来。这些模型将作为伴随结构全寿命的监控过程的参考文件发挥作用，同时也能提供用于离散性或者连续性监控的决定基础。最后一个用于监控的成本模型将会被提及并讨论，同时将提出用于日后研究的结论与建议。

Lehigh河桥SR-33

桥梁描述

Lehigh河桥SR-33(图1）隶属于交通部的Pennsylvania联邦，位于SR-33路线。如图2所示，Lehigh河桥SR-33是四跨连续耐候性钢甲板桁架结构（图1amp;图3）。

图2 Lehigh河桥SR-33在地图上的示意图

图3 应变计的布局（a）四跨桁架的高程（b）A部分的细部（c）东部桁架U16到U118单元的横截面图（d）系部桁架U16到U118单元的横截面图（e）东部桁架L25到L27单元的横截面图（f）西部桁架L25到L27单元的横截面图[改编自Connor and Santosuosso（2002）]

Lehigh河桥主跨总长为181.05米（594英尺），桁架的深度从10.97米变化至20.95米（36英尺到72英尺）。这个结构是独一无二的，因为结构的钢筋混凝土甲板不仅与纵向钢桁梁和横向地板梁相连，也与桁架的上部弦构件相连。剪型螺柱安装在桁条、地板梁以及上部弦构件的顶轮缘上。主要的桁架单元（上部弦构件、下部弦构件以及对角线）由结构钢板制成，一般为箱型或“H”型。钢桁架、斜梁以及横梁均轧成“W”型。仪器仪表和测试的相关工作由位于Bethlehem，PA的ATLSS的有关人员进行。一份与此有关的具体报告将由Connor和 McCarthy（2006）提供。

测量项目

Lehigh河桥SR-33仪器与监控程序的目的在于测量在钢桁架设立过程、混凝土甲板放置过程以及活载加载过程中的应变和计算相关应力。下列目标则是出于一些特殊的需求（Connor and Santosuosso 2002）：

1. 考察混凝土甲板收缩与徐变的影响，以及季节性温度变化对桁架系统应变场的影响，尤其需要注意的是弦构件以及对角线梁单元，因为它们并没有表现出过多的疲劳失效。
2. 考察指定的试验卡车荷载在加载和几何方面中对桁架系统性能的影响，三辆三轴自卸卡车被纳入采用以为主要桁架单元提供可被测量的应力。
3. 考察活载作用下的长期效应（从2002年1月11日到2005年3月11日），这种长期效应会影响到结构单元的应变。

用于Lehigh河桥SR-33的传感器

在Lehigh河桥SR-33的监控系统中有三种类型的传感器被使用到（Connor and Santosuosso 2002）：单轴可点焊式应变计也叫电子应变计（ESGs），振动线圈计（VWGs），以及温度传感器（TSs）。它们被安装在桁架的34处位置以及纵梁上和混凝土甲板里的29处位置。振动线圈计和温度传感器被分配至可焊式应变计。每一个振动线圈传感器都包含有一个温度传感器，这样所有的传感器均能得到准确的温度补偿。根据整个监控项目，每一个仪器的位置都会根据所在相应桁架的节点和与结构单元的连接形式（镶嵌或贴靠）命名（图3和图4）。比如图3中的仪器位置BU1618EW就表示它所在横截面为箱梁（B），位于桁架的上部弦构件（U），在16号与18号节点之间（1618），位于桥的东侧（E）同时是结构单元的西侧（W），详情见Connor and Santosuosso (2002)，图3和图4中显示了本次研究中所涉及搭到的传感器的位置。有关整个监控项目中安装工程的特定细节可查阅Connor and Santosuosso (2002)。

电子应变计

应变计是一种用于测量处于特殊位置的物体应变场的仪器，根据维基百科中写道的（2007a），Simmons和Ruge两人于1938年创立了应变计的主要思路，应变计中包括一个绝缘的柔性线背衬，用来支撑金属箔。仪表一般是通过合适的粘合剂或通过焊接附着到物体或结构部件上。因此，结构的变形也会导致箔的变形，从而导致在电表的电阻的变化。电阻的变化与应变的关系涉及到一个参数，遵循下式（维基百科2007b）：

（1）

式中：表示未变形时仪器的电阻，单位是欧姆；表示应变引起的电阻变化值，单位是欧姆。对金属箔仪器而言，这个参数值通常略大于2（维基百科2007b）。

图4 位于U16至U18节点间钢桁架的应变计的分布[Connor and Santosuosso (2002)]

对于单个运用中的应变计和三个虚设的电阻而言，桥梁的输出值为（维基百科2007b）：

（2）

式中：表示桥式励磁电压。金属箔应变计的尺寸一般在2~10毫米之间变动，如正确进行安装，在正确的仪器和粘合剂作用下至少有10%的应变值能被测出（维基百科2007b）。ESGs被频繁用作可靠的监控系统（Klarer的个人叙述2007）

然而，对结果的正确解释需要关于可能发生的误差的来源。表1中列举了在对测量结果的解释中需要包括的所有误差来源。百分比误差被定义为测量值与真实值的差值除以真实值。

表1 电子应变计系统：测量误差

振动线圈式应变计

VWGs被设计成能镶嵌或者焊接在用于监控系统的不同结构上（RST 2007）。线圈固有频率的变化会引起应变上的变化。这一类应变计一般有一个总应变范围的最大值，接近2500微应变（）。VWGs通常被选用于测量一些会持续很长世间的几乎静止的现象。它们是实验室和现场应用中非常稳定的传感器并受到完全的温度补偿(Connor

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