公路桥梁柱式墩下部结构服役安全状态动力评估方法研究

The damage diagnosis and condition evaluation method for column-pier substructures is studied by theoretical analysis, laboratory experiments and in-situ experiments. Using impact loads as input excitations, the modal parameter identification method for highway substructures is studied by time-domain complex stochastic subspace identification technique. With the similarity indexes of impact response spectra as object functions, a new system identification method is proposed to detect damage of piers, such as foundation scouring, structural cracking and bearing deterioration, simultaneously. The optimum arrangements of measurement points and excitation locations are determined based on the structural characteristics of column-pier substructures. The longitudinal linear stiffness, used in railway engineering, is suggested as one of integrity indexes for substructures. The service safety evaluation criteria for the whole and local members of piers are respectively proposed. The ultimate aim of this project is to propose a useful dynamic evaluation method for the service safety condition of highway bridge column-pier substructures. By the proposed method, the hidden diseases, such as foundation scouring and structural deterioration of pier body, can be detected in time so as to ensure the service safety of bridge infrastructures. The project is cooperated with foreign experts and many useful data about bridge experiments and bridge inspection can be used. The research will benefit the development of the bridge damage identification theory and will lay good foundation for the further theoretical analysis and engineering application.

采用理论分析、实验室试验和现场试验相结合的方法研究公路桥梁柱式墩下部结构损伤诊断与状态评估方法这一桥梁工程领域的前沿课题。以冲击荷载为激励，研究基于时间域复合随机子空间识别技术的柱式墩模态参数辨识方法。研究可同时识别基础冲刷、构件结构性损伤和支座劣化等病害的系统识别新方法，并根据柱式墩下部结构的构造特点确定最优激励点和测点布置方案。引入铁路工程领域的纵向线刚度作为下部结构整体性评估指标之一，然后分别建立结构整体和局部构件服役安全状态评价准则。最终目标是提出一种公路桥梁柱式墩下部结构服役安全状态动力评估方法，用以及时发现基础冲刷和墩身腐蚀劣化等隐蔽病害，确保桥梁基础设施的运营安全。项目具有国际合作的背景，有利用大量桥梁试验、桥梁检测资料的便利条件。项目的完成将对完善桥梁损伤识别的基础理论做出贡献，并为进一步的理论研究和工程应用奠定基础。

公路桥梁下部结构在施工阶段及正常服役过程中会由于复杂的外界环境作用而产生不同类型、不同程度的病害。这些病害会导致桥梁下部结构出现承载力不足、地基抗力不足、结构刚度下降和耐久性下降等服役性能方面的问题，严重的还将影响整个桥梁结构的安全。在此背景下，本项目采用理论分析、实验室试验和现场实验相结合的方法对公路桥梁柱式墩下部结构服役状态动力评估方法进行了研究。主要研究成果如下：.（1）充分调研了公路桥梁下部结构主要病害，将识别的桥墩冲刷深度与冲刷线的比值作为基础冲刷的定量表征参数，将墩身材料的弹性模量下降率作为墩身损伤的定量表征参数，并探讨了不同病害对桥梁下部结构纵向线刚度和自振频率等参数的影响规律。.（2）形成了完备的公路桥梁下部结构动力评估体系，首先使用纵向自振频率指标构建的桥墩健全度指数对桥墩整体工作状态进行初判，其次再利用模型修正的方法对桥墩的修正参数进行识别，继而对桥墩状态进行定量评估。将整体和局部参数作为桥梁下部结构服役状态评估指标，并建立了相应的评估标准，提出了相应的处理建议。.（3）在理论分析基础上，开展了相应的实验室模型试验和现场实验，实验结果与理论分析结果相互印证，证明了所提方法的有效性。.（4）在完成桥梁下部结构服役安全状态评估基础上，针对公路装配式板梁桥常见的铰接逢隐蔽性病害动力识别方法进行了拓展研究，并首次提出了基于车激响应和冲击响应的铰接逢损伤定位和定量评估方法。.本项目提出了考虑土体摩擦效应的公路桥梁柱式墩纵向分析模型，提出的公路桥梁下部结构服役状态动力评估方法、评估指标、评估标准在一定程度上填补了行业空白。本项目所提方法能够实现对公路桥梁下部结构服役状态的准确评估，研究成果对确保桥梁运营安全、提高既有桥梁的养护和管理水平具有重要的理论意义和良好的应用前景。