橋梁結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究

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　　摘要： 本文用系統(tǒng)研究的思想來系統(tǒng)地理解橋梁結(jié)構(gòu)的一些新領(lǐng)域。分析表明橋梁結(jié)構(gòu)是一個要素和結(jié)構(gòu)復雜、具有生存環(huán)境和結(jié)構(gòu)功能的動力學系統(tǒng)。系統(tǒng)研究思路已應用于橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識別和健康監(jiān)測，通過主動施加外部能量來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有分形特征，分維值對結(jié)構(gòu)非線性的描述是一個有效的工具。

　　關(guān)鍵詞： 系統(tǒng) 橋梁 分形

　　一、系統(tǒng)論

　　1945年貝塔郎菲提出了一般系統(tǒng)論的新思維，隨后維納、申農(nóng)分別提出了控制論和信息論，從而使得人們對事物整體和部分的關(guān)系看法由機械整體性發(fā)展到系統(tǒng)整體性。60～70年代間，系統(tǒng)科學出現(xiàn)了耗散結(jié)構(gòu)論（普里高津）、協(xié)同論（哈肯）、超循環(huán)論（艾根）和突變論（托姆），主要討論系統(tǒng)的存在、發(fā)展和消亡，強調(diào)任何一個凈化系統(tǒng)都能夠自行組織，并且不同要素之間具有協(xié)調(diào)作用。70年代以來，對系統(tǒng)最核心的問題即系統(tǒng)機制的研究得到廣泛關(guān)注，出現(xiàn)了對系統(tǒng)機制解釋的混飩理論、分形理論、孤波理論等，構(gòu)成了系統(tǒng)動力學理論，主要考察系統(tǒng)的非線性機制。

　　凡物皆系統(tǒng)，考察任何系統(tǒng)都要對其要素、結(jié)構(gòu)、功能、環(huán)境等方面進行分析。系統(tǒng)具有以下主要特性：①加和性和非加和性；②整體不等于部分之和；③整體功能取決于要素、結(jié)構(gòu)和環(huán)境；④結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)處于非平衡態(tài)，需要外加的能量（或信息）來維持，因此，能夠產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)一定是開放的。系統(tǒng)遠離平衡態(tài)失穩(wěn)以至形成新的結(jié)構(gòu)要依賴于非線性的反常漲落。漲落在遠離平衡時起驅(qū)動作用，不可逆性會導致新的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生新的質(zhì)。

　　系統(tǒng)論已被應用于很多領(lǐng)域，本文旨在應用系統(tǒng)研究的思想來系統(tǒng)地理解橋梁結(jié)構(gòu)的一些新領(lǐng)域，進而將系統(tǒng)機制理論引入橋梁系統(tǒng)的研究。

　　二、橋架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

　　橋梁是由多種材料、不同結(jié)構(gòu)組合而成的復雜系統(tǒng)。橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的要素、結(jié)構(gòu)、功能及環(huán)境的簡要示意圖。橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是橋梁工程大系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，不同的橋梁結(jié)構(gòu)體系又構(gòu)成各個更低層次的子系統(tǒng)。要素中的各種基本構(gòu)件也構(gòu)成一個層面上的系統(tǒng)，有其自身的要素、結(jié)構(gòu)、功能和環(huán)境。

　　橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體不等于部分之和。單個基本構(gòu)件，比如單個梁構(gòu)件，是無法實現(xiàn)跨越峽谷甚至海峽的目的的，而多個構(gòu)件按照一定的構(gòu)造規(guī)則組成懸索橋或斜拉橋就可以實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體功能取決于構(gòu)件單元、結(jié)構(gòu)體系和環(huán)境狀況，其中起決定性的是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通常只有大跨斜拉橋和懸索橋才能作為跨海大橋的候選橋型，對抗震性能要求較高的地區(qū)，應選用抗震性能較好的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如連續(xù)剛構(gòu)、斜拉橋等，或?qū)B續(xù)梁等橋型進行結(jié)構(gòu)的改進，設計支座單元，達到減震目的。

　　耗散結(jié)構(gòu)理論認為，在遠離平衡狀態(tài)的非平衡區(qū)內(nèi)，在非線性的非平衡作用下系統(tǒng)演化方向是不確定的，系統(tǒng)的平衡可能失穩(wěn)，發(fā)生突變或分又，系統(tǒng)呈現(xiàn)出新的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)是一種非平衡的結(jié)構(gòu)，接受環(huán)境注入系統(tǒng)的負熵流才能穩(wěn)定。橋梁的非線性行為同樣體現(xiàn)了這一思想，橋梁的失穩(wěn)為系統(tǒng)突變所致，地震荷載作用下的橋梁系統(tǒng)的延性抗震性能也是結(jié)構(gòu)非線性性能的體現(xiàn)。

　　三、橋架結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究思路

　　1.系統(tǒng)識別與健康監(jiān)測

　　結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識別是通過試驗和計算機來實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的建模。橋梁結(jié)構(gòu)可以看作一？quot；灰箱"系統(tǒng)，處于一定環(huán)境中的橋梁結(jié)構(gòu)，一定的輸入對應一定的輸出，通過對系統(tǒng)輸出和輸入的分析，可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的判斷和識別。對這樣一個灰箱的識別首先應確立一個由梁整體監(jiān)測的許多困難，對橋梁在使用年限內(nèi)工作特性的變化缺乏全面深入的研究，難以建立客觀同一的橋梁狀態(tài)評估標準。所以整個技術(shù)的成功開發(fā)乃至系統(tǒng)目標的最終實現(xiàn)有賴于更好地結(jié)合系統(tǒng)自身的要素、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)工作環(huán)境。

　　具體實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的健康監(jiān)測與狀態(tài)評估，當前主要有以下幾方面的工作「2」

　?。?）針對系統(tǒng)輸出：開發(fā)和應用以無線通訊技術(shù)為手段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；開發(fā)能適用于交通荷載風荷載及定點測試荷載的傳感器最優(yōu)布設技術(shù)；

　?。?）針對系統(tǒng)輸入和輸出的反向分析：采用動態(tài)邊界子結(jié)構(gòu)原理，開發(fā)以結(jié)構(gòu)模型修正法為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)；研究非線性結(jié)構(gòu)模型的時域評估方法及系統(tǒng)識別技術(shù)；尋找更適合橋梁監(jiān)測的新指紋；開發(fā)橋梁觀察與監(jiān)測收據(jù)管理系統(tǒng)及決策專家系統(tǒng)；綜合良態(tài)建模技術(shù)，改善有限元模型修正方法；

　?。?）系統(tǒng)分析的終端應用：根據(jù)觀察與監(jiān)測的結(jié)果分析實橋的剩余承載能力；建立橋梁安全準則及能用于橋梁整個壽命過程經(jīng)濟評價的估價模型。

　　2.系統(tǒng)控制

　　古典控制理論起源于本世紀20年代，主要以單變量線性定常系統(tǒng)為研究對象，以頻率法為主要方法研究控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。50年代以來，逐漸出現(xiàn)了多變量系統(tǒng)、系統(tǒng)靈敏度分析、動態(tài)系統(tǒng)測試狀態(tài)空間方法和 Bellman動態(tài)規(guī)劃等現(xiàn)代控制理論方法「5」。

　　在系統(tǒng)與控制理論中，主要研究動力學系統(tǒng)。橋梁結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下，表現(xiàn)為不確定性的隨機系統(tǒng)，其非線性行為受到越來越多的關(guān)注和研究。尤其在橋梁的抗震和抗風領(lǐng)域，近年來從傳統(tǒng)的抗震抗風設計思路發(fā)展到結(jié)構(gòu)控制思想。目前的結(jié)構(gòu)控制方式主要有被動控制、主動控制和混合控制，被動控制是通過支座、阻尼器等裝置來消耗輸入系統(tǒng)的外部環(huán)境能量；主動控制的基本思想是通過主動施加外部能量來抵消和消耗環(huán)境輸入能量，使偏高平衡狀態(tài)的系統(tǒng)在新的注入能量流作用下找到平衡。

　　早在1890年，最早的隔震器就產(chǎn)生了，當前已應用的有疊層橡膠、旋轉(zhuǎn)彈簧等多種支座和彈塑性、粘性、干摩擦等阻尼器用于對系統(tǒng)的被動控制。Constantinou在1991年提出了采用位移控制裝置和滑動支座相結(jié)合的滑動隔震體系，最大限度地減少了輸入能量向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的傳遞[4].

　　有些主動控制技術(shù)（如AMD）已經(jīng)進入實用階段，在日本已經(jīng)建成了一批主動控制的建筑。通過主動控制，一方面可以用最有效的方法抵抗外部激勵，另一方面可以直接減小輸入到結(jié)構(gòu)上的激勵水平。當前有主動連桿控制技術(shù)和主動調(diào)質(zhì)阻尼器系統(tǒng)（AMD）技術(shù)實現(xiàn)對系統(tǒng)的主動控制?；旌峡刂葡到y(tǒng)當前主要有對振動控制系統(tǒng)、混合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)和可變阻尼系統(tǒng)。當前的這些技術(shù)還處于發(fā)展之中，不但在橋梁抗震抗風領(lǐng)域，而且在房屋等建筑領(lǐng)域甚至是整個土木工程都有廣闊的應用前景。

　　3.系統(tǒng)非線性機理

　　傳統(tǒng)自然科學趨向于強調(diào)穩(wěn)定、有序、單一、均勻與平衡，帶有線性的色彩，到本世紀70年代前后，自然科學的鋒芒開始轉(zhuǎn)向現(xiàn)實世界的失穩(wěn)、無序、多重性、不均勻和非平衡等方面。非線性系統(tǒng)已成為自然科學的主要研究對象，因為非線性是一切復雜現(xiàn)象的本源[5].

　　1973年，費根包姆提出的混飩理論大大推進了非線性理論在系統(tǒng)科學中的應用，混飩理論、分形論、孤波理論共同構(gòu)成系統(tǒng)動力學理論，探討系統(tǒng)的非線性機制。橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也是一個混飩系統(tǒng)，具有不可預測性、不可分解性和存在規(guī)律性，而且這一混飩系統(tǒng)具有分形性質(zhì)，即自相似性。這里重點討論橋梁系統(tǒng)動力學行為特別是橋梁抗震系統(tǒng)中的分形特征。

　?。?）分形與分維

　　1977年，Mandelbrot出版了專著《分形、機遇和維數(shù)》（ Fractal： Form， Chance and Dimension， Freemen， San Francisco，1977），標志著分形理論的誕生。分形是其組成部分以某種方式與整體相似的形，即分形是指一類無規(guī)則、混亂而復雜但其局部與整體有相似性的體系。

　　數(shù)學家按一定的規(guī)則構(gòu)造出具有嚴格自相似性的規(guī)則分形集合。如康托爾三分集、謝爾賓斯基墊片、柯曲折線等?？虑劬€的結(jié)構(gòu)，具有嚴格的自相似性。自然界中被認為是分形系統(tǒng)的海岸線、云層邊緣、地球表面、斷口表面以及液體湍流等，沒有一個嚴格意義上的分形，其自相似性是近似的或統(tǒng)計意義上的相似，分形自然體在局部和整體的某種相似性通常只是在某些特定的尺度范圍內(nèi)才成立，這些尺度范圍被稱為"無標度區(qū)"，這種只在無標度區(qū)內(nèi)具有自相似性的分形也稱隨機分形。形態(tài)（結(jié)構(gòu)）、信息、功能或時間上具有自相似性的客體稱為廣義分形[6].

　　在實際問題中，為了考察一個事物是否存在局部和整體的相似性，只要檢驗該事物是否存在"無標度區(qū)"即可。以尺度r把事物分成 N個相似的部分，對變化的r畫出 igr－ lgN曲線，然后檢驗曲線上是否存在明顯的直線段，直線段對應的r的區(qū)域即是無標度區(qū)。此方法的理論依據(jù)是自相似集的相似維數(shù)（一lgN／lgr）是不依賴于尺度r的一個常數(shù)。分維是描述分形特征的定量參數(shù)，因為所描述的具體對象不同，分維計算的具體形式也有多種，如相似維數(shù)、容量維數(shù)、信息維數(shù)、關(guān)聯(lián)維數(shù)、集團分維和質(zhì)量分維等。

　　地震學界已開始對地震的時、空、強度分維及其多分維進行了大量研究。普遍認為地震是多重分形的。分維值在地震前后的變化為探討地震前兆場的復雜性提供了有效的分析工具。在橋梁抗震中，結(jié)構(gòu)破壞與地震輸入和結(jié)構(gòu)反應特征有關(guān)。從彈性反應譜的三聯(lián)譜中，很容易發(fā)現(xiàn)無論是巖石場地彈性反應譜還是結(jié)構(gòu)的彈性反應譜均具有明顯的分形特征。P.S.Symonds對一個具有兩個自由度的梁構(gòu)件模型在瞬時沖擊荷載作用下的彈塑性反應進行了分維研究，計算得自相似維數(shù)為0.78，表明位移反應圖對沖擊荷載標度具有獨立性［7].

　?。?）橋梁抗震及分形特征

　　如同分形廣泛存在于自然科學和社會科學的諸多領(lǐng)域中一樣，分形同樣存在于橋梁抗震領(lǐng)域［10］

　?、僮鳛檩斎牒奢d的地震動，其能量具有分形特征，而且能量分維Dfe有可能成為地震預報的新參數(shù)。

　　②地震動反應譜，作為地震動特性與結(jié)構(gòu)動力反應相互聯(lián)系的紐帶，也是統(tǒng)計意義上的分形結(jié)構(gòu)，它也決定了結(jié)構(gòu)反應的分形特征，特別是以周期為標度，結(jié)構(gòu)反應應該與反應譜具有一致的無標度區(qū)。

　　③對墩柱破壞準則的研究發(fā)現(xiàn)，變形一能量雙重破壞準則的破壞指數(shù)是劃分橋梁域往不同破壞程度的合理指標，以輸入地震動的峰值或以墩柱體積配箍率為標度，破壞指數(shù)具有近似分維特征。建立連續(xù)梁橋等代分析模型，代替復雜的結(jié)構(gòu)有限元模式來分析結(jié)構(gòu)的地震反應。通過理論分析與橋例計算可見，以剛度比為標度，結(jié)構(gòu)周期、墩底彎矩和墩頂位移反應存在無標度區(qū)；以周期為標度.墩底彎矩和墩頂位移反應同樣具有明顯的分形特征.與反應譜所體現(xiàn)的分形特征一致「8」。

　　結(jié)合南京長江二橋南漢橋和楊浦大橋兩個橋例，建立有限元模型，考慮邊跨主跨跨徑比、梁墩剛度、局部構(gòu)件、支座單元等對結(jié)構(gòu)動力反應的影響。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，對于不同的標度，無論是跨度比、梁墩剛度比還是支座的剛度等等。動力反應都表現(xiàn)出近似多重分形特征，分維值可以反映動力反應對于不同標度的敏感程度「9」。

　　研究橋梁結(jié)構(gòu)動力特性是否具有分形特征，是分形和分維概念應用于橋梁結(jié)構(gòu)動力分析領(lǐng)域中的關(guān)鍵點。通過對國內(nèi)外大量已有實橋動力特性資料的統(tǒng)計和橋例分析可見［10］：

　　①斜拉橋的縱飄基頻對于跨徑尺度，主塔側(cè)彎基頻對于塔高，體系堅彎基頻對于跨徑，側(cè)彎基頻對于跨寬比以及扭轉(zhuǎn)基頻對于跨徑都具有統(tǒng)計意義上的分形特征。

　?、趹宜鳂蜇Q彎基頻、側(cè)彎基頻及扭轉(zhuǎn)基頻對于跨徑或主纜垂度，具有統(tǒng)計分形特征，利用分數(shù)維，可以得到比常用估算公式更為接近實橋值的基頻簡化計算公式。

　?、蹖τ诹簶騽恿μ匦缘拇罅繉崪y結(jié)果表明，簡支梁橋基頻對于跨徑標度是分維為0.923～0.933的統(tǒng)計分形結(jié)構(gòu)。以橋長為標度，小跨徑橋梁的基本側(cè)向周期分維為1.20.橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)涉及參數(shù)多，統(tǒng)一的規(guī)律多存在于定性階段。分維的概念使得對于性質(zhì)的認識可以定量描述，正如在許多領(lǐng)域，分維對非線性、無規(guī)則現(xiàn)象的描述那樣。顯然，這還需要大量的工作和艱辛的努力。以上分析表明，混飩系統(tǒng)存在規(guī)律性，分形就是描述這種規(guī)律的一種理論，事實上，分形規(guī)律不僅僅在橋梁抗震領(lǐng)域存在，在橋梁大系統(tǒng)中乃至整個土木工程領(lǐng)域中都廣泛存在著。

　　四、結(jié)論

　　通過以上分析可見：

　?。?）橋梁結(jié)構(gòu)是一個要素和結(jié)構(gòu)復雜、具有生存環(huán)境和結(jié)構(gòu)功能的動力學系統(tǒng)；

　?。?）系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分——結(jié)構(gòu)是橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識別和健康監(jiān)測的重點，特別是結(jié)構(gòu)的指紋分析；

　?。?）通過主動施加外部能量來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制是結(jié)構(gòu)控制的主要發(fā)展方向；

　?。?）橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有分形特征，分維值對結(jié)構(gòu)非線性的描述是一個有效的工具。