試論智能橋梁結(jié)構(gòu)的健康檢測
2015-05-08
隨著檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和通訊技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的進(jìn)‘一步深入，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)正朝著智能化發(fā)展。智能橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究，符合人們希望通過迅速發(fā)展中的工程檢測、通訊、控制與計(jì)算機(jī)技術(shù)，對采用新技術(shù)、新材料、新工藝的新型橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)施檢測和指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)管理的目的。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它包括橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的測試數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)與指令的遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與處理、結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的評估與預(yù)警等。這些齊全的功能特性，使得橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測不僅僅能夠?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與評估，它還可能成為橋梁結(jié)構(gòu)研究的“真實(shí)試驗(yàn)室”，即通過其在橋梁運(yùn)營中所獲得的結(jié)構(gòu)及環(huán)境信息，不僅為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)，還為橋梁的理論研究與試驗(yàn)、提供最真實(shí)的第一手信息，獲得實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)全面的動(dòng)、靜力性能，加深人們對橋梁在各種交通條件和自然環(huán)境下的真實(shí)行為的理解，從而驗(yàn)證大橋的理論模型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算假定，指導(dǎo)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、施工工藝與相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等的改進(jìn)。因此橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究和發(fā)展，不僅對橋梁建設(shè)、管理具有現(xiàn)實(shí)意義，而且更將可能對橋梁設(shè)計(jì)與研究、特別是將來實(shí)現(xiàn)“智能公路、鐵路系統(tǒng)”等產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
智能橋梁結(jié)構(gòu)概述
智能橋梁結(jié)構(gòu)的含義
智能橋梁結(jié)構(gòu)是指將智能材料嵌入橋梁結(jié)構(gòu)中，能使橋梁結(jié)構(gòu)感知和處理信息，并執(zhí)行處理結(jié)果，使橋梁結(jié)構(gòu)具有自監(jiān)測、自診斷、自適應(yīng)和自修復(fù)等仿生功能，確保橋梁結(jié)構(gòu)在外部環(huán)境和車輛荷載的作用下安全可靠。
2.、智能橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
(1)具有感知與驅(qū)動(dòng)性能的材料經(jīng)過復(fù)合和仿生設(shè)計(jì)形成傳感器與驅(qū)動(dòng)器，并布
設(shè)于橋梁結(jié)構(gòu)中;
(2)對智能感知材料、驅(qū)動(dòng)材料和智能器件進(jìn)行集成，形成類似于生物體的智能
結(jié)構(gòu);
(3)以處理和控制為中心，對感知的信息進(jìn)行處理，產(chǎn)生決策，控制驅(qū)動(dòng)材料去
執(zhí)行。
綜上所述，智能橋梁結(jié)構(gòu)就是把目前廣泛使用的離線、被動(dòng)、靜態(tài)的檢測變?yōu)樵诰€、動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)的監(jiān)測，并根據(jù)感知信息去分析、判斷，控制驅(qū)動(dòng)器，使橋梁結(jié)構(gòu)的各方面性能得到改善，這是減災(zāi)防災(zāi)的思路產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，是實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想的一場革命。
二、我國智能橋梁結(jié)構(gòu)健康檢測方法
橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測就是要發(fā)展一種最小人工干預(yù)的在線、實(shí)時(shí)、連續(xù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、檢查與安全評估系統(tǒng)，是根據(jù)結(jié)構(gòu)在同一位置上不同的測量結(jié)果的變化來識(shí)別結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，它與傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)不同，通常傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)是直接測量結(jié)構(gòu)的物理狀態(tài)，無需結(jié)構(gòu)的歷史狀態(tài)，診斷結(jié)果很大程度上依靠測量設(shè)備的分辨率和精度，而橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是在同一位置上不同時(shí)間的測量結(jié)構(gòu)的變化來識(shí)別結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，因此歷史數(shù)據(jù)至關(guān)重要，識(shí)別的精度強(qiáng)烈依賴于傳感器和解釋算法。正是由于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的上述特點(diǎn)，因此，要求橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測評估目標(biāo)是根據(jù)獲得的大量信息，科學(xué)地、客觀地評價(jià)結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和正常使用性，以給橋梁的管理和維護(hù)提供依據(jù)，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須用監(jiān)測到的環(huán)境信息與結(jié)構(gòu)反應(yīng)對大橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別和評價(jià)，即利用測得的大橋結(jié)構(gòu)特性，如應(yīng)變、位移、加速度等，對橋梁結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行評估。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)作為一門多學(xué)科交叉的綜合體系，其理論覆蓋到多門學(xué)科的綜合體系，從國內(nèi)外的研究來看，目前普遍采用的集系統(tǒng)識(shí)別、振動(dòng)理論、振動(dòng)測試技術(shù)、信號(hào)采集分析的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法—整體法，山于橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、材料的不均勻、冗余度大等特點(diǎn)，難以確定損傷是否發(fā)生、損傷的位置和損傷程度等問題。隨著現(xiàn)代傳感和通信技術(shù)的發(fā)展，傳感器越來越便宜和實(shí)用，把傳感器布設(shè)在橋梁結(jié)構(gòu)的各個(gè)最不利位置成為可能，從而為橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的局部法增加了新的活力。橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的局部法，就是把測試傳感器布置在結(jié)構(gòu)最不利構(gòu)件上，根據(jù)測試值和結(jié)構(gòu)安全評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較完成橋梁結(jié)構(gòu)的安全性判斷。因此這個(gè)安全評價(jià)指標(biāo)的設(shè)定就顯得非常重要，如果把安全評價(jià)指標(biāo)取為規(guī)范值，測試值往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于安全評價(jià)指標(biāo)，對實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)警沒有意義;如果采用大型橋梁結(jié)構(gòu)有限元程序進(jìn)行計(jì)算，就必須知道作用在結(jié)構(gòu)上的荷載和環(huán)境參數(shù)(如溫度、濕度等)，雖然我們能用有限元程序計(jì)算出荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，但是，橋梁結(jié)構(gòu)的影響涉及到溫度在整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)上的分布情況，如果要通過理論計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的變形，那么首先必須搞清溫度在全結(jié)構(gòu)上的分布和在具體每一個(gè)截面上的分布狀況，事實(shí)上，橋梁結(jié)構(gòu)在24小時(shí)之內(nèi)溫度的分布是動(dòng)態(tài)的、持續(xù)變化的，且結(jié)構(gòu)變形經(jīng)常不是對稱的，山此要搞清溫度在全結(jié)構(gòu)上的分布和在每一個(gè)截面上的具體分布近乎不可能，這種溫度與變形和應(yīng)變的復(fù)雜關(guān)系往往無法用理論計(jì)算來精確給出。如何建立溫度值和橋梁結(jié)構(gòu)反應(yīng)的關(guān)系模型，建立橋梁安全評價(jià)指標(biāo)就顯得非常重要了，我們知道人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一門嶄新的信息處理學(xué)科，是一個(gè)高度復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，它具有大規(guī)模并行、分布式存儲(chǔ)和處理、自組織、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力，特別適用于需要同時(shí)考慮許多因素和條件的、不精確和模糊的信息處理問題。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性映射能力、容錯(cuò)能力和魯棒性優(yōu)勢，使得人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在多種交叉學(xué)科中得到廣泛應(yīng)用。
