橋梁健康監測技術

2023年12月12日發(作者：生日祝福語男生)

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橋梁健康監測技術

摘要：本文介紹了橋梁健康監測的基本含義、研究開發的緊迫性和意義，綜述了其研究現狀、存在的問題，并對進一步的研究進行了展望。

關鍵詞：橋梁；健康監測；研究方法

一、引言

從上世紀90年代至今，我國進行了大規模的公路和城市橋梁建設，橋梁總數達三十多萬座，且每年都有一批結構新穎、形式多樣的橋梁建成。作為生命線工程，其運營安全性受到了社會各界的高度重視，如何確保橋梁特別是大跨度橋梁的健康運營是橋梁研究領域又一熱點。由于橋梁在運營過程中反復受到車載、風載等多種荷載的作用，同時受到如氣候、材料老化、疲勞等不利因素的影響，不可避免地產生自然老化，損傷積累，嚴重的甚至會導致突然倒塌，西方發達國家的橋梁已有先例，2007年8月美國明尼蘇達州公路橋的坍塌就是一個警示的標志。因此橋梁的健康監測越來越重要，通過監測可以及時發現結構隱患并采取措施，有效預防突發性災難，而且可為橋梁結構的新理論、新技術的評估和驗證提供數據依據。

二、橋梁健康監測的含義

橋梁健康監測的基本含義是通過對橋梁結構技術狀況的監控與評估，為橋梁結構在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信號，為橋梁保養、維修與管理決策提供依據和指導。橋梁健康監測可以通過設置在橋梁中的數據采集系統自動采集橋梁的各個狀態參數如荷載、溫度、撓度、應變、振動特性等，采集到的數據經預處理后通過通信系統送到控制中心，經過數據系統分析處理得到橋梁的健康狀況評估、損傷分析、剩余壽命評估、交通控制和維修決策等結論。因此，健康監測系統主要對以下幾個方面進行監控：①橋梁結構在正常環境與交通條件下運營的物理與力學狀態；②橋梁結構在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時的物理與力學狀態；③橋梁重要非結構構件（如支座）和附屬設施（如振動控制元件）的工作狀態；④結構構件耐久性；⑤大橋工作環境，如橋址處的風速和風向、環境及結構的溫度、濕度等。與傳統的檢測技術不同，大型橋梁健康監測不僅要求在測試上具有快速大容量的信息采集與通訊能力，而且力求對結構整體行為的實時監控和對結構狀態的智能化評估。

三、橋梁健康監測的研究歷史

從上世紀50年代開始，美國和其它一些國家相繼建立了橋梁檢測的一些標準，于是產生了第一代的橋梁安全檢測。1971年，美國制定了國家橋梁檢測標準（NBIS），提供了檢測方法的細節、檢測時間間隔和檢測人員資格的統一的指導。隨后世界各國在橋梁檢測方面都有了很大的發展。但這種傳統的橋梁安全檢測是以人工方法為主，通過定期或非定期的現場檢測，獲得實測數據，通過計算分析得出檢測結論。這種方法由于受傳感器數量、測量條件、安裝工藝等因素的影響，使得所檢測的數據無論是從有限元或是動態規劃的理論上分析都是不盡充分的，而且數據采集相對不夠及時，且是間斷性的，不能夠全面真實地反映橋梁的運行狀況。因而很難給出科學準確的橋梁健康評估。

發達國家于上個世紀80年代中期開始各種規模的橋梁健康監測系統的建立。如英國在總長522m的三跨變高度連續鋼箱梁Foyle橋上布設傳感器，監測大橋運營階段在車輛與風荷載作用下主梁的振動、撓度和應變等響應，同時監測環境風和結構溫度場。該系統是最早安裝的較為完整的監測系統之一，它實現了實時監測、實時分析和數據網絡共享。我國自上個世紀九十年代起對一些大型重要橋梁上建立了不同規模的結構監測系統，如上海徐浦大橋、江陰長江大橋、鄭州黃河大橋、錢江四橋（系桿拱橋，190m 主跨）、南京長江一橋（128m 主跨連續梁橋）、南京長江二橋（斜拉橋）、重慶大佛寺橋（斜拉橋）、湛江海灣大橋（斜拉橋）、賓州黃河大橋（斜拉橋）、陽邏長江大橋（懸索橋）、長江2橋（斜拉橋）、晴川橋（下承式鋼管混凝土拱橋）、潤揚長江大橋結構安全健康監測系統等。香港青馬大橋健康監測系統永久性地安裝了800多個各種類型傳感器用于監測橋梁的健康狀態及使用狀況。香港在汲水門斜拉橋上安裝了270多個各種類型的傳感器和數據采集與管理設備組成的監測系統來監測橋梁的運營狀況及健康狀態, 對該系統所采集到的數據進行分析即可評價大橋的動力特性。 四、現階段研究方法

基于結構振動的損傷識別方法，其基本原理是結構的模態參數（固有頻率、模態振型等）是結構物理特性（質量、阻尼和剛度）的函數，因而物理特性的改變會引起系統動力響應的改變。基于振動的結構動力響應檢測方法是尋找與結構動力特性密切相關的動力參數，通過動力參數的變化來判斷結構的健康狀況，是對結構無損的損傷識別、評估方法（NDE）。這種損傷探測方法除了整體檢測的優點外，對于大型土木工程結構，可以采用環境激勵引起的結構振動對結構進行檢測，從而實現實時監測。

（一）動力無模型損傷識別方法

動力無模型損傷識別方法是通過分析比較直接從振動響應的時程或相應的傅立葉譜或其他變換（如小波變換）得到的特征量，從而識別損傷的方法。可分為：時域方法、頻域方法以及時頻分析方法。時域方法常用的有利用ARMA（自回歸滑動平均）模型、使用擴展的卡爾曼濾波算法等一系列方法。頻域方法常有傅立葉譜分析、多譜分析（信號高次矩的傅立葉變換）、倒譜分析（變換的變換，以傅立葉譜幅值平方的對數傅立葉逆變換應用最廣）。時頻分析方法有小波分析及Wigner－Ville分析，由于土木工程一般不會產生強的非平穩振動，因此該法很少用于橋梁損傷識別。

（二）動力有模型損傷識別方法

對于土木結構，一般采用建立有限元模型進行識別，目前常用的方法可分為兩種：

1.基于模態參數的指紋識別方法

首先，動測后進行模態參數識別、其次，采用構造損傷指標（指紋）識別損傷。

2.直接進行系統識別 由模態參數確定剛度、質量、阻尼的變化從而識別損傷，是參數估計的逆問題，需要定義誤差函數最小進行求解。

目前應用較多的是指紋識別方法。

五、橋梁健康監測研究存在的問題

就現在橋梁結構健康監測及診斷的研究水平來看，橋梁結構健康監測及診斷仍然存在以下幾個問題：

1.由于橋梁結構不確定的諸多因素和復雜的工作環境對結構模態參數的敏感性會造成不利的影響，因此目前橋梁結構的整體監測還存在著許多困難。為了解決這些問題，最好把橋梁分成許多了結構，通過各個結構的模態參數變化來判斷整個系統的工作狀態。

2.目前對橋梁結構健康狀態的評價缺乏統一的有效的通用的損傷量化指標，并A_難以反映某個局部構件的損傷對整個橋梁的工作狀態的影響情況。在基于振動的檢測方法中，主要應用結構的模態參數變化量來判斷整個結構損傷程度以及是否存在損傷，這樣就要求測得的信號在損傷前后應該有較明顯的差異，能夠準確地表示出結構的損傷及損傷程度。因此應該提出一種通用的損傷量化指標，能夠把結構的健康狀況進行簡單的分級量化。

3.傳感器的優化布設是橋梁結構健康監測和診斷中的一個重要問題，應該做到使用盡量少的傳感器獲取盡可能多的結構的健康信息。

4.由于人工神經網絡的并行計算能力、自我記憶能力和自我學習功能以及很強的容錯性與魯棒性，對于大型的非線性橋梁結構，神經網絡在結構的健康監測及診斷方面將會有很大的應用前景。

5.無線監測系統將是橋梁結構健康監測的重要發展方向。傳統的監測系統需要布設大量的信號傳輸線，從使用和維護方面考慮，在橋梁上長期安裝大量的測試線也是不現實的，而無線監測系統不但可以大大降低安裝費用，避免信號線老化工作失效的麻煩，還可以對那些不易接近的危險地段進行長期重點監測。 6.開發適合橋梁結構檢測的專用傳感器是橋梁檢測問題中的關鍵。測量儀器的精度不夠以及效率低是困擾橋梁檢測的一大難題。

7.在線實時分析。把數值分析技術與現場測試結合起來，使得它們可以適時地取長補短。

六、研究展望

橋梁健康監測研究目前尚處于起步階段，自動識別損傷的能力尚不具備。以下幾個方面的技術問題需要進一步開展研究:

1.監測系統面臨的兩個問題是成本高和精度低。這些問題需要結合無線網絡技術和傳感網絡優化布設方法的研究來解決。傳感網絡優化布設在航天器的動態控制與系統識別中得到廣泛研究和良好的應用效果，但在橋梁健康監測系統中，由于橋梁工作環境和結構型式的復雜性，目前尚缺乏有效的傳感網絡優化布設方法。現階段把模態保證準則、修正模態保證準則SVD比、模態動能、Fisher信息陣作為評價傳感網絡優化布設方法的5條量化準則。此外，需要研究傳感器最佳數量和兼顧開展傳感網絡的魯棒性、抗噪性和可視性研究。

2.研究適用性更強的損傷識別指標是橋梁健康監測的核心技術問題。在實際工程復雜的工況和損傷的多樣性條件下，在現有研究的基礎上，發展和建立可靠性強、靈敏度高、抗干擾性能良好的損傷識別指標，該指標不會發生錯判和漏判損傷的現象，即使不能精確實現損傷定位，也具有很大的工程意義。

3.模態識別技術在環境參數變化的條件下的抗噪聲性和識別精度研究。目前的抗噪聲性和識別精度研究尚未考慮環境參數的變化，而環境因素對橋梁結構動力特性影響很大，這也是許多理論模型與工程實際應用結果不相吻合的主要原因。由于橋梁運營使用造成的損傷和動力參數變化，往往淹沒在由于環境溫度變化、風基礎沉降等引起的動力參數擾動中，給損傷識別的實現帶來困難。因此，這個方向的研究應該予以足夠的重視。

4.智能傳感元件及其耐久性問題。智能傳感元件，例如光柵光纖傳感器用于監測系統有著良好的效果，在航空航天機械行業得到成功的應用，在橋梁監測中也具有可以預見的良好前景。目前在智能傳感元件的相容、大應變和耐久性問題的研究上，還有大量工作需要開展。

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