橋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)綜述

PAGE橋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)綜述自動(dòng)損傷識(shí)別自動(dòng)損傷識(shí)別是真正意義上的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心,是目前國際上的研究熱點(diǎn),目前還在研究階段。1自動(dòng)損傷識(shí)別的方法不同國家的學(xué)者已經(jīng)研究出許多自動(dòng)識(shí)別損傷的方法,這些方法可用來形成軟件,安裝在橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。自動(dòng)識(shí)別損傷的方法大致可分為兩類:(1)無模型的識(shí)別方法:它們不使用結(jié)構(gòu)模型,屬于這類方法的有:基于PRF的損傷識(shí)別指標(biāo)[2]方法,包括WaveformChainCode(WCC,其中又包括量測(cè)FRF的斜率差和曲率差)、AdaptiveTemplateMethods(ATM)和SignatureAssuranceCriteria(SAC)。此外還有人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、ARMA模型、模式識(shí)別等。(2)有模型的識(shí)別方法:它們使用結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行識(shí)別。這類方法又可分為兩種:基于模態(tài)參數(shù)的識(shí)別方法和直接的系統(tǒng)識(shí)別方法?；谀B(tài)參數(shù)的識(shí)別方法分為兩步,首先通過動(dòng)測(cè)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)(自振頻率、振型、振型阻尼比、應(yīng)變模態(tài))識(shí)別,然后通過模態(tài)參數(shù)識(shí)別損傷。第二步工作又有兩種方法,一種是通過損傷識(shí)別指標(biāo)進(jìn)行識(shí)別,由于模態(tài)參數(shù)對(duì)損傷不敏感,長(zhǎng)期以來人們?cè)噲D對(duì)模態(tài)參數(shù)進(jìn)行加工,以提高其對(duì)損傷的靈敏度,定義了損傷識(shí)別指標(biāo)后,可把它當(dāng)作結(jié)構(gòu)指紋,通過比較完好狀態(tài)的結(jié)構(gòu)指紋和受損狀態(tài)的結(jié)構(gòu)指紋來識(shí)別損傷。已經(jīng)定義的損傷識(shí)別指標(biāo)如下[2]:基于振型的損傷識(shí)別指標(biāo)有CoordinateModalAssuranceCriteria(COMAC)、曲率模態(tài)差和柔度矩陣差;基于應(yīng)變模態(tài)的損傷識(shí)別指標(biāo)有應(yīng)變模態(tài)差。評(píng)價(jià)損傷識(shí)別指標(biāo)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的靈敏度。上述指標(biāo)中曲率模態(tài)差、柔度矩陣和應(yīng)變模態(tài)差對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的靈敏度較高。由模態(tài)參數(shù)識(shí)別損傷第二步工作的另一種方法是由模態(tài)參數(shù)確定結(jié)構(gòu)的剛度矩陣的變化,是一種形式的參數(shù)估值問題。直接的系統(tǒng)識(shí)別方法則直接由結(jié)構(gòu)反應(yīng)確定結(jié)構(gòu)的剛度矩陣,是另一種形式參數(shù)估值問題。參數(shù)估值問題也稱逆問題,因?yàn)樗鼈兪怯山Y(jié)構(gòu)反應(yīng)推斷結(jié)構(gòu)參數(shù),就是由方程組的解反求方程組的系數(shù)。數(shù)學(xué)上都是不定問題(方程數(shù)少于未知量數(shù)),只能通過使人為定義的誤差函數(shù)最小進(jìn)行求解。一般由結(jié)構(gòu)模型的總自由度向量測(cè)自由度進(jìn)行GuyneReduction后,建立誤差函數(shù),使之最小而求剛度矩陣中的各元素。2自動(dòng)損傷識(shí)別工作內(nèi)容自動(dòng)損傷識(shí)別及后續(xù)工作的主要環(huán)節(jié)及其間關(guān)系見圖1。施加荷載的類型、方式和誤差分析所需的參數(shù)見圖2。量測(cè)結(jié)構(gòu)的各種反應(yīng)的傳感器及直接的數(shù)據(jù)處理。圖1自動(dòng)損傷識(shí)別及后續(xù)工作的主要環(huán)節(jié)圖2施加荷載的類型、方式和應(yīng)注意的問題3結(jié)構(gòu)反應(yīng)量測(cè)的幾個(gè)重要問題（1）傳感器的選擇和放置傳感器是損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。傳感器必須給出高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)反應(yīng)數(shù)據(jù),這是損傷識(shí)別的前提。首先要選擇傳感器的類型,這時(shí)不僅根據(jù)要量測(cè)的結(jié)構(gòu)反應(yīng),還要考慮施工情況,有些傳感器只能在施工期間安放,有些又需在施工前安放。施工期間能否保證傳感器不受損傷,是選擇傳感器的重要因素之一。然后是確定傳感器的位置和數(shù)量,這時(shí)要清醒估計(jì)結(jié)構(gòu)的易損部位以及結(jié)構(gòu)的不同反應(yīng)的特點(diǎn)。量測(cè)靜動(dòng)反應(yīng)有不同要求。已有一些優(yōu)選方法,大都依靠結(jié)構(gòu)的總體分析模型例如用遺傳算法選擇傳感器位置。(2)誤差分析是結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的前提不知道模態(tài)識(shí)別和系統(tǒng)識(shí)別結(jié)果的誤差,就得不到系統(tǒng)參數(shù)改變的可靠估值,也就得不到可靠的損傷識(shí)別結(jié)果。誤差分析需要知道誤差源。誤差源包括傳感器的精度、分辨率、噪音和零點(diǎn)漂移、AD變換的字長(zhǎng)、信號(hào)濾波和放大時(shí)的畸變信號(hào)傳輸時(shí)的噪音、結(jié)構(gòu)反應(yīng)量測(cè)值的精度和信度、模態(tài)識(shí)別和系統(tǒng)識(shí)別算法的誤差。誤差分析應(yīng)使用可靠的誤差分析的方法來分析誤差的傳播和積累,以確定損傷識(shí)別結(jié)果的精度和信度。(3)可靠的時(shí)間坐標(biāo)它是長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的重要問題。幾十年間反復(fù)啟動(dòng),反復(fù)停機(jī)情況下,所有載荷和反應(yīng)的記錄的時(shí)間坐標(biāo)必須保持同步。(4)記錄數(shù)據(jù)的選擇和歸檔它是長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)必須解決的問題。上千個(gè)傳感器每秒鐘都在采樣,一年就需1580G的存儲(chǔ)空間。因此存儲(chǔ)前必須精練這些數(shù)據(jù),刪除有毛病的數(shù)據(jù)。4模態(tài)識(shí)別模態(tài)識(shí)別使用結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)數(shù)據(jù)確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。(1)模態(tài)識(shí)別的方法近年來發(fā)展迅速,不斷出現(xiàn)新的高效的識(shí)別方法,主要是時(shí)域法和時(shí)頻域法,以適應(yīng)輸入和結(jié)構(gòu)反應(yīng)的非平穩(wěn)性、非白噪聲性和非線性,并提高計(jì)算速度。其中頻域法仍使用FFT,但有各種改進(jìn);時(shí)域法中,輸入的方法有各種MIMO和SIMO方法,基于脈動(dòng)輸入的方法有RD函數(shù)、ARMA、Hilbert變換和Kalman濾波等;基于脈沖反應(yīng)的方法有IbrahimeDomain(ITD)、EigenRealizationAlgorithms(ERA)等,其中ITD方法更適用于有非經(jīng)典阻尼的結(jié)構(gòu),它直接識(shí)別復(fù)模態(tài),需要由復(fù)模態(tài)求實(shí)模態(tài);時(shí)頻域法有Wignar分布等。(2)誤差分析損傷識(shí)別的能力取決于所識(shí)別的模態(tài)參數(shù)的精度,必須進(jìn)行模態(tài)參數(shù)的誤差分析。5不同損傷識(shí)別方法的精度通過損傷識(shí)別指標(biāo)識(shí)別必須知道不同損傷識(shí)別指標(biāo)可識(shí)別的最小損傷以及識(shí)別結(jié)果的精度,因此需進(jìn)行各類損傷識(shí)別指標(biāo)的誤差分析。但參數(shù)估值法問題,無論由模態(tài)參數(shù)識(shí)別損傷(剛度矩陣的變化),還是直接由結(jié)構(gòu)反應(yīng)識(shí)別損傷所得到的參數(shù)估值問題,都得不到真解,故無法分析誤差。6結(jié)構(gòu)分析為結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別所需的試驗(yàn),從選擇傳感器的類型和量程、測(cè)點(diǎn)和數(shù)量,直到參數(shù)估值,自始至終離不開結(jié)構(gòu)分析,這里沒有分析的試驗(yàn)毫無意義。因此,建立結(jié)構(gòu)的分析模型是損傷識(shí)別的一個(gè)關(guān)鍵問題。建立結(jié)構(gòu)的分析模型需適當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)的非線性、非彈性、邊界條件、阻尼模型和結(jié)構(gòu)參數(shù)中的不定性。7結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)定(1)作用——識(shí)別出的結(jié)構(gòu)損傷還不能直接用作結(jié)構(gòu)維修決策的依據(jù),要用有損結(jié)構(gòu)的剩余安全性進(jìn)行維修決策。(2)目前國內(nèi)外的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范普遍依據(jù)結(jié)構(gòu)可靠度理論。不再采用不合理的單一安全系數(shù),而采用多系數(shù)法。用剩余可靠度而不是剩余安全系數(shù)評(píng)估有損結(jié)構(gòu)的安全性是發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)構(gòu)失效用兩類極限狀態(tài)表示——承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。有損結(jié)構(gòu)的剩余安全性可用針對(duì)這兩類極限狀態(tài)的可靠度或可靠度指標(biāo)表示。進(jìn)一步,依據(jù)結(jié)構(gòu)可靠度理論的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的構(gòu)件設(shè)計(jì)公式可直接給出構(gòu)件利用率(Utilization)構(gòu)件利用率=乘以荷載分項(xiàng)系數(shù)的荷載效應(yīng)之和/乘以抗力分項(xiàng)系數(shù)的構(gòu)件抗力式中構(gòu)件抗力由損傷識(shí)別結(jié)果計(jì)算。用構(gòu)件剩余可靠度標(biāo)定利用率后,由構(gòu)件利用率進(jìn)行維修決策更方便。(3)近年來,隨機(jī)有限元技術(shù)迅速發(fā)展,隨機(jī)有限元程序可方便地給出構(gòu)件余可靠度甚至結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度。計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度有一定困難,但基于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度的維修決策更合理。8監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自身的監(jiān)測(cè)、維修和管理電子系統(tǒng)的使用壽命遠(yuǎn)小于工程結(jié)構(gòu)的壽命,而且更易受到破壞。為使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能長(zhǎng)期獨(dú)立工作,必須能自動(dòng)檢查電源、傳感器