橋梁結構健康監(jiān)測和診斷的必要性及損傷探測方法

橋梁結構健康監(jiān)測和診斷的必要性及損傷探測方法

1橋梁健康監(jiān)測及診斷概述多年來，橋梁結構的安全一直是政府相關部門和公眾特別關注的問題。目前國內外許多橋梁都存在不同程度的安全隱患。比如西方發(fā)達國家在經濟騰飛時期建造的大批橋梁面臨剩余壽命的評估問題,其中美國的69萬座公路橋梁中有一半以上的使用年限已超過50年;三分之一以上的橋梁使用效率很低或者干脆荒廢,每年用在橋梁維修上的費用超過50億美元。在國內,由于質量控制滯后于橋梁的建設速度致使橋梁倒塌事故逐年增加。1999年1月重慶的彩虹大橋倒塌,導致41人死亡、14人受傷的悲劇。1996年12月廣東韶關特大橋梁坍塌,32人死亡,59人受傷。另外近幾年的鐵路提速,對于那些設計最大時速僅有120公里/小時的大批鐵路橋梁來說也面臨嚴峻的考驗。2002年6月,洪水沖垮了隴海鐵路西安段的一座鐵路橋梁,使得鐵路停止運營數日,造成了重大的經濟損失。造成這些事故的原因很復雜,拋開設計與施工方面的原因不談,這些橋梁長期處于超負荷運營狀態(tài),致使許多構件的疲勞損傷加劇,是導致倒塌的重要原因。如果能在災難來臨之前進行預測,對橋梁的疲勞損傷進行監(jiān)測,從而對橋梁的健康狀況給出評估,那就會大大減少這些慘劇的發(fā)生。橋梁健康監(jiān)測及診斷系統(tǒng)的研究與發(fā)展正是在此基礎上應運而生的,本文結合近10年來橋梁健康監(jiān)測與診斷及橋梁工程的研究與發(fā)展,較系統(tǒng)地闡述了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)和診斷方法,并探討了其中存在的問題。從橋梁結構健康診斷的目的來看,損傷探測大致可以分成四個階段:(1)通過全局檢測手段探測損傷的存在,即結構是否發(fā)生了損傷;(2)如果結構發(fā)生了損傷,進一步利用局部檢測手段對結構的損傷進行定位;(3)建立損傷量化指標,對局部損傷進行量化,以便制訂出合理的維護與維修方案;(4)損傷探測的最終目的,即評估結構的剩余使用壽命。2橋梁結構的定期檢查所謂無損檢測是指以不損及其將來使用和使用可靠性的方式,對材料或構件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、化學成分、組織結構和力學變化性能的評定,并進而就材料或構件對特定應用的適用性進行評價。所有的結構在其使用期間都會遭受不同程度的累積損傷,利用無損檢測的方法可以獲取結構內部的健康信息,分析結構的振動特征,并與結構原始狀態(tài)進行比較,以便了解結構因累積損傷而造成的改變。為了監(jiān)測橋梁的安全特性,定期檢查是必要的。已建橋梁的無損檢測問題早在20世紀50年代就已經提出,但由于早期的檢測手段比較落后,分析方法不夠精確,使得橋梁的無損檢測在應用上受到諸多限制。橋梁結構狀態(tài)的無損檢測主要有局部檢測方法和整體檢測方法兩種。局部檢測方法是通過對結構某個局部構件進行無損檢測,判斷是否有局部損傷發(fā)生及損傷程度如何,進而判斷該損傷對結構整體工作性能的影響如何。整體檢測方法是通過檢測結構的整體特性來評價整個結構的實際狀態(tài)?，F在國內外檢測橋梁結構大多是先用整體檢測法確定一些可能的損傷部位,然后再結合局部檢測方法對這些部位的構件進行詳細的具體的損傷檢測,進而對橋梁的損傷情況進行定位。2.1局部損傷定位局部檢測是通過無損檢測技術對橋梁需要重點了解的部位進行詳細檢查,搞清細部結構的損傷情況、力學性能和構造特性的實際狀態(tài)。目前使用的局部檢測方法主要有表觀檢測法、超聲波檢測法、電渦流探測法、紅外成像法、γ射線法、回彈法、超聲脈沖法、壓痕法、磁探和磁攝動技術、同位素探測等。近些年來,其他領域的一些無損檢測方法也應用到了橋梁的健康檢測中。如在航空領域大量使用的用來檢測構件的裂紋情況的聲發(fā)射方法,它主要是通過聲波在構件中傳播過程來檢測損傷,在橋梁的損傷檢測中可以用來檢測橋墩有無裂紋。FanWu和Fu-kuoChang把獲取局部信號的敏感元件植入到結構體中,利用采集到的信息診斷結構的局部內傷。D.Bernal和B.Gunes,YongGao和B.F.Spencer利用結構的柔度矩陣變化進行損傷的定位和量化。所有這些局部檢測方法的不足之處在于:(1)儀器設備的價格昂貴,實驗數據的解釋需要專門的技術知識,難以進行長期檢測;(2)被測點必須是可以接近的,對于那些不能接近的損傷部位,這些檢測方法難以勝任;(3)需要繁瑣的電纜把傳感器測量裝置同控制中心相連接,這無形中就增加了監(jiān)測系統(tǒng)的費用,另外,電纜會受到各種環(huán)境因素的干擾,不利于信號的采集,而且還要對電纜進行維護。一個理想的檢測方法必須滿足:(1)魯棒性、客觀性和可靠性強;(2)能夠識別損傷的存在;(3)能夠對損傷進行定位;(4)能夠確定損傷的程度。作者近期正在研制的無線發(fā)射信號應變測量傳感器可以檢測那些不易接近部位的損傷情況,這種無線發(fā)射信號的傳感器可以對應變、裂縫及其它的連續(xù)振動量進行監(jiān)測,而且價格相對便宜,可以在橋梁結構上大量布設這種傳感器進而獲取更加精確的局部健康信息,為橋梁結構局部健康診斷開辟了新的研究領域,即無線監(jiān)測系統(tǒng)。J.P.Lynch,K.H.Law等人提出的無線監(jiān)測系統(tǒng)(圖1),利用一個中央處理器,把獲取的信號進行預處理,最后通過無線的方式把信號傳送到中央控制室。未來的健康監(jiān)測系統(tǒng)應該是智能的,傳感器自動把從結構局部獲取的信息分成5類:警告、低危險、危險、高危險、失效,然后把結構的5類不同狀態(tài)的信息無線發(fā)射到維護與維修橋梁的辦公室,從而對橋梁的維修與維護進行決策。2.2靜載試驗和模型評價整體檢測方法主要有基于振動的檢測方法、模態(tài)修正方法、靜態(tài)檢測方法和神經網絡法。傳感器的優(yōu)化布置方法是整體檢測方法中涉及的一個重要問題。傳感器布設的位置及數量對準確測量模態(tài)參數有很重要的影響。通常,能取得滿意測試結果的傳感器布設方案應盡量做到以下幾點:在含噪音的環(huán)境中,能夠利用盡可能少的傳感器獲取全面精確的結構健康狀況;測得的模態(tài)應能夠與模型分析結果建立起對應關系;能夠通過合理添加傳感器對感興趣部分進行重點采集;測得的時程記錄對模態(tài)參數的變化要非常敏感。此外,傳感器的布設還應該考慮到安裝方便、模態(tài)試驗結果的可靠性及抗干擾性等方面?；谡駝拥臋z測方法是尋找與結構動力特性密切相關的動力參數,通過這種動力參數的變化來判斷結構的健康狀況。近些年來,大家一致認同的是結合系統(tǒng)識別、振動理論、振動測試技術、信號采集與分析等跨學科的試驗模態(tài)分析方法(EMA),這種方法已被廣泛應用于航空、航天、精密機床等領域的故障診斷、荷載識別和動力學修改等問題中,現在研究者試圖把這種方法應用到橋梁結構的健康檢測中來。通常用到的模態(tài)參數主要有頻率、振型、阻尼、振型曲率、功率譜、模態(tài)保證準則等。利用振動方法對橋梁結構進行損傷檢測的基礎是從這些橋梁振動的模態(tài)中能夠估計出橋梁結構振動參數的變化。橋梁振動模態(tài)通?？捎贸Ｒ?guī)的動力試驗分析方法測試得到。在橋梁的不同位置合理地布置測點,記錄下橋梁結構損傷發(fā)生前后這些測點的基本信息,然后從中提取橋梁振動模態(tài)參數的變化,以此來確定橋梁結構損傷發(fā)生的位置及損傷的程度,最后給出橋梁維修與維護的方案。大量的模型試驗和結構的原型測試經驗表明,由于結構的損傷而引起的結構的自振頻率的變化很小,振型及阻尼的精確測量比較困難,因此,對于依靠振型變化的模態(tài)保證準則同樣很難進行損傷探測?；谡駝拥臋z測方法,國內外取得的主要研究成果表現在以下幾個方面:以強迫振動的方法分析各個模態(tài)參數對結構局部損傷變化的影響;以橋梁上的動荷載的特性(比如車輛型號的大小、車輛行駛的速度)所測得的環(huán)境振動信號進行模態(tài)參數分析;對適用于橋梁健康診斷的狀態(tài)參數積累了一些理論和實際經驗;基于系統(tǒng)識別的基礎,可以利用一些測試的數據進行理論計算模型修正;目前該方法使用的狀態(tài)參數還局限于頻率、振型、振型曲率、應變等。模型修正法。模型修正法在橋梁健康診斷中主要用于通過綜合比較試驗結構的振動反應記錄與原模型的計算結果,利用直接或間接測得的振型、阻尼、頻率、加速度記錄、頻響函數等,通過優(yōu)化條件約束,不斷地修正模型中的剛度分布,從而得到結構剛度實際變化的信息,根據結構剛度的變化來實現損傷的定位和損傷程度的評估。Allen等人利用連續(xù)概率比實驗方法(SPRT)監(jiān)測連接處變化對結構損傷的影響。靜態(tài)檢測方法。通過靜載試驗,可以檢測與橋梁結構性能有關的參數,主要包括變形、橫向位移(撓度)、應變、裂縫、曲率、傾角等,從測試結果可分析得出橋梁結構的強度及剛度,從而評估橋梁的承載能力。橋梁靜載試驗的具體內容包括:靜應變的測量。通過測試結構的靜態(tài)應變,可推算截面的應力分布、桿件的實際內力與次應力、混凝土與鋼筋作用情況等;靜位移測量。測量豎向靜位移量,亦即梁的撓度,水平位移量(橋墩頂位移)。神經網絡法。人工神經網絡模型是心理學家Mcculloch和數理邏輯學家Pitts在1943年首先提出的,經過50多年的發(fā)展,特別是20世紀80年代,Rumelhart和Mcclelland等人提出多層前饋網絡的反向傳播算法(backpropagation)后,神經網絡技術在商業(yè)、金融、建筑制造業(yè)、醫(yī)學、航空、通信、力學等領域得到了廣泛的應用。由于人工神經網絡具有并行計算能力、自我記憶能力和自我學習功能,還有很強的容錯性與魯棒性,善于聯想、綜合和推廣,反向傳播神經網絡BPN成為土木工程領域健康診斷最得力的工具,并且被廣泛應用到損傷結構診斷模型研究中。美國Melbourne大學的N.Haritos教授利用動力實驗技術,通過環(huán)境激勵的方式識別了幾座實際橋梁模態(tài)頻率、阻尼及振型,證實了動力實驗技術這種方法在橋梁損傷檢測中的潛在能力。高贊明,孫宗光和倪一清在香港汲水門大橋的損傷檢測中使用了BP神經網絡,他們提出了新奇指標,采用三階段分步識別的策略,即首先給出損傷預警,看橋梁是否發(fā)生了損傷;其次進行損傷定位;最后給出損傷程度的判定。他們這種方法當結構損傷程度較大時,取得了很好的診斷結果。Chung-Huei和Deh-ShiuHsu曾用BP神經網絡技術診斷鋼筋混凝土結構的損傷。Pandey和Barai利用多層構造神經網絡診斷典型桁架橋梁結構的損傷情況。Szewczyk和Hajela用一個改進的均衡傳播神經網絡(CPN)探測發(fā)生在結構中的損傷。Barai和Pandey采用振動方法和人工神經網絡相結合的方法診斷鋼桁架橋梁的損傷。J.M.Ko和Y.Q.Ni等人用自聯想神經網絡對香港的TingKau大橋進行了損傷診斷,他們利用自振頻率的變化作為神經網絡的訓練學習內容。神經網絡方法將會成為橋梁健康監(jiān)測中一個重要工具。3結構局部的健康監(jiān)測橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計首先應該考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能,以及投入產出比。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)目的和功能主要表現在結構監(jiān)測與狀態(tài)評估、橋梁結構設計驗證和橋梁結構研究與發(fā)展三個方面。監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)模及所選用的傳感器和數據采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等應該考慮投資額度與效益比的問題,即橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計應該考慮功能和成本的優(yōu)化組合。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)都是通過大量的信號傳輸線把敏感元件或傳感器與數據采集中心聯系在一起的,這樣的系統(tǒng)不但耗資大,而且安裝不方便。信號傳輸線日久天長易遭各種不利環(huán)境因素的影響,維護和更新費用很高。對于一個大型橋梁結構,任何一個桿件或部件的失效都可能影響結構的整體行為,甚至引起倒塌。為了捕捉結構局部的健康信息,在一個大型橋梁上布置成百上千個能獲取局部健康信息的傳感器是必要的,如果傳感器的數量很多,那么如下幾個關鍵問題必須考慮:(1)傳感器造價低;(2)低功耗,比如連續(xù)工作兩三年不用換電池;(3)體積小,不影響結構的正常使用功能;(4)易于安裝與維護;(5)經久耐用,一般至少使用十年以上;(6)無線傳輸信號,數量龐大的信號線很難操作與維護;(7)智能化,能對原始數據進行粗加工,直接輸出反應結構局部健康狀況的信息;(8)抗電磁波的干擾。由于關鍵技術的快速提高以及諸如微處理器、無線網絡、集成電路價格的降低,改變傳統(tǒng)的有線監(jiān)測系統(tǒng)為無線監(jiān)測系統(tǒng)是可能的。無線監(jiān)測系統(tǒng)可以避免安裝信號傳輸電纜的必要,可以在傳感器之間、傳感器和控制中心之間直接通訊。目前與上述要求有關的研究工作主要有:美國學者SharonWood所在的研究小組提出的電子商品標簽――EAS(ElectronicArticleSurveillanceTag)系統(tǒng)(見圖2);美國StanfordUniversity正在研制的無線傳輸的振動測試模塊(圖3),該測試模塊與傳統(tǒng)的測試設備相比具有無線傳輸、體積小、成本低等優(yōu)點,但是測試精度相對較低;美國Infratech,Inc.(ITI)與UniversityofIllinoisatChicago(UIC)合作開發(fā)的PVDF聚合物膜片傳感器;日本的AkiraTodoroki和ShintaroMiyatani研究了基于復合材料阻抗變化的無線應變監(jiān)測技術,實現無線傳輸信號的原理與SharonWood的EASTag系統(tǒng)相同;Mita研究的損傷指數傳感器可以無線監(jiān)測峰值應變、峰值位移、峰值加速度。作者正在研制的無線監(jiān)測系統(tǒng)(圖4)滿足上述八項要求,主要由三個相對獨立的單元組成:(1)敏感單元:可以是開關量(裂縫的有無)、連續(xù)的應變量或振動傳感器;(2)信號處理單元:接收指令,信號調理,A/D轉換,信號存儲,信號發(fā)送;(3)控制單元:以無線方式向信號處理單元發(fā)送請求應答的指令并接收反映結構健康狀態(tài)的信息。4數據采集和分析數據采集與分析系統(tǒng)是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵組成部分。美國的SOMAT公司于1982年由幾名數據采集和疲勞分析專家創(chuàng)立,專門開發(fā)和生產用于試驗室和現場試驗的數據采集和分析軟件。郭迅等開發(fā)的振動儀器及數據采集和分析系統(tǒng)方面亦獨具特色,他們研制的數據采集與分析系統(tǒng),可以實時采集數據并進行在線分析,在線實現波形監(jiān)測,瀏覽回放,各種常用譜分析,被廣泛應用到結構、構件實驗,建筑結構、橋梁振動測試,場地脈動測試,樁基檢測,爆破影響測量,機械振動測量,車輛、船舶振動測量等領域。5振動監(jiān)測系統(tǒng)80年代中期開始各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立。英國在總長552m的Foyle橋上布設各種傳感器監(jiān)測大橋運營階段在車輛與風載作用下主梁的振動、撓度和應變等響應,該系統(tǒng)是最早安裝的較為完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)之一。上海徐浦大橋結構狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括測量車輛荷載、溫度、撓度、應變、主梁振動、斜拉索振動六個子系統(tǒng)?；㈤T大橋和江陰長江大橋都在施工階段開始安裝各種傳感設備以備將來運營期間的健康狀態(tài)監(jiān)測。鄭州黃河大橋的振動監(jiān)測系統(tǒng)也正在論證中。香港青馬大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)永久性地安裝了800多個各種類型傳感器用于監(jiān)測橋梁的健康狀態(tài)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(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測橋梁的運營狀況及健康狀態(tài),對該系統(tǒng)所采集到的數據進行分析即可評價大橋的動力特性。國外的許多國家也都在一些已建和在建的橋梁上進行健康監(jiān)測系統(tǒng)的安裝嘗試:德國的Schwesinger等人設計和利用特制卡車測試了250多座混凝土橋梁。瑞士在混凝土橋(SiggenthalBridge)建設過程中安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng),采用了58個光纖變形傳感器,2個傾角儀,8個溫度傳感器用于監(jiān)測在建設過程中和以后長期的變形、屈曲和位移。丹麥曾對總長1726m的Faroe跨海斜拉大橋進行施工階段及通車首年的監(jiān)測,旨在檢查關鍵的設計參數,獲取橋梁使用期間關鍵的健康信息。墨西哥對總長1543m的Tampico斜拉橋進行了動力特性測試。建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁還有美國主跨440m的SunshineSkywayBridge斜拉橋、英國的Flintshire獨塔斜拉橋、加拿大的ConfederationBridge以及香港的TingKau斜拉大橋。實時健康監(jiān)測系統(tǒng)的成功開發(fā)為保障橋梁的安全運營,早期發(fā)現橋梁安全隱患提供了硬件支持和技術依據,同時可以大大節(jié)約橋梁的維修費用,可避免頻繁大修、關閉交通所引起的重大損失。6橋梁結構健康檢測的展望本文詳細闡述了橋梁結構健康檢測方法、背景及目前的研究應用現狀,重點討論了橋梁健康監(jiān)測無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究。就現在橋梁結構健康監(jiān)測及診斷的研究水平來看,橋梁結構健康監(jiān)測及診斷仍然存在以下幾個問題:(1)由