橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別方法綜述

賈明曉 連鑫

摘要：我國的地貌豐富，為滿足交通需求，大批跨河橋梁和高架橋應(yīng)運(yùn)而生，而隨之到來的橋梁結(jié)構(gòu)損傷問題也逐漸受到關(guān)注。在交通量大且運(yùn)營壓力大的今天，橋梁經(jīng)常超載運(yùn)營，再加之各種不可預(yù)見的自然災(zāi)害，使得橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷日趨嚴(yán)重。出現(xiàn)這些問題，首先要對橋梁工作狀態(tài)，損傷程度和安全性進(jìn)行評估，然后提出相應(yīng)處理措施。經(jīng)過多年的理論研究和實(shí)踐，國內(nèi)外學(xué)者們提出許多關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別的方法。本文通過對橋梁檢測技術(shù)的綜合敘述，闡明了橋梁檢測的主要項(xiàng)目。從而系統(tǒng)梳理橋梁檢測技術(shù)知識和提高橋梁損傷識別的有效性。

關(guān)鍵詞：橋梁檢測；損傷識別；識別方法

Abstract：China is rich in landscape， to meet the traffic demand， a large bridge across a river and viaduct arises at the historic moment， and then come the bridge structure damage problem also gradually attention. In today's traffic flow and operation pressure big， Bridges often overload operation， plus all sorts of unpredictable natural disaster， the bridge structure fatigue damage has become increasingly serious. In the face of these problems， first of all to work state of the bridge， the damage degree and safety assessment， and then put forward the corresponding measures. After years of theoretical research and practice， many domestic and foreign scholars put forward a variety of structural damage identification method. Based on the comprehensive description of bridge detection technology， illustrates the main bridge detection project. Furthermore， combing the knowledge of bridge detection technology and improve the effectiveness of bridge damage identification.

Keywords：bridge detection；damage identification；identifying methods

橋梁是滿足交通的重要組成部分，對社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到關(guān)鍵作用。但橋梁結(jié)構(gòu)在長期超載運(yùn)營中肯定會出現(xiàn)損傷以及安全隱患[1]。想要保證橋梁的安全運(yùn)營，就必須不時(shí)的對橋梁進(jìn)行整體檢測，而最有效的方法就是研究結(jié)構(gòu)的損傷識別[2]。橋梁檢測能準(zhǔn)確地檢查診斷出橋梁內(nèi)部的各種損傷[3] （如裂紋、磨耗和鋼筋銹蝕等），對裂縫及其他損傷的發(fā)展趨勢進(jìn)行評估，從而能更好的保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)。

一、傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法

近半個(gè)世紀(jì)以來，許多國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過大量的研究開發(fā)了多種損傷檢測方法[4]。主要有半損檢測和無損檢測兩種。由于需要修復(fù)的橋梁一般在役，用于橋梁結(jié)構(gòu)檢測的主要是無損傷的識別方法，無損傷的識別方法包括結(jié)構(gòu)局部識別方法和結(jié)構(gòu)整體識別方法。而結(jié)構(gòu)損傷識別方法根據(jù)是否反演又分為模型修正法和動力指紋法。此外，自計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展以來人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)法也逐漸應(yīng)用于結(jié)構(gòu)損傷識別的領(lǐng)域。因而，結(jié)構(gòu)損傷識別方法主要有模型修正法、動力指紋法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。

（一）模型修正法

做試驗(yàn)檢驗(yàn)時(shí)通常先建立模型，然而，有時(shí)會發(fā)現(xiàn)所建模型存在系統(tǒng)偏差，這時(shí)我們就需要對模型進(jìn)行修正，以保證模型的等效性。大致分為以下步驟，首先建立有限元模型并模擬損傷，此時(shí)該模型必會發(fā)生變化，輸出結(jié)構(gòu)剛度。然后通過實(shí)驗(yàn)測得實(shí)際數(shù)據(jù)并進(jìn)行反演。最后比較兩者的數(shù)據(jù)，不一樣時(shí)進(jìn)行修正，一樣時(shí)則認(rèn)為該模型輸出的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以進(jìn)行損傷識別。此方法應(yīng)做實(shí)驗(yàn)有靜載試驗(yàn)對應(yīng)靜態(tài)有模型法；動測試驗(yàn)對應(yīng)動態(tài)有模型法。

1.靜態(tài)有模型法

（二）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用很多神經(jīng)元相互連接組成的，類似于人類大腦的一些特征。損傷識別通常需要對大量非線性問題進(jìn)行處理。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法處理信息有兩個(gè)過程，一是學(xué)習(xí)，就是橋梁運(yùn)營中輸入大量數(shù)據(jù)樣本；二是計(jì)算，就是對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行非線性插值。在這些過程中把損傷識別的反問題簡化為兩個(gè)正向求解問題，所以，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法優(yōu)勢在于對反向問題的求解。

由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有很強(qiáng)大的非線性求解能力，而廣泛于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。但是對于大型結(jié)構(gòu)監(jiān)測的數(shù)據(jù)繁多，從而增加識別難度。此時(shí)可以分項(xiàng)工作，減少任務(wù)量。

（三）動力指紋法

結(jié)構(gòu)是由質(zhì)量、剛度等結(jié)構(gòu)參數(shù)所組成的系統(tǒng)，如果結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，那么這些動力學(xué)參數(shù)就會發(fā)生變化，從而使得結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)和頻響函數(shù)發(fā)生變化。動力指紋就是反應(yīng)結(jié)構(gòu)動力特性的參數(shù)，一般包括頻率、振型、頻響函數(shù)（Frequency Response Function， FRF）、曲率模態(tài)、剛度矩陣和柔度矩陣等。

動力指紋可通過有限元分析獲得，其結(jié)果從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)測的結(jié)論也較為客觀準(zhǔn)確。但是需要較多測點(diǎn)，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)容易受噪聲等干擾源影響，使具體損傷位置很難準(zhǔn)確無誤地找出，這一點(diǎn)可以從試驗(yàn)設(shè)備的精確度和試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行改進(jìn)，可以多做幾組梁以便對比觀察。雖然動力指紋能識別損傷位置，但是在識別損傷程度時(shí)就顯得有些不足，并且對多損傷位置識別也不可靠[6]。

二、利用小波分析識別橋梁損傷

小波分析方法可以在時(shí)間和空間不斷變化的過程中對時(shí)間和頻率信號進(jìn)行局部化分析，這種方法克服了其他方法在處理結(jié)構(gòu)損傷信號時(shí)分辨率不高的缺點(diǎn)，小波由于分辨率較多，可以識別出隱藏結(jié)構(gòu)動力特性，因此是一種近年來大受歡迎的方法。具體是先用有限元軟件建立梁的模型，再通過有限元軟件輸出的位移時(shí)程對其位移時(shí)程進(jìn)行小波分析，然后再對實(shí)際損傷梁在荷載作用下的位移時(shí)程進(jìn)行分析，通過小波灰度圖確定損傷位置。

近幾十年來，小波分析取得了飛快地進(jìn)展。Deng和Wang[7]對損傷并加荷載情況下的簡支梁的變形曲線進(jìn)行小波分析，驗(yàn)證了小波分析的適用性。余竹[8]等針對以往研究的不足，豐富了基于小波分析的橋梁損傷識別方法。

此外，小波分析可以減少測點(diǎn)，甚至只需一個(gè)測點(diǎn)就可以準(zhǔn)確測得損傷位置。因此，利用小波分析識別橋梁損傷具有很大的實(shí)用性。

三、未來展望

以上所介紹的方法在實(shí)際損傷識別中還存在著環(huán)境干擾等問題。如交通、環(huán)境噪音、溫度、濕度等因素會隱藏因損傷引起的結(jié)構(gòu)動力參數(shù)的變化，從而使得損傷識別結(jié)果存在很大的不確定性。目前，許多學(xué)者關(guān)注環(huán)境因素的影響提出了直接采集結(jié)構(gòu)相應(yīng)信號，通過信號分析，達(dá)到消除環(huán)境影響因素的方法。很多損傷識別方法僅僅局限于數(shù)值模擬或者實(shí)驗(yàn)室簡單的模型。如今，損傷檢測仍然面臨著在實(shí)際應(yīng)用中存在測試數(shù)據(jù)不完備、環(huán)境激勵下無法獲得激振信息、結(jié)構(gòu)所處的外界環(huán)境復(fù)雜多變、無法得到結(jié)構(gòu)在完好狀態(tài)下的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、測試噪聲的干擾等困難。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，橋梁檢測技術(shù)必然會不斷取得進(jìn)步。主要損傷識別方法的局限性也在不斷改善，一些創(chuàng)新性的檢測技術(shù)將會應(yīng)用到橋梁檢測中來。比如，我們可以利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對橋梁檢測數(shù)據(jù)的共享，對相近的橋梁結(jié)構(gòu)安全問題進(jìn)行類比分析；對于新建橋梁可以預(yù)先埋設(shè)的檢測儀器結(jié)合分析軟件通過網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)程對橋梁運(yùn)營期的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測及預(yù)警；對于高墩大跨徑不利于檢測人員安全的外觀檢測項(xiàng)目，可以利用無人機(jī)進(jìn)行外觀拍攝結(jié)合分析軟件對結(jié)構(gòu)外觀缺陷進(jìn)行分析。

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項(xiàng)目基金：基于改進(jìn)微平面本構(gòu)模型的RC橋墩地震損傷評價(jià)方法（編號：51508190）

作者簡介：賈明曉（1981），女，華北水利水電大學(xué)，副教授，工學(xué)博士，研究生導(dǎo)師；連鑫（1991），男，漢族，河南周口人，華北水利水電大學(xué)研究生，研究方向：橋梁與隧道工程。