橋梁結構的損傷現(xiàn)代檢測與評估
2014-03-21
近年來,隨著交通事業(yè)的發(fā)展,橋梁的重要性與日俱增,但隨著汽車交通量增大、重車交通增加及橋梁所處環(huán)境受人為外力及自然災害的影響,使得現(xiàn)役橋梁劣化程度比較嚴重。為保證這些橋梁的功能性及安全性,需對其健康狀況進行損傷檢測及安全評估。
1 公路橋梁損傷檢測方法
近幾十年來,針對不同類型的新舊橋梁損傷和老化現(xiàn)象,國內(nèi)外橋梁研究人員提出了各種各樣的檢測方法。大體上說,目前橋梁結構損傷檢測分為局部檢測法和整體檢測法。
1.1 局部檢測技術
局部檢測技術是對結構目標部位進行集中重點的檢查,一般以無損檢測技術為工具,主要用于探測結構的局部損傷,可較精確地對結構缺陷部位進行定位、探查,甚至定量分析。下面重點介紹下無損檢測技術：
傳統(tǒng)的無損檢測（Nondestructive Evaluation,NDE）技術得到了較大發(fā)展,目前已有超聲檢測、紅外檢測、聲發(fā)射、自然電位檢測、沖擊回波檢測、磁試驗、r或x射線檢測、光干涉、脈沖雷達、振動試驗分析等數(shù)十種之多。除振動試驗分析法以外,多數(shù)無損檢測技術屬于局部檢測方法。某些無損檢測技術應用橋梁結構上還存在著一些不利因素,如r或x射線檢測法只能檢測一定厚度范圍內(nèi)的混凝土,對檢測空間有一定要求,且有一定的放射性危險;超聲檢測雖然對鋼結構檢測效果較好,但對混凝土類各向異性材料的檢測不夠準確,檢測設備成本較高;紅外檢測法可遠距、快速的進行檢測診斷,但檢測成本較高且對交通流量有影響。局部檢測方法需要人工作地毯式搜索,雖較費時費力且可靠性差,但對于量大面廣的中小橋梁來說,從技術、經(jīng)濟上考慮,人工檢測仍然是一種重要的比較現(xiàn)實的技術管理手段。今后的方向是擴大先進檢測技術的應用范圍,并積極研究、應用小型的自動化程度較高的檢測儀器。傳統(tǒng)的檢測方法一般可以對橋梁的外觀及部分結構特性進行監(jiān)測,對橋梁局部關鍵結構構件、節(jié)點可以進行較為合理的損傷判斷,然而難以全面反映橋梁的整體健康狀況,對于橋梁結構的安全程度、剩余壽命難以作出系統(tǒng)的評估。國內(nèi)外學者普遍認同并致力于研究的無損檢測方法是結合系統(tǒng)識別、振動理論、振動測試技術、信號采集等跨學科技術的試驗模態(tài)分析法。目前,該整體檢測技術在一些局部范圍內(nèi)取得了積極的效果。一種比較現(xiàn)實的損傷檢測測方法可能是綜合整體損傷定位與局部細化檢測兩種手段的技術。
1.2 整體檢測技術
1.2.1整體檢測是從全局上把握整個結構的實際工作狀態(tài),可連續(xù)或間隔地檢查結構安全狀態(tài),并可用來指導對損傷可疑部位進行定位和損傷程度評估,提高檢測效率。整體檢測方法可分為靜態(tài)檢測方法和動態(tài)檢測方法。
1）靜態(tài)檢測方法是在橋梁停止使用的狀態(tài)下對橋梁進行靜
載試驗,量測與橋梁結構性能相關的靜力參數(shù),如橋梁在靜載下的變形、撓度、應變、裂縫等。通過分析這些參數(shù),可直接判定全橋靜承載能力,并得出結構的強度、剛度及抗裂性能。
2）動態(tài)檢測方法（基于振動的測試識別方法）是對橋梁結構
進行動力荷載試驗,利用結構的動力性能是判斷橋梁運營狀況和承載力的依據(jù)。該方法是對待測結構系統(tǒng)進行激勵,通過振動測試、數(shù)據(jù)采集、信號分析與處理,由系統(tǒng)的輸入和輸出確定結構的力學特性,根據(jù)結構系統(tǒng)的動力特性來識別損傷。
1.2.2整體檢測技術的現(xiàn)狀
對于特殊、重要的大跨度橋梁,近年來人們致力于整體損傷診斷與評估方法的研究。實時監(jiān)測與故障診斷技術在發(fā)達國家的航空航天、軍工、機械行業(yè)中已得到了廣泛應用,許多技術已十分成熟。然而由于大型土木工程結構和材料的復雜性、特殊性,從直接仿照機械振動模態(tài)技術出發(fā),籠統(tǒng)的采用單一動力參數(shù)指標去評估整個結構的狀態(tài)是不合適的。同時,在機械、航空航天行業(yè)得到成熟應用的其它技術如傳感器的優(yōu)化布置、結構動力指紋變化的識別,應用于土木工程結構,特別是橋梁結構時都還存在著很多難題。
橋梁結構整體健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究有望改變過去不能及時發(fā)現(xiàn)結構故障的被動局面,可以及時地了解結構的整體工作狀態(tài),是以后的發(fā)展方向之一。然而,這涉及到3個方面的工作:a工作參數(shù)的采集;b工作參數(shù)的識別加工得到橋梁工作狀態(tài)信息;c根據(jù)工作狀態(tài)信息給出橋梁健康狀況評估。
目前的工作多集中于前者,后兩項工作仍然處于理論與實踐探索階段,總體來講,難度仍然很大。
1） 傳感器的優(yōu)化布置問題結構損傷檢測首先涉及到信號采集技術。在結構損傷檢測研究與實踐中,傳感器是個研究重點。大型橋梁結構監(jiān)測系統(tǒng),一般包括多種類型和眾多數(shù)目的傳感器,如香港青馬大橋上設立的永久性健康監(jiān)測系統(tǒng),包括700多個風速儀、加速度儀、應變儀、位移儀、溫度儀、水平儀、車載車速儀。眾多的傳感器形成了傳感器群,從而帶來了傳感器優(yōu)化布置方面的研究。結構中傳感器的數(shù)量和位置對模型參數(shù)估計的質(zhì)量和偏差有重要影響,然而,獲得結構完整的模態(tài)數(shù)據(jù)對于橋梁這樣的大型結構是不可能的,測量只能得到所有自由度中的一部分模態(tài),而且,這一過程不可避免的會引入誤差和導致?lián)p傷檢測難度加大。因此,在考慮成本代價的影響下,確定傳感器的類型、數(shù)量、位置等布置的最優(yōu)化或接近最優(yōu)化,以從有限數(shù)量的傳感器系統(tǒng)中實現(xiàn)信息的最優(yōu)采集是損傷檢測的首要關鍵環(huán)節(jié)。目前已經(jīng)提出了一些優(yōu)化算法,如MAC矩陣非對角元最小化準則、遺傳算法等。清華大學土木系采用廣義遺傳算法對香港青馬大橋傳感器群最優(yōu)布點進行了優(yōu)化設計（1997）,經(jīng)過實踐檢驗證明該算法是可行的,并且可以獲得全局最優(yōu)化或接近最優(yōu)化。
2） 橋梁損傷識別方法
a 動力指紋法
動力指紋法是通過分析與結構動力特性相關的動力指紋的變化來判斷結構的真實狀況。通常用到的動力指紋有:頻率、振型、模態(tài)曲率、應變模態(tài)、傳遞函數(shù)、功率譜、模態(tài)保證準則（MAC）、坐標模態(tài)保證準則（COMAC）、能量傳遞比（ETR）等。使用單一測試動力特征的方法有頻率比法、振型差法、應變模態(tài)法、曲率模態(tài)法等;使用多個測試動力特征的方法有柔度差陣、剛度差陣、均載變形-曲率法、能量損傷指紋、能量商差指紋等;使用其它測試響應的方法如FRF波形指紋法,包括WCC、ATM、SAC等幾個指針。大量的模型和實際結構試驗表明:結構頻率實測較準,但它對局部損傷不敏感;振型尤其是較高階振型對局部剛度變化很敏感,但卻很難精確測量。MAC、COMAC等依賴于振型的動力指紋都存在類似的問題,而模態(tài)曲率、應變模態(tài)則在低幅值振動測試中變化量級過小而難以起到有效的判別作用。某些指標如ETR、單元模態(tài)應變能可以較有效的確定損傷位置或發(fā)展,然而這些指標對噪聲比較敏感,容易湮沒于噪聲中。目前已有的研究表明,動力指紋法對實驗室內(nèi)的簡單模型結構而言是成功的,應用于實際的結構上結果還不太理想?？梢哉f,到目前為止,動力參數(shù)法對結構損傷識別的能力仍然十分有限。動力指紋法的成功應用或許需要依賴于尋找新的綜合性損傷指標及試驗技術的發(fā)展。
b 模型修正法
模型修正法主要利用直接或間接測得的資料通過條件優(yōu)化約束,不斷的修正結構模型的剛度分布,從而得到結構剛度變化的信息,實現(xiàn)結構的損傷判別與定位。用于無損評估的有限元模型修正方法包括模態(tài)柔度法、最優(yōu)矩陣修正法、靈敏度矩陣修正法、特征結構分配法、測量剛度改變法和綜合模態(tài)參數(shù)法。由于技術上的原因,通常只有結構的一些識別較好的低階模態(tài)被用于有限元模型修正。然而事實是,只有對應于高階頻率的模態(tài)對結構的損傷定位是敏感的,低階模態(tài)對確定損傷位置并無明顯貢獻,反而增加了計算工作量。這種方法的缺陷在于測試不可能得到結構的完整模態(tài)集且測量中的信噪比較低,因而由測試數(shù)據(jù)難以給出足夠的修正信息,導致了解的不惟一性。
c 人工神經(jīng)網(wǎng)絡法
Rajagopalan等人（1996）論述了在無損檢測與評估領域中人工智能（AI）的兩個應用途徑。他們認為AI中基于知識的系統(tǒng)（KBS）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）可以合適地應用于NDE中。人工神經(jīng)網(wǎng)絡是在研究神經(jīng)網(wǎng)絡中對人腦神經(jīng)網(wǎng)絡的某種簡化、抽象和模擬。神經(jīng)網(wǎng)絡具有集體運算能力、自適應的學習能力、還有較強的容錯性、魯棒性,能進行聯(lián)想、綜合和推廣。
有研究者認為,傳統(tǒng)的損傷評估算法基于精確的數(shù)學建模,而對于復雜結構的性能尚未達到精確理解的程度;而神經(jīng)網(wǎng)絡法可以保存結構損傷與未損模式,并可進行自學習,進行對比分析就可辨識損傷。
近年來,人工神經(jīng)網(wǎng)絡已在濾波、譜估計、信號檢測、系統(tǒng)辨識、模式識別等方面得到了成功的應用。神經(jīng)網(wǎng)絡識別法可以解決傳統(tǒng)模式識別中的高噪音干擾和模式損失等缺點。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡法,結合小波分析技術,可對橋梁監(jiān)測信號進行預處理和損傷特征提取;由于橋梁結構損傷檢測得到的測試數(shù)據(jù)的不完備性,神經(jīng)網(wǎng)絡法可以利用有限的數(shù)據(jù)訓練,用不完備的數(shù)據(jù)識別在無數(shù)學模型的情況下可以較好的解決非線性和不確定性引起系統(tǒng)的辨識問題。目前應用于結構損傷識別的有基于誤差反向傳播算法的神經(jīng)網(wǎng)絡（BP）、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡（RBF）、自組織神經(jīng)網(wǎng)絡（ART）等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡法的主要局限性在于訓練數(shù)據(jù)集的獲取,其準確性在很大程度上取決于訓練數(shù)據(jù)集的完備程度。
3） 環(huán)境激勵下的系統(tǒng)響應識別
結構振動測試中的激振技術可以采用激振設備或其它激振手段如發(fā)射火箭、爆炸、人工地震等等。在橋梁結構中采用專用激振設備或人工激振往往需要關閉交通或是引起結構損傷,采用重型激振設備往往也會增加系統(tǒng)識別的成本。而利用作用于橋梁結構上的車輛、行人、風及其組合等自然環(huán)境激勵進行結構系統(tǒng)識別則具有很多優(yōu)點:不需打斷交通流,無需布置貴重設備,且方便省時。
環(huán)境激勵輸入實際上是無法確切知道的,因此環(huán)境激勵系統(tǒng)識別是只知信號輸出而不知信號輸入的系統(tǒng)識別法,這是對傳統(tǒng)的系統(tǒng)識別法的一個挑戰(zhàn)。然而,環(huán)境激勵響應一般振動幅值小、隨機性強、易受噪聲影響、數(shù)據(jù)量大,需要一些特殊的識別技術。國外學者基于不同用途提出的識別方法有:基于功率譜密度的峰值法、基于離散時間數(shù)據(jù)的ARMA模型、自然激勵技術、隨機子空間法等。任偉新對頻域識別的峰值法（PP）和時域識別的隨機子空間法（SSI）進行了比較,并針對一幢15層高的鋼筋混凝土建筑和一座鋼拱橋進行了應用分析,結果表明:PP法具有簡單、快捷、實用的優(yōu)點,但結構阻尼無法識別,且振型識別精度不高;而SSI法計算工作量大,但識別質(zhì)量較高;由此建議現(xiàn)場試驗時用PP檢查數(shù)據(jù)并初步識別結構的動力特性,然后再用SSI法做進一步分析以確保結果的正確性。
4）專家系統(tǒng)
結構的損傷診斷與評估不僅需要深厚的理論基礎,而且需要豐富的專家經(jīng)驗。基于知識的專家系統(tǒng)匯集了專家們的知識,突破時域限制,使損傷診斷與評估逐漸走向智能化、自動化。目前,在橋梁損傷評價與維修對策中已有應用和開發(fā)專家系統(tǒng)的嘗試。專家系統(tǒng)一般都融合了模糊理論,以適應處理不確定性信息的能力。由于專家系統(tǒng)是基于符號的推理系統(tǒng),具備解釋功能,但獲取知識困難,而人工神經(jīng)網(wǎng)絡具備學習能力,但不具備解釋能力,將專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡結合起來建立結構損傷智能診斷系統(tǒng)顯現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景。
2 橋梁結構安全評估與壽命預測
橋梁結構從正常到不正常的發(fā)展,導致缺陷發(fā)生的過程稱為裂化過程或損傷過程。損傷檢測的目的是為了對橋梁進行客觀的評價,以此來指導車輛通行,為橋梁維護、合理有效的加固提供科學依據(jù),并為橋梁發(fā)展趨勢及剩余壽命進行合理預測。
2.1 橋梁結構的安全評估
橋梁安全評估分初步評估和詳細評估兩個層次。初步評估可快速篩選出大量橋梁的安全性程度,再由主管部門配合該橋梁的重要性程度,決定是否需要進行詳細評估。
1） 初步評估。
根據(jù)影響橋梁耐震、耐荷及耐沖刷能力的項目,以填表方式評定各項目的分數(shù),再綜合獲得整體分數(shù),據(jù)以判定受評價橋梁耐震、耐荷及耐沖刷能力是否足夠或有疑慮或不足。
2） 詳細評估。
根據(jù)橋梁實際現(xiàn)有情況,配合最新相關設計規(guī)范資料,經(jīng)詳細結構分析后計算橋梁耐震及耐荷能力。經(jīng)詳細評估后顯示安全性不足的橋梁,應立即進行補強工作,且橋梁安全評估所獲得的信息,應當作補強工作的重要參考依據(jù)。
2.2 壽命預測
橋梁結構的使用壽命或耐久年限,是指在役橋梁在正常使用和正常維護條件下,仍然具有其預定使用功能的時間。在進行壽命預測之前,首先必須明確結構的預定功能是什么,如何判斷結構的功能失效,即極限狀態(tài)的定義,這是結構壽命預測與剩余壽命評估的關鍵。橋梁結構的使用壽命與材料性能、細部構造、使用狀態(tài)、劣化機理等許多因素有關,且諸多因素相互作用很難量化?，F(xiàn)在有各類預測方法,目前的常用方法有經(jīng)驗預測法、數(shù)學模型預測法及壽命預測隨機法。
3. 結 語
橋梁結構損傷檢測與評估涉及到結構、通訊、計算機、管理科學等多個學科領域,系統(tǒng)論、信息論、控制論、非線性科學等最新技術都在其中有廣泛應用?？傮w上說,仍然處于初步探索階段。隨著各學科的進一步交叉與同步發(fā)展,相信橋梁結構的健康監(jiān)測與評估這一門新興的科學將會得到較大的發(fā)展。橋梁的長期實時或定時在線自動監(jiān)測、健康狀況評估（包括特大自然或人為災害后的快速評估）、交通管理與維修決策融為一體的綜合性決策系統(tǒng)也會盡快實現(xiàn)。
