橋梁健康監(jiān)測研究進展綜述

橋梁健康監(jiān)測研究進展綜述摘要：隨著中國交通運輸行業(yè)的不斷發(fā)展，既有橋梁受環(huán)境與自身壽命的影響，需要在運營過程中定期進行管理與養(yǎng)護。文章對現(xiàn)階段橋梁檢測和監(jiān)測技術的研究發(fā)展進行概括總結，包括模態(tài)參數(shù)識別方法、頻域和時域方法的對比以及結構狀態(tài)識別和損傷評估的最新研究進展。同時，針對當前面臨的機遇和挑戰(zhàn)對未來橋梁的檢測和監(jiān)測發(fā)展趨勢進行預測，以期為橋梁檢測和監(jiān)測方向的研究人員和工程技術人員提供參考。關

鍵

詞：橋梁；健康監(jiān)測；檢測；綜述中圖分類號：O319.56

文獻標志碼：A

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)通過對橋梁結構狀態(tài)的監(jiān)控與評估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或者運營情況嚴重異常觸發(fā)預警信號，為橋梁維護、維修與管理決策提供依據(jù)和指導[1]。一個典型的健康監(jiān)測系統(tǒng)通常是由三個主要部分組成：傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（包括數(shù)據(jù)收集、傳輸和存儲）和健康評價系統(tǒng)（損傷識別），其核心的結構是損傷識別[2]。就筆者看來，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是在一定的效益—成本準則下，完成預設既定功能目標的方法。橋梁健康監(jiān)測理論研究主要針對于結構整體性評估和損傷識別。其中整體性評估包括模式識別法、系統(tǒng)識別法和神經(jīng)網(wǎng)絡法[3]，損傷識別方法包括模型修正法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等有模型的損傷識別方法和動力指紋分析法、小波變換、HHT法等無模型的損傷識別方法[4]。本文主要綜述上述理論方法中的結構模態(tài)參數(shù)識別（又稱系統(tǒng)識別法）和結構狀態(tài)識別與損傷評估，因為這兩大方面是近期橋梁健康監(jiān)測領域的主要研究進展方向。1

結構狀態(tài)識別對于橋梁結構狀態(tài)，可以通過多種途徑對橋梁進行評估，其采用數(shù)據(jù)的來源通?？梢苑譃閮深悾?）各項檢查、局部監(jiān)測和荷載實驗數(shù)據(jù)；2）健康監(jiān)測數(shù)據(jù)。分別為現(xiàn)行規(guī)范橋梁評估方法和基于健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的評估方法，而基于健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的評估方法指對健康監(jiān)測系統(tǒng)獲取的信息進行計算分析，對結構的健康和安全狀態(tài)作出評價，以避免發(fā)生具有漸變性質的重大安全事故，同時為橋梁的日常管理及正常維護提供參考。在溫度荷載及效應對橋梁結構性能與狀態(tài)影響方面，Zhou等[5]基于健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了大跨度斜拉橋時變溫差對結構梁長、撓度變化的影響機制，通過平面幾何和有限元方法分析了變溫荷載下的結構響應模態(tài)及溫度效應敏感性簡化公式，該簡化公式可為大跨橋梁的溫度效應分析提供支撐。為解決結構響應與溫度荷載之間存在的時滯效應問題，Yang等[6]提出了基于傅里葉級數(shù)展開擬合的相移方法，有效地減小了結構溫度熱響應的滯后回線面積，增強了結構響應數(shù)據(jù)與溫度變化間的相關性，提高了系統(tǒng)評估預警的時效性和可靠性。在風致橋梁結構響應評估方面，Xu等[7]提出了基于風致脈動壓力正交分解和子結構有限元模型的大跨度分體式鋼箱梁斜拉橋抖振應力分析方法。Ye等[8]基于西堠門大橋結構健康監(jiān)測數(shù)據(jù)計算了風場特征值，并分析了湍流強度、陣風因子、平均風特征三者之間的關系，進一步分析了臺風“?？?、“燦鴻”等對橋梁結構的風致響應。當前，極端風環(huán)境及惡劣天氣頻發(fā)，極端風環(huán)境作用下的橋梁安全性評估是當前研究熱點，特別在極端非平穩(wěn)風速下，橋梁結構響應及安全性評估是當前亟需解決的基礎科學問題。2

損傷評估結構損傷識別的方法可以分為局部法和整體法，局部法依靠無損檢測技術對特定構件進行精確的檢測、查找、描述缺陷部位。它包括聲波或超聲波方法、磁場方法、雷達成像、射線法、渦流以及溫度場等方法，以上方法均要求事先知道損傷的近似位置或損傷的部位可以接近[4]，這就限制了局部法的應用。損傷整體識別方法多是基于結構振動的損傷識別方法，其優(yōu)點是可以利用環(huán)境的激勵引起結構自身的振動，進而測得結構的動力響應。在橋梁運營過程中，結構構件可能受損失效，輕則堵塞交通、影響正常使用，重則引起橋梁整體性能惡化、縮短全橋的運營使用壽命。近年來，公路或鐵路大跨橋梁伸縮縫過早失效的現(xiàn)象越來越多，因此關于伸縮縫磨損狀態(tài)評估與剩余壽命預測的相關研究一直備受關注。Hu[9]對大跨度懸索橋進行了長期監(jiān)測，揭示了伸縮縫縱向運動的機理和響應特性，最終證明：1）溫度變化導致伸縮縫縱向運動的波動現(xiàn)象，縱向位移的均方根與溫度呈顯著的線性關系；2）伸縮縫縱向位移中的高頻分量主要因車輛和環(huán)境激勵引起；3）車輛激勵引起的橋梁動力響應對伸縮縫的累積縱向位移起主導作用。然而，確定性模型無法解釋監(jiān)測數(shù)據(jù)中的不確定性，因此Ni[10]提出了一種利用結構健康監(jiān)測數(shù)據(jù)表征橋梁溫度與伸縮縫位移之間回歸模式的貝葉斯概率方法，該方法能夠考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)中包含的不確定性，量化模型誤差和預測不確定性，對伸縮縫的健康狀況進行評價，并在損傷概率超過某一閾值時提出損傷報警。拉索是纜索支撐橋梁(即斜拉橋、懸索橋、系桿拱橋及其組合形式)安全的關鍵，因此拉索張力實時監(jiān)測是該類橋梁狀態(tài)監(jiān)測和損傷診斷的必要環(huán)節(jié)。既有研究已基本實現(xiàn)了通過拉索振動信號來識別索力，但關于索力瞬時變化的監(jiān)測一直懸而未決；為解決此問題，Zhang[11]提出利用拉索加速度響應的同步壓縮短時傅里葉變換來識別斜拉橋拉索的瞬時張力，然后通過與現(xiàn)有方法進行了比較，采用數(shù)值方法證明了該算法在表征拉索瞬時張力方面的優(yōu)點。Hou[37]利用某大跨斜拉橋累積一年的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比分析了索力時變特征與GPS位移響應的趨勢(即索力的變化滯后于GPS位移)，結果發(fā)現(xiàn)：橋梁結構承受的實際荷載統(tǒng)計特性與設計值有所不同，實際荷載的離散性通常大于設計荷載的離散性；目前基于荷載性能函數(shù)的包絡線設計偏保守，應適當降低結構的可靠性指標，以利于結構的優(yōu)化。3

結

語“橋梁模態(tài)自動化識別”研究依然是橋梁健康監(jiān)測領域的研究重點，結構的整體動力特性仍是不容忽視的監(jiān)測部分。此外，橋梁結構的狀態(tài)監(jiān)測與損傷評估取得了較大研究進展。隨著中國橋梁的不斷建設發(fā)展，巨大的存量和增量為橋梁健康和安全帶來了巨大挑戰(zhàn)，同時也為橋梁檢測與監(jiān)測技術的實踐和創(chuàng)新帶來了巨大機遇。隨著人工智能、5G通信、大數(shù)據(jù)以及云計算的發(fā)展和普及，未來橋梁的檢測和監(jiān)測發(fā)展趨勢可以歸納為以下幾個方面：1）從破壞性檢測向無損檢測轉變；2）從人工檢測向機械智能檢測轉變；3）數(shù)據(jù)采集方式從人工記錄向系統(tǒng)自動采集轉變；4）從周期性檢測、檢查向實時數(shù)據(jù)監(jiān)測轉變；5）檢測手段從現(xiàn)場實操向智能感知轉變；6）檢測裝置從臨時性設備向長期性預埋傳感器轉變；7）檢測評估從少量抽樣數(shù)據(jù)研判向大數(shù)據(jù)分析轉變。參考文獻(References)：[1]張啟偉．大型橋梁健康監(jiān)測概念與監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]．同濟大學學報(自然科學版)，2001(01):65-69.[2]宋來健，王景全．土木工程結構損傷識別研究進展[A]．中國土木工程學會．中國土木工程學會2018年學術年會論文集[C]．中國土木工程學會：中國土木工程學會,2018:12.[3]ZHOUY,SUNLM.Insightsintotemperature