桥梁健康监测技术

2023年12月12日发(作者：生日祝福语男生)

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桥梁健康监测技术

摘要：本文介绍了桥梁健康监测的基本含义、研究开发的紧迫性和意义，综述了其研究现状、存在的问题，并对进一步的研究进行了展望。

关键词：桥梁；健康监测；研究方法

一、引言

从上世纪90年代至今，我国进行了大规模的公路和城市桥梁建设，桥梁总数达三十多万座，且每年都有一批结构新颖、形式多样的桥梁建成。作为生命线工程，其运营安全性受到了社会各界的高度重视，如何确保桥梁特别是大跨度桥梁的健康运营是桥梁研究领域又一热点。由于桥梁在运营过程中反复受到车载、风载等多种荷载的作用，同时受到如气候、材料老化、疲劳等不利因素的影响，不可避免地产生自然老化，损伤积累，严重的甚至会导致突然倒塌，西方发达国家的桥梁已有先例，2007年8月美国明尼苏达州公路桥的坍塌就是一个警示的标志。因此桥梁的健康监测越来越重要，通过监测可以及时发现结构隐患并采取措施，有效预防突发性灾难，而且可为桥梁结构的新理论、新技术的评估和验证提供数据依据。

二、桥梁健康监测的含义

桥梁健康监测的基本含义是通过对桥梁结构技术状况的监控与评估，为桥梁结构在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁保养、维修与管理决策提供依据和指导。桥梁健康监测可以通过设置在桥梁中的数据采集系统自动采集桥梁的各个状态参数如荷载、温度、挠度、应变、振动特性等，采集到的数据经预处理后通过通信系统送到控制中心，经过数据系统分析处理得到桥梁的健康状况评估、损伤分析、剩余寿命评估、交通控制和维修决策等结论。因此，健康监测系统主要对以下几个方面进行监控：①桥梁结构在正常环境与交通条件下运营的物理与力学状态；②桥梁结构在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时的物理与力学状态；③桥梁重要非结构构件（如支座）和附属设施（如振动控制元件）的工作状态；④结构构件耐久性；⑤大桥工作环境，如桥址处的风速和风向、环境及结构的温度、湿度等。与传统的检测技术不同，大型桥梁健康监测不仅要求在测试上具有快速大容量的信息采集与通讯能力，而且力求对结构整体行为的实时监控和对结构状态的智能化评估。

三、桥梁健康监测的研究历史

从上世纪50年代开始，美国和其它一些国家相继建立了桥梁检测的一些标准，于是产生了第一代的桥梁安全检测。1971年，美国制定了国家桥梁检测标准（NBIS），提供了检测方法的细节、检测时间间隔和检测人员资格的统一的指导。随后世界各国在桥梁检测方面都有了很大的发展。但这种传统的桥梁安全检测是以人工方法为主，通过定期或非定期的现场检测，获得实测数据，通过计算分析得出检测结论。这种方法由于受传感器数量、测量条件、安装工艺等因素的影响，使得所检测的数据无论是从有限元或是动态规划的理论上分析都是不尽充分的，而且数据采集相对不够及时，且是间断性的，不能够全面真实地反映桥梁的运行状况。因而很难给出科学准确的桥梁健康评估。

发达国家于上个世纪80年代中期开始各种规模的桥梁健康监测系统的建立。如英国在总长522m的三跨变高度连续钢箱梁Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一，它实现了实时监测、实时分析和数据网络共享。我国自上个世纪九十年代起对一些大型重要桥梁上建立了不同规模的结构监测系统，如上海徐浦大桥、江阴长江大桥、郑州黄河大桥、钱江四桥（系杆拱桥，190m 主跨）、南京长江一桥（128m 主跨连续梁桥）、南京长江二桥（斜拉桥）、重庆大佛寺桥（斜拉桥）、湛江海湾大桥（斜拉桥）、宾州黄河大桥（斜拉桥）、阳逻长江大桥（悬索桥）、长江2桥（斜拉桥）、晴川桥（下承式钢管混凝土拱桥）、润扬长江大桥结构安全健康监测系统等。香港青马大桥健康监测系统永久性地安装了800多个各种类型传感器用于监测桥梁的健康状态及使用状况。香港在汲水门斜拉桥上安装了270多个各种类型的传感器和数据采集与管理设备组成的监测系统来监测桥梁的运营状况及健康状态, 对该系统所采集到的数据进行分析即可评价大桥的动力特性。 四、现阶段研究方法

基于结构振动的损伤识别方法，其基本原理是结构的模态参数（固有频率、模态振型等）是结构物理特性（质量、阻尼和刚度）的函数，因而物理特性的改变会引起系统动力响应的改变。基于振动的结构动力响应检测方法是寻找与结构动力特性密切相关的动力参数，通过动力参数的变化来判断结构的健康状况，是对结构无损的损伤识别、评估方法（NDE）。这种损伤探测方法除了整体检测的优点外，对于大型土木工程结构，可以采用环境激励引起的结构振动对结构进行检测，从而实现实时监测。

（一）动力无模型损伤识别方法

动力无模型损伤识别方法是通过分析比较直接从振动响应的时程或相应的傅立叶谱或其他变换（如小波变换）得到的特征量，从而识别损伤的方法。可分为：时域方法、频域方法以及时频分析方法。时域方法常用的有利用ARMA（自回归滑动平均）模型、使用扩展的卡尔曼滤波算法等一系列方法。频域方法常有傅立叶谱分析、多谱分析（信号高次矩的傅立叶变换）、倒谱分析（变换的变换，以傅立叶谱幅值平方的对数傅立叶逆变换应用最广）。时频分析方法有小波分析及Wigner－Ville分析，由于土木工程一般不会产生强的非平稳振动，因此该法很少用于桥梁损伤识别。

（二）动力有模型损伤识别方法

对于土木结构，一般采用建立有限元模型进行识别，目前常用的方法可分为两种：

1.基于模态参数的指纹识别方法

首先，动测后进行模态参数识别、其次，采用构造损伤指标（指纹）识别损伤。

2.直接进行系统识别 由模态参数确定刚度、质量、阻尼的变化从而识别损伤，是参数估计的逆问题，需要定义误差函数最小进行求解。

目前应用较多的是指纹识别方法。

五、桥梁健康监测研究存在的问题

就现在桥梁结构健康监测及诊断的研究水平来看，桥梁结构健康监测及诊断仍然存在以下几个问题：

1.由于桥梁结构不确定的诸多因素和复杂的工作环境对结构模态参数的敏感性会造成不利的影响，因此目前桥梁结构的整体监测还存在着许多困难。为了解决这些问题，最好把桥梁分成许多了结构，通过各个结构的模态参数变化来判断整个系统的工作状态。

2.目前对桥梁结构健康状态的评价缺乏统一的有效的通用的损伤量化指标，并A_难以反映某个局部构件的损伤对整个桥梁的工作状态的影响情况。在基于振动的检测方法中，主要应用结构的模态参数变化量来判断整个结构损伤程度以及是否存在损伤，这样就要求测得的信号在损伤前后应该有较明显的差异，能够准确地表示出结构的损伤及损伤程度。因此应该提出一种通用的损伤量化指标，能够把结构的健康状况进行简单的分级量化。

3.传感器的优化布设是桥梁结构健康监测和诊断中的一个重要问题，应该做到使用尽量少的传感器获取尽可能多的结构的健康信息。

4.由于人工神经网络的并行计算能力、自我记忆能力和自我学习功能以及很强的容错性与鲁棒性，对于大型的非线性桥梁结构，神经网络在结构的健康监测及诊断方面将会有很大的应用前景。

5.无线监测系统将是桥梁结构健康监测的重要发展方向。传统的监测系统需要布设大量的信号传输线，从使用和维护方面考虑，在桥梁上长期安装大量的测试线也是不现实的，而无线监测系统不但可以大大降低安装费用，避免信号线老化工作失效的麻烦，还可以对那些不易接近的危险地段进行长期重点监测。 6.开发适合桥梁结构检测的专用传感器是桥梁检测问题中的关键。测量仪器的精度不够以及效率低是困扰桥梁检测的一大难题。

7.在线实时分析。把数值分析技术与现场测试结合起来，使得它们可以适时地取长补短。

六、研究展望

桥梁健康监测研究目前尚处于起步阶段，自动识别损伤的能力尚不具备。以下几个方面的技术问题需要进一步开展研究:

1.监测系统面临的两个问题是成本高和精度低。这些问题需要结合无线网络技术和传感网络优化布设方法的研究来解决。传感网络优化布设在航天器的动态控制与系统识别中得到广泛研究和良好的应用效果，但在桥梁健康监测系统中，由于桥梁工作环境和结构型式的复杂性，目前尚缺乏有效的传感网络优化布设方法。现阶段把模态保证准则、修正模态保证准则SVD比、模态动能、Fisher信息阵作为评价传感网络优化布设方法的5条量化准则。此外，需要研究传感器最佳数量和兼顾开展传感网络的鲁棒性、抗噪性和可视性研究。

2.研究适用性更强的损伤识别指标是桥梁健康监测的核心技术问题。在实际工程复杂的工况和损伤的多样性条件下，在现有研究的基础上，发展和建立可靠性强、灵敏度高、抗干扰性能良好的损伤识别指标，该指标不会发生错判和漏判损伤的现象，即使不能精确实现损伤定位，也具有很大的工程意义。

3.模态识别技术在环境参数变化的条件下的抗噪声性和识别精度研究。目前的抗噪声性和识别精度研究尚未考虑环境参数的变化，而环境因素对桥梁结构动力特性影响很大，这也是许多理论模型与工程实际应用结果不相吻合的主要原因。由于桥梁运营使用造成的损伤和动力参数变化，往往淹没在由于环境温度变化、风基础沉降等引起的动力参数扰动中，给损伤识别的实现带来困难。因此，这个方向的研究应该予以足够的重视。

4.智能传感元件及其耐久性问题。智能传感元件，例如光栅光纤传感器用于监测系统有着良好的效果，在航空航天机械行业得到成功的应用，在桥梁监测中也具有可以预见的良好前景。目前在智能传感元件的相容、大应变和耐久性问题的研究上，还有大量工作需要开展。

参考文献：

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