（机械电子工程专业论文）大型斜拉、悬索桥受损索识别新理论的研究及实践.pdf

中文摘要 摘要 基于结构健康监测技术来识别索结构( 特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、 悬索桥) 的索系统中的受损索是一种极具潜力的方法。目前结构健康监测技术主 要通过对索力的监测，根据索力的变化来识别索支撑结构( 指以索为承载支撑部 件的结构) 的索系统( 指所有支撑索) 中的受损索及其损伤程度。然而就单一索 而言，其索力变化同其健康状况( 损伤程度) 有明确的、单调变化的关系，但是， 当这根索是索结构( 特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥) 的索系统中 的一根时，由于每一根特定索的索力变化不仅仅受它自身健康状况的影响，还受 索系统中其它索的健康状况的影响。因此观察每一根特定索的索力的变化时，即 使在该索相同健康状况( 相同损伤程度或无损伤) 条件下，也会监测到其索力变 化忽正忽负、忽大忽小的现象，这对受损索的识别是非常不利的。目前还没有一 种公开的、有效的健康监测系统和方法解决了此问题。为了能对索支撑结构( 特 别是大型索结构，例如大型斜拉、悬索桥) 的索系统的健康状态有可靠的监测和 判断，就必须有一个能够合理有效建立起索支撑结构的索系统中每一根索的索力 变化同索系统中所有索的健康状况间的关系的方法。基于该方法建立的健康监测 系统给出的健康评估才会更可信。这也是本文研究的核心。 本文针对索支撑结构( 特别是大型索结构，例如大型斜拉、悬索桥) 中索系 统的健康监测问题，首次创造性地提出并研究了一种能够合理有效地监测索结构 ( 特别是大型索结构，例如大型斜拉、悬索桥) 的索系统中每一根索的健康状况 的系统和方法。并以建峰桥( 一座索支撑桥) 为具体研究案例，首次提出了索系 统中所有承载索的索力变化同所有承载索的健康状况间线性关系的假说，研究了 基于健康监测技术的建峰桥受损索的识别问题，并在此基础上提出并研究了适用 于一般索支撑结构的索系统的健康监测技术。该研究成果已申请了国家发明专利。 本文主要研究工作和创新性成果可以概述如下： 对大型结构的力学分析而言，由于结构的复杂性，建立可直接求解的方 程通常是不可能的，一般都采用数值方法分析，例如用有限元法进行索结构的力 学分析。当研究索结构的所有索的索力变化同所有索的健康状态间的定量关系时， 也存在类似问题，也可采用有限元法进行分析，然后在有限元分析的基础上寻找 有关规律。本文以建峰桥这一索支撑桥为研究对象，根据该桥的设计图、竣工图 和实测数据( 包括桥型数据、索力数据) ，利用有限元法建立该桥的有限元基准模 型；然后在此有限元基准模型的基础上进行模拟，在只有1 根索、2 根索、3 根索、 5 根索、6 根索、7 根索、1 3 根索、2 4 根索、2 6 根索、3 2 根索、3 9 根索、4 8 根 重庆大学博士学位论文 索、5 2 根索、5 6 根索和1 0 4 根索( 即所有索) 受损的条件下，具体模拟计算了所 有索的索力变化；并对不同条件下的索力变化进行了研究分析，以获得规律性的 认识。首次明确指出仅仅依靠增加模拟案例的数量，根据对模拟案例的总结归纳 来识别受损索是非常困难的，其结论往往是不可靠的。 针对建峰桥的索系统( 指所有承载索) 健康监测问题，首次创造性地提出 了一个关于索力变化的线性关系假说，给出了用向量和矩阵表达的线性关系公式。 定义了线性关系公式中各个向量和矩阵，特别是创造性地定义了单位损伤索力变 化矩阵，给出了建立各向量和矩阵的步骤和方法。然后在建峰桥有限元基准模型 已做的拉索损伤模拟的结果的基础上，给出了考核线性关系的方法。定义和使用 了误差向量，对提出的线性关系假说进行了验证研究。 本文研究表明，在所有索的损伤程度都不大于3 0 ，受损索的数量不太 大等前提条件下，线性关系假说在工程应用上是可以接受的。或者说该线性关系 只是一种近似的线性关系，因此不能简单根据此线性关系来直接求解得到索损伤 向量，否则得到的索损伤向量中的元素甚至会出现较大的负值，也就是负损伤， 这明显是不合理的。为了获得索损伤向量的可接受的解，即带有合理误差，但可 以比较准确的从索系统中确定受损索的位置及其损伤程度，本文创造性地提出使 用多目标优化算法来求解上面提到的线性关系假说公式，提出了具体的求解过程 ( 也就是识别受损索的过程) 。并针对所有模拟案例进行了验证研究，研究表明， 在一定条件下，基于线性关系的多目标优化算法受损索识别技术是能够满足工程 应用要求的。 建峰桥是索结构的一个具体案例，本文提出的针对建峰桥的索系统的健 康监测方法，其基础在于索系统当前索力向量f 同初始索力向量r 、单位损伤索 力变化矩阵彳只单位损伤标量优和当前损伤向量d 间的近似线性关系，而这样 一种线性关系成立的前提是材料处于线弹性阶段、结构变形不太大。本文在建峰 桥具体案例研究的基础上研究了适用于一般索结构的索系统的健康监测技术，并 给出了具体的解决思路和方案。 关键词：索支撑桥，索，损伤识别，线性关系，结构健康监测 英文摘要 a b s t r a c t i ti sah i 业p o t e n t i a lt e c h n i q u et oi d e n t i f yt h o s ed a m a g e dc a b l e sf r o ma l l s u p p o r t i n g c a b l e so fa c a b l e s u p p o r t e ds t r u c t u r e ( e s p e c i a l l y t h e l a r g e - s c a l e c a b l e s u p p o r t e ds t r u c t u r e s ，s u c ha sc a b l e s u p p o r t e db r i d g e s ) n o wi ti sw i d e l yu s e dt o e v a l u a t et h eh e a l t ho fs u p p o r t i n gc a b l e sb ym o n i t o r i n gt h e i rc a b l ef o r c e si nt h ea t c ao f s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g c h a n g eo fas i n g l ec a b l e sc a b l ef o r c eh a sas p e c i f i ca n d m o n o t o n er e l a t i o n s h i pw i t hd a m a g ed e g r e eo fi t so w n h o w e v e r , w h e nt h ec a b l ei so n e c a b l eo fa l ls u p p o r t i n gc a b l e so fac a b l e - s u p p o r t e ds t r u c t u r e ，c h a n g eo ft h ec a b l e s c a b l ef o r c es e 瞰ld o e sn o th a v eas p e c i f i ca n dm o n o t o n er e l a t i o n s h i p 谢也d a m a g e d e g r e eo fi t so w n , b e c a u s ei t sc a b l ef o r c ei si n f l u e n c e db yd a m a g ed e g r e eo fi t s e l fa n d o t h e rc a b l e s c h a n g eo fi t sc a b l ef o r c ei sr u l e l e s sa p p a r e n t l ye v e nw h e nt h ec a b l e s h e a l t hs t a t ed o e sn o tc h a n g ea ta l l ，b u th e a l t hs t a t eo fo t h e rc a b l e si sc h a n g i n g i nf a c t , c a b l ef o r c eo fah e a l t hc a b l ec a nb eo b s e r v e dt ob ei n c r e a s e da f t e ra no b s e r v a t i o no f d e c r e a s e t h i ss i t u a t i o ni sab i gd r a w b a c kf o rh e a l t hm o n i t o r i n go fc a b l e s t oh a v ea r e l i a b l e m o n i t o r i n ga n de v a l u a t i n go fs t r u c t u r a lh e a l t h s t a t eo fac a b l e - s u p p o r t e d s t r u c t r r e , c a b l e - s u p p o r t e db r i d g ef o re x a m p l e , ar e l i a b l er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc h a n g e o fc a b l ef o r c eo fe v e r ys u p p o r t i n gc a b l ea n dh e a l t hs t a t eo fa l lc a b l e sm u s tb e e s t a b l i s h e df i r s t l y , t h e nt h eh e a l t he v a l u a t i o no fa l lc a b l e sc a nb et r u s t e db a s e do nt h e r e l a t i o n s h i p f o rh e a l t hm o n i t o r i n go fa l lc a b l e so fc a b l e s u p p o r t e ds t r u c t u r e s ，as e r i e so fm e t h o d i si n t r o d u c e da n di n v e s t i g a t e di nt h ep r e s e n tt h e s i s j i a n f e n gb r i d g e ( ac a b l e s u p p o r t e d b r i d g e ) i ss e l e c t e da sac a s es t u d yt oi n t r o d u c et h ec r e a t e dh e a l t hm o n i t o r i n gt e c h n i q u e f o ra l lc a b l e so fj i a n f e nb r i d g e as e to fh e a l t hm o n i t o r i n gm e t h o df o ra l lc a b l e so f c a b l e - s u p p o r t e ds t r u c t u r ei si n t r o d u c e db a s e d o nt h ec a s es t u d yo f j i a n f e n b r i d g e t h em a i nw o r k sa n dn o v e lr e s e a r c hp e r f o r m e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e4 p a r t s ： n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d ，s u c ha sf i n i t ec l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，i su s e df o r a n a l y z i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fl a r g e - s c a l es t r u c t u r e s ，i n s t e a do fd i r e c ts o l u t i o no f t h o s em e c h a n i c a lf u n c t i o n sw h i c hd e s c r i b et h es t r u c t u r e sm e c h a n i c a lr e l a t i o n s h i p i n f a c t , f e mi su s u a l l yu s e dt oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc h a n g e so fc a b l ef o r c e s o fa l lc a b l e so fac a b l e - s u p p o r t e ds t r u c t u r et o o i i lt h ef i r s tp a r to ft h i st h e s i s ，af i n i t e e l e m e n t ( f e ) b a s e l i n em o d e lo fac a b l e s u p p o r t e db r i d g e ，j i a n f e nb r i d g e ，i si n t r o d u c e d f i r s t l y s e c o n d l y , c h a n g eo f c a b l ef o r c e so fo n eh u n d r e da n df o u rs u p p o r t i n gc a b l e sa r e 重庆大学博士学位论文 c a l c u l a t e dt h r o u g hf es i m u l a t i o nm e t h o db a s e do nt h ef eb a s e l i n em o d e lo ft h eb r i d g e w h e ns o m es u p p o r t i n gc a b l e sf i r ea p p o i n t e dt ob ed a m a g e da tt h es a m eo rd i f f e r e n t d e g r e e a l lt h ef es i m u l a t i o nc a s e s ( d a t a b a s e ) i n c l u d et h o s es i t u a t i o n sw h e no n l yo n e ， t w o ，t h r e e ，f v e , s i x ，s e v e n , t h i r t e e n , t w e n t y - f o u r , t w e n t y - s i x ，t h i r t y - t w o ，t h i r t y - n i n e , f o r t y - e i g h t , f i 封- t w o ，f i f 吟- s i xa n do n eh u n d r e da n df o u rc a b l e sf i r ea p p o i n t e dt ob e d a m a g e d t h i r d l y , s t a t eo f t h ec h a n g eo fs u p p o r t i n gc a b l e s c a b l e 触si sa n a l y z e dt o f i n ds o m ep o t e n t i a lr u l e st h a t 血咖b eh e l p f u lf o ri d e n t i f i c a t i o no fd a m a g e dc a b l e s b a s e d0 nt h ef es i m u l a t i o nd a t a b a s ea n ds h m t e c h n i q u e i ti sf i r s t l yd e f i n i t e l yp o i n t e d o u tt h a tt h ei d e n t i f i c a t i o nr e s u l t so fd a m a g e dc a b l e sa r eq u i t ep o t e n t i a l l yu n r e l i a b l e ，i f t h ei d e n t i f i c a t i o nj u s tb a s e do ni n c r e a s i n gt h ea m o u n to fs i m u l a t i o ne a s e sa n dl i n g u a l d e s c r i p t i o no f t h ed a m b a s eo f t h e s i m u l a t i o no a s e s i n t h es e c o n dp a r t , an o v e ll i n e a rr e l a t i o n s h i ph y p o t h e s i s ，a b o u tc h a n g e so f c a b l ef o r c e so fa l ls u p p o r t i n gc a b l e sf o rt h eh e a l t hm o n i t o r i n go fj i a n f e n gb r i d g e ，i s i n t r o d u c e da n dt e s t e db a s e do nt h ed a t a b a s ei l l u s t r a t e di nt h ef i r s tp a r t f i r s t l y , al i n e a r r e l a t i o n s h i pf u n c t i o ni sd e f i n e db y v e c t o r sa n dm a r x ，w h i c ha l ed e f i n e d e s p e c i a l l y , a n o v e lm a t r i xw h i c hd e s c r i b e sc h a n g e so fa l ls u p p o r t i n gc a b l e s c a b l ef o r c e sd u et ou n i t d a m a g e ，i sd e 筋e d t h ep r o c e s sa n dm e t h o d st oe s t a b l i s ht h ed e f i n e dv e c t o r sa n d m a t r i xi sg i v e nt o o t h e n , b a s e do nf es i m u l a t i o nr e s u l t sg o ti nt h ef i r s tp a r to ft h i s t h e s i s ，p r o c e s s e sf o ra s s e s s m e n to ft h ei n t r o d u c e dl i n e a lr e l a t i o n s h i pi sd e s c r i b e da n d a q o rv e c t o ri sd e f i n e di nt h i sp a r tf o rc o n v e n i e n to fa s s e s s i n gt h el i n e a lr e l a t i o n s h i p f i n a l l y , t h el i n e a rr e l a t i o n s h i ph y p o t h e s i si st e s t e db a s e do nt h ed a t a b a s ei l l u s t r a t e di n t h ef i r s tp a r to ft h ep r e s e n tt h e s i s i ti sf o u n di nt h es e c o n dp a r to ft h i st h e s i s ，t h el i n e a rr e l a t i o n s h i ph y p o t h e s i si s a c c e p t a b l ew h e nd a m a g ed e g r e eo fa l ld a m a g e dc a b l e si sn o tb i g g e rt h a n3 0 a n d a m o u n to fd a m a g e dc a b l e si sn o tt o ol a r g e o nt h eo t h e rh a n d , w ec a l ls a yt h a tt h e l i n e a rr e l a t i o n s h i ph y p o t h e s i si sn o t 肼栅a n dh a se r r o rs ot h a tt h el i n e a rr e l a t i o n s h i p f u n c t i o nc a nn o tb es o l v e dd i r e c t l yt og e td a m a g ed e g r e ev e c t o ro fa l lc a b l e s ；i ft h e f u n c t i o ni ss o l v e dd i r e c t l y , t h e ns o m eu n a c c e p t a b l en e g a t i v ed a m a g ed e g r e em i g h tg o t t og e ta l la c c e p t a b l es o l u t i o no fd a m a g ed e g r e ev e c t o ro fa l lc a b l e s ，m u l t i - o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o na r i t h m e t i ci su s e dt os o l v et h el i n e a rr e l a t i o n s h i pf u n c t i o ni nt h i sp a r t t h e s o l u t i o np r o c e s si sd e s c r i b e di nd e t a i l t h es o l v e dd a m a g ed e g r e ev e c t o ro fa l lc a b l e s c a l ld e s c r i b et h ed a m a g e ds u p p o r t i n gc a b l e s ，b o t ht h ep o s i t i o na n dd a m a g ed e g r e e t h e nt h ei n t r o d u c e dm e t h o di st e s t e db a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t e dr e s u l t so f t h et w o p r e r p a r t s i ti sf o u n dt h a ttt h ei n t r o d u c e dm e t h o dt oi d e n t i f yd a m a g e d c a b l e so f i v 英文摘要 j i a n f e nb r i d g ei sv e r ye f f e c t i v ei ns o m ed e g r e e t h ep r e c o n d i t i o n sf o rt h el i n e a rr e l a t i o n s h i ph y p o t h e s i sa n dt h ea c t u a l a p p l i c a t i o no ft h ep r o c e s s e sf o ri d e n t i f i c a t i o no fd a m a g e dc a b l e s ，d e v e l o p e di nt h i s t h e s i s ，i n c l u d et h a ts t r u c t u r a lm a t e r i a li sl i n e a le l a s t i c i t ya n ds t m e t u r a ld e f o r m a t i o ni s n o t t o ol a r g e f i n a l l y , g e n e r a l ，e s se 1 1 _ t i a la n dc o m p a c tp r o c e s s e so fi d e n t i f i c a t i o no f d a m a g e dc a b l e so fc a b l e - s u p p o r t e ds t r u c t u r e s ，b a s e do i lt h em e t h o dd e v e l o p e df o r j i a n f o n gb r i d g e ，a r eg i v e nf o rc o n v e n i e n to fi t sa c t u a la p p l i c a t i o nf o rh e a l t h m o n i t o r i n go f a l lc a b l e so fo t h e rc a b l e - s u p p o r t e ds t r u c t u r e s k e y w o r d s ：c a b l e - s u p p o r t e db r i d g e ，c a b l e ，d a m a g em e n t i f i c a t i o n , l i n e a r r e l a t i o n s h i p ，s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g , v 学位论文独创性声明 李入声明所呈交的赴士学位论文之翌垒挠超。塞壅播塑鲰垒) 丞逢2 丝丝 冱亟题基亟是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位敝储虢叶踯 导师签名： 签字日期：加罗，易 签字日期：砂7 歹、少 学位论文使用授权书 国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版， 并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用 和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重 庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名：导师签名： l 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 索系统( 本文指索支撑桥梁中所有的承载索) 通常是索支撑桥梁的关键组成 部分，它的失效常常带来整个结构的失效，基于结构健康监测技术来识别索支撑 桥梁的索系统中的受损索是一种极具潜力的方法。目前结构健康监测技术主要通 过对索力的监测，根据索力的变化来识别受损索及其损伤程度。然而就单一索而 言，其索力变化同其健康状况( 损伤程度) 有明确的、单调变化的关系，但是， 当这根索是索支撑桥梁的索系统中的一根时，由于每一根特定索的索力变化不仅 仅受它自身健康状况的影响，还受其它索健康状况的影响，因此观察每一根特定 索的索力的变化时，即使在该索相同健康状况( 相同损伤程度或无损伤) 条件下， 也会观察到其索力变化忽正忽负、忽大忽小的现象，这对索的健康状况的判断是 非常不利的。目前还没有一种公开的、有效的健康监测系统和方法解决了此问题。 为了能对索支撑桥梁的索系统的健康状态有可靠的监测和判断，就必须有一个能 够合理有效的建立它们的索系统中每一根索的索力变化同索系统中所有索的健康 状况间的关系的方法，基于该方法建立的健康监测系统给出的健康评估才会更可 信。本文针对索支撑结构( 特别是大型索结构，例如大型斜拉、悬索桥) 中索系 统的健康监测问题，提出并研究了一种能够合理有效地监测索支撑结构的索系统 中每一根索的健康状况的系统和方法。 1 1 2 研究意义 本文针对索支撑桥梁的索系统的健康监测问题，以建峰桥的索系统为具体研 究对象，提出并研究了一种能够合理有效的建立索系统中每一根索的索力变化同 索系统中所有索的健康状况间的关系的方法。并在建峰桥具体案例研究的基础上 研究了适用于一般索结构的索系统的健康监测方法，并给出了具体的解决思路和 方案。研究内容和研究成果具有重要的理论意义和应用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 面向桥梁的结构健康监测技术的研究现状 结构健康监测( s 恤“加r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，简称s h m ) 技术是一项被寄寓厚 望的结构安全相关技术，同它相关的概念还有损伤识别( d a m a g ei d e n t i f i c a t i o n d e t e c t i o n m o n i t o r i n g ) 【l 翻、状态评估( c o n d i t i o na s s e s s m e n t m o n i t o r i n g ) 【3 】和智 能结构【4 】等，这些名词各有自己的出发点和侧重点，经常被混用，也说明结构健 重庆大学博士学位论文 康监测领域的研究者来自多学科的特点，说明结构健康监测研究的多学科交叉的 特点。一般来说，结构健康监测指利用在结构上布设的传感器系统，对其运营期 的工作状态进行长期、实时、在线的监测，并结合结构力学特性分析，以识别其 在运营状态下的结构响应变化，从而揭示其中可能发生的损伤或退化【5 1 。关于结 构健康监测的文献综述较多。d o e b l i n g 等在1 9 9 6 年给出的最早的健康监测文献综 述主要集中在机械和航空结构【1 1 。土木结构工程中的结构健康监测的较早的综述 则是1 9 9 7 年h o u s n c r 的文献【5 】，该文在a s c e ( a m c r i c a ns o c i e t yo f c i v i le n g i n e e r s ) 的j o u r n a lo f e n g i n 蹦 i n gm e c h a n i c s 期刊以一整期的形式刊出。随后在1 9 9 9 年， a s c e 的c o m m i t t e eo l ls t r u c t u r a li d c n t i f i c a t i o l lo f c o n s t r u c t e df a c i l i t i e s 在结构识别 的框架下，对土木结构健康监测进行了综述【6 1 。除此之外还有许多综述性文献【7 - 1 9 1 。 结构健康监测的研究主要集中在以下几个方面： 功能器件( 含传感器、驱动器等) 。 功能器件的优化布置。 信号、信息处理技术。 结构响应特性分析( 含力学模型、静态响应、动态响应等) 。 基于力学分析的健康状态评估技术。 系统集成。 结构健康监测技术的实用等。 在功能器件领域，目前常用的有电阻应变传感器、压电传感器、光纤传感 器、形状记忆合金、碳纤维元件等；还可以按功能分为位移传感器、应变传感器、 速度传感器、加速度传感器、温度传感器、风速传感器等等。目前，对光纤传感 器的研究比较多，这是因为光纤传感器具有尺寸小、重量轻、灵敏度高、抗电磁 干扰能力强，耐腐蚀能力强、可任意弯曲、可以多路复用等优点，集传感和传输 于一体，在结构健康监测领域得到广泛研究。光纤b r a g g 光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g , 简称f b g ) 传感器是近年来得到最多研究的光纤传感器，目前已经有大量的文献 报道了将f b g 传感器粘贴在结构表面或埋如结构内部，构成分布式光纤传感网 络，实时监测大型结构的应力、应变、温度参数，甚至监测结构内部损伤的研究 成果【1 9 2 9 j 。 为了便于工程实用，传感器的无线化也是目前报道最多的领域之一，传感器 的无线化，主要目的是便于快速布置传感器系统，对无线传感器的一般要求包括 微体积、低功耗、低成本。微电子机械系统( m e m s ) 技术的发展，促进了无线 传感器及无线传感网络的发展，目前已经出现集远端传感、局部信息处理、无线 信号传输能力于一体的无线传感器【3 5 1 。并开始有在结构健康监测中的应用，例 如l y n c h 等研发的适用于结构健康监测的低功耗无线传感单元已在美国的 2 1 绪论 a l a m o s a c a n y o n 大桥和韩国的g e u m d a n g 大桥上进行了验证p 刿。 在解决无线传感器的能源方面，近来出现了一些新的研究方法。例如r o u n d y 等人在结构振动时利用压电器件来产生电能，并将电能储存下来供无线传感器使 用【删】。m 妇等研究了种无线传感器，这种传感器通过接受查询系统发出的无 线电波来获得能量m j 。 在功能器件优化布置领域，其主要研究目的是在有限成本的前提下，怎样 合理布黄有限数量的功能器件，以获得最大的结构健康监测效益。主要研究方法 是在结构力学分析( 包括静力学分析、动力学分析，含模态分析等等) 和实验测 试的基础上，研究有限数量的传感器的优化布置方案f 4 ”6 】。除常见的优化算法外， 还研究了遗传算法、人工神经网络算法、蚁群算法等等。 信号、信息处理技术是健康监测系统的核心部分之一。信号处理技术负 责对接收到的信号进行处理，在去除干扰信号后，分析获得结构健康状态相关信 息，有时还在相关信息的基础上直接给出健康状态评估。目前涉及的信号处理技 术包括时域分析法、频域分析法、时频域分析法。具体包括：快速傅立叶变换( f 兀) 5 7 - 5 9 】，小波分析法【5 5 1 ，h i b e r t h u a n g 方法【雕7 2 1 。信息处理技术负责对经信号处 理后的传感器信号进行处理，有些情况下可以根据信息特征直接给出健康评估， 其它情况下，则为后续的健康状态评估提供像载荷信息、索力信息等有助于健康 评估的信息。直接根据信息特征，利用事先准备的数据库和系统识别的方法进行 健康评估的方法有支持向量机7 3 1 、统计检验【7 4 , 7 5 】、统计模式识别方法【7 6 1 、人工神 经网络法 7 7 - 8 0 、遗传算法【s 瞄1 1 、时间反转法【8 猫5 1 、相控阵法【8 6 - 9 0 等等。 在结构响应特性分析领域，主要研究通过数值方法，最常见的是通过有限 元法建立大型结构的力学基准模型，并在力学基准模型的基础上开展结构损伤前 后的静力学、动力学等响应特性变化的对比分析，进而为健康监测系统的建立提 供依据，包括确定准备测量何种物理力学量，帮助确定传感器的选择和布置方案， 为依据测量系统获得的信息进行健康评估提供依据等等【9 1 1 0 引。 在基于力学分析的健康状态评估技术领域，研究根据结构力学响应特 性分析得到的结构响应特征随其健康状态变化而变化的特性，利用信号、信息处 理技术得到的实测结构力学响应特性数据，使用力学方法对结构进行健康状态评 估。例如：根据监测系统提供的载荷历程进行结构的疲劳损伤、疲劳寿命评估 1 0 9 - 1 1 4 】；依据索力、结构变形和结构振动特性等进行健康评估【1 1 5 1 1 引。 在系统集成领域，研究对健康监测系统的软硬件进行高效集成的技术，以 提供高效、可靠、易用的健康监测系统。整个健康监测系统的集成向小型化、智 能化演进。例如：将损伤识别算法集成到传感器中【3 8 】利用专家系统来自动获取 与结构状态相关的信息 1 l9 ，1 2 0 。国内外已有专门针对结构健康监测领域成立的公 3 重庆大学博士学位论文 司，致力于结构健康监测系统集成产品的研发【1 2 l ，1 2 2 。 在结构健康监测技术的实用方面，用于大型桥梁的健康监测系统的研究 也已经持续了数十年时间，1 9 7 1 年美国制定了国家桥梁监测标准( n b i s ) ，8 0 年代 中后期开始在多座桥梁上布设检测传感器，用以验证设计假定、监视施工质量和 服役安全状态。例如佛罗里达州的s u n s h i n es k y w a yb r i d g e 桥上安装了5 0 0 多个 传感器。英国于8 0 年代后期开始研制和安装大型桥梁的监测仪器和设备，并调查 和比较了多种长期监测系统的方案。俄罗斯在聂伯尔彼得罗夫斯克城跨第聂伯河 的输氨水管道钢悬索桥上安装了传感器，进行了现场试验。加拿大的魁北克省制 订并实施了一座公路桥梁的动力测试计划，旨在建立一个可靠的数据库并为制定 动力测试的标准过程提供依据。在该计划进行的一系列桥梁动力测试中，采用测 量特定部位( 可能的最大响应点) 应变和位移的办法计算桥梁的动力放大系数 ( d a f ) 。用垂直加速度响应( 在特定的测试车辆驶过桥梁时) 的快速傅立叶变换( f f d 计算桥梁的动力特性( 频率、振型和模态阻尼) ，并用以校准结构的有限元模型。 动力放大系数和模态参数被用作评定桥梁可靠性的依据。芬兰在8 0 年代末开始发 展本国的桥梁管理系统，目的是提供一个可靠的支持工具，以便对现存桥梁的维 护、维修和重建进行决策。整个桥梁管理系统基于桥梁监测和状态评估，所有信 息保存在一个桥梁数据库中。桥梁管理系统包括两个部分：网络级系统( 所有桥梁) 和项目级系统( 单个桥梁) u 。1 刿。 自9 0 年代开始，我国的桥梁监测和诊断技术系统的研究迅速发展，若干重大 桥梁上开始布设监测系统，并针对健康诊断指标和方法进了逐步深入的研究。在 1 9 9 7 年完工的香港青马大桥上，安装了复杂的桥梁监测系绀1 2 3 1 2 4 1 。青马大桥是 世界上单跨跨度最大的公路铁路两用悬索桥，承受巨大的交通荷载和强烈的风荷 载作用。该检测系统的硬件部分( 包括传感器系统，数据采集及传输系统，数据管 理等) 十分完善，但其数据处理部分只是简单地分析包括风荷等在内的结构的动、 静荷载和响应( 包括温度、应变、加速度、位移、交通荷载、桥面水平等) ，尚未 形成对桥梁的健康状态和损伤进行全面分析的技术系统。我国广东虎门大桥 1 1 2 5 - 1 2 6 、润杨长江大桥1 1 2 7 、大佛寺长江大桥【1 2 蚋、黄河滨州大桥【1 2 9 1 、哈尔滨松花 江大桥【1 2 9 1 、南京长江大桥n 3 0 l 、南京长江第三大桥【1 3 1 1 、江阴大桥f 1 3 2 1 、天津永和 大桥【1 3 3 1 、宁夏叶盛黄河大桥【1 3 4 】等许多桥梁上都建立了各具特点的健康监测技术 系统。 结构是工作在环境中的，而环境是变化的，有的时候环境还是恶劣的，传感 器等健康监测系统的部件的性能是受环境影响的，结构的响应可能是随温度变化 的，而这种变化可能是无害的，结构损伤通常是局部的、不易察觉的，造价是有 限的等等，这些因素是一个成功的结构健康监测系统都必须考虑的，所以结构健 4 1 绪论 康监测系统研究是多学科交叉型研究，目前公开的研究成果是巨量的，但笔者认 为，面向桥梁的结构健康监测技术能否成功应用的关键可以表述为下列三个方面： 什么样的监测信号是所需的。包括： 1 ) 桥梁的可能的失效模式分析。 2 ) 桥梁的健康状态发生变化时，结构的哪些可测量特性也会发生变化。根据 结构的可测量特性的变化特点，提出相应的测量要求。 通过什么样的测量系统与信号处理技术获得所需的信号。包括： 1 ) 目前的测量技术已经能够提供什么样的信号。 2 ) 使用或发明什么样的传感器和驱动器才能够提供新的、更能反应结构健康 状态的信号。 3 ) 传感器、驱动器应当怎样布置，才能保证经济可靠地提供所需的完整数据。 4 ) 如何保证测量系统提供的信号是可靠的。 5 ) 使用或发明什么样的信号处理方法对获得的间接反应结构特性的信号进行 分析，才能获得所需的直接反应结构特性的数据。 建立结构健康状态同结构可测量特性的变化的关系。其具体内容应当包括： 1 ) 怎样的结构分析模型，才是适应健康监测的要求的结构分析模型，才能正 确地模拟结构的可测量特性同其健康状态间的关系。这里的结构分析模型包 括力学模型，实际上力学模型是常用的结构分析模型，但笔者认为力学模型 不应当是唯一的一种用于健康监测的结构分析模型，否则会对创造性地解决 问题有窒碍作用。 2 ) 怎样建立所需的结构分析模型，并在所建立的模型的基础上分析在不同的 失效模式下，结构的可测量特性( 例如力学响应特性) 的变化，研究结构损 伤( 健康状态) 同结构可测量特性的变化的关系，最好是建立定量的关系。 解决了上述三个关键问题后，就可以根据所得的测