桥梁结构健康监测和诊断的必要性及损伤探测方法

桥梁结构健康监测和诊断的必要性及损伤探测方法

1桥梁健康监测及诊断概述多年来，桥梁结构的安全一直是政府相关部门和公众特别关注的问题。目前国内外许多桥梁都存在不同程度的安全隐患。比如西方发达国家在经济腾飞时期建造的大批桥梁面临剩余寿命的评估问题,其中美国的69万座公路桥梁中有一半以上的使用年限已超过50年;三分之一以上的桥梁使用效率很低或者干脆荒废,每年用在桥梁维修上的费用超过50亿美元。在国内,由于质量控制滞后于桥梁的建设速度致使桥梁倒塌事故逐年增加。1999年1月重庆的彩虹大桥倒塌,导致41人死亡、14人受伤的悲剧。1996年12月广东韶关特大桥梁坍塌,32人死亡,59人受伤。另外近几年的铁路提速,对于那些设计最大时速仅有120公里/小时的大批铁路桥梁来说也面临严峻的考验。2002年6月,洪水冲垮了陇海铁路西安段的一座铁路桥梁,使得铁路停止运营数日,造成了重大的经济损失。造成这些事故的原因很复杂,抛开设计与施工方面的原因不谈,这些桥梁长期处于超负荷运营状态,致使许多构件的疲劳损伤加剧,是导致倒塌的重要原因。如果能在灾难来临之前进行预测,对桥梁的疲劳损伤进行监测,从而对桥梁的健康状况给出评估,那就会大大减少这些惨剧的发生。桥梁健康监测及诊断系统的研究与发展正是在此基础上应运而生的,本文结合近10年来桥梁健康监测与诊断及桥梁工程的研究与发展,较系统地阐述了桥梁健康监测系统和诊断方法,并探讨了其中存在的问题。从桥梁结构健康诊断的目的来看,损伤探测大致可以分成四个阶段:(1)通过全局检测手段探测损伤的存在,即结构是否发生了损伤;(2)如果结构发生了损伤,进一步利用局部检测手段对结构的损伤进行定位;(3)建立损伤量化指标,对局部损伤进行量化,以便制订出合理的维护与维修方案;(4)损伤探测的最终目的,即评估结构的剩余使用寿命。2桥梁结构的定期检查所谓无损检测是指以不损及其将来使用和使用可靠性的方式,对材料或构件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、化学成分、组织结构和力学变化性能的评定,并进而就材料或构件对特定应用的适用性进行评价。所有的结构在其使用期间都会遭受不同程度的累积损伤,利用无损检测的方法可以获取结构内部的健康信息,分析结构的振动特征,并与结构原始状态进行比较,以便了解结构因累积损伤而造成的改变。为了监测桥梁的安全特性,定期检查是必要的。已建桥梁的无损检测问题早在20世纪50年代就已经提出,但由于早期的检测手段比较落后,分析方法不够精确,使得桥梁的无损检测在应用上受到诸多限制。桥梁结构状态的无损检测主要有局部检测方法和整体检测方法两种。局部检测方法是通过对结构某个局部构件进行无损检测,判断是否有局部损伤发生及损伤程度如何,进而判断该损伤对结构整体工作性能的影响如何。整体检测方法是通过检测结构的整体特性来评价整个结构的实际状态。现在国内外检测桥梁结构大多是先用整体检测法确定一些可能的损伤部位,然后再结合局部检测方法对这些部位的构件进行详细的具体的损伤检测,进而对桥梁的损伤情况进行定位。2.1局部损伤定位局部检测是通过无损检测技术对桥梁需要重点了解的部位进行详细检查,搞清细部结构的损伤情况、力学性能和构造特性的实际状态。目前使用的局部检测方法主要有表观检测法、超声波检测法、电涡流探测法、红外成像法、γ射线法、回弹法、超声脉冲法、压痕法、磁探和磁摄动技术、同位素探测等。近些年来,其他领域的一些无损检测方法也应用到了桥梁的健康检测中。如在航空领域大量使用的用来检测构件的裂纹情况的声发射方法,它主要是通过声波在构件中传播过程来检测损伤,在桥梁的损伤检测中可以用来检测桥墩有无裂纹。FanWu和Fu-kuoChang把获取局部信号的敏感元件植入到结构体中,利用采集到的信息诊断结构的局部内伤。D.Bernal和B.Gunes,YongGao和B.F.Spencer利用结构的柔度矩阵变化进行损伤的定位和量化。所有这些局部检测方法的不足之处在于:(1)仪器设备的价格昂贵,实验数据的解释需要专门的技术知识,难以进行长期检测;(2)被测点必须是可以接近的,对于那些不能接近的损伤部位,这些检测方法难以胜任;(3)需要繁琐的电缆把传感器测量装置同控制中心相连接,这无形中就增加了监测系统的费用,另外,电缆会受到各种环境因素的干扰,不利于信号的采集,而且还要对电缆进行维护。一个理想的检测方法必须满足:(1)鲁棒性、客观性和可靠性强;(2)能够识别损伤的存在;(3)能够对损伤进行定位;(4)能够确定损伤的程度。作者近期正在研制的无线发射信号应变测量传感器可以检测那些不易接近部位的损伤情况,这种无线发射信号的传感器可以对应变、裂缝及其它的连续振动量进行监测,而且价格相对便宜,可以在桥梁结构上大量布设这种传感器进而获取更加精确的局部健康信息,为桥梁结构局部健康诊断开辟了新的研究领域,即无线监测系统。J.P.Lynch,K.H.Law等人提出的无线监测系统(图1),利用一个中央处理器,把获取的信号进行预处理,最后通过无线的方式把信号传送到中央控制室。未来的健康监测系统应该是智能的,传感器自动把从结构局部获取的信息分成5类:警告、低危险、危险、高危险、失效,然后把结构的5类不同状态的信息无线发射到维护与维修桥梁的办公室,从而对桥梁的维修与维护进行决策。2.2静载试验和模型评价整体检测方法主要有基于振动的检测方法、模态修正方法、静态检测方法和神经网络法。传感器的优化布置方法是整体检测方法中涉及的一个重要问题。传感器布设的位置及数量对准确测量模态参数有很重要的影响。通常,能取得满意测试结果的传感器布设方案应尽量做到以下几点:在含噪音的环境中,能够利用尽可能少的传感器获取全面精确的结构健康状况;测得的模态应能够与模型分析结果建立起对应关系;能够通过合理添加传感器对感兴趣部分进行重点采集;测得的时程记录对模态参数的变化要非常敏感。此外,传感器的布设还应该考虑到安装方便、模态试验结果的可靠性及抗干扰性等方面。基于振动的检测方法是寻找与结构动力特性密切相关的动力参数,通过这种动力参数的变化来判断结构的健康状况。近些年来,大家一致认同的是结合系统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集与分析等跨学科的试验模态分析方法(EMA),这种方法已被广泛应用于航空、航天、精密机床等领域的故障诊断、荷载识别和动力学修改等问题中,现在研究者试图把这种方法应用到桥梁结构的健康检测中来。通常用到的模态参数主要有频率、振型、阻尼、振型曲率、功率谱、模态保证准则等。利用振动方法对桥梁结构进行损伤检测的基础是从这些桥梁振动的模态中能够估计出桥梁结构振动参数的变化。桥梁振动模态通常可用常规的动力试验分析方法测试得到。在桥梁的不同位置合理地布置测点,记录下桥梁结构损伤发生前后这些测点的基本信息,然后从中提取桥梁振动模态参数的变化,以此来确定桥梁结构损伤发生的位置及损伤的程度,最后给出桥梁维修与维护的方案。大量的模型试验和结构的原型测试经验表明,由于结构的损伤而引起的结构的自振频率的变化很小,振型及阻尼的精确测量比较困难,因此,对于依靠振型变化的模态保证准则同样很难进行损伤探测。基于振动的检测方法,国内外取得的主要研究成果表现在以下几个方面:以强迫振动的方法分析各个模态参数对结构局部损伤变化的影响;以桥梁上的动荷载的特性(比如车辆型号的大小、车辆行驶的速度)所测得的环境振动信号进行模态参数分析;对适用于桥梁健康诊断的状态参数积累了一些理论和实际经验;基于系统识别的基础,可以利用一些测试的数据进行理论计算模型修正;目前该方法使用的状态参数还局限于频率、振型、振型曲率、应变等。模型修正法。模型修正法在桥梁健康诊断中主要用于通过综合比较试验结构的振动反应记录与原模型的计算结果,利用直接或间接测得的振型、阻尼、频率、加速度记录、频响函数等,通过优化条件约束,不断地修正模型中的刚度分布,从而得到结构刚度实际变化的信息,根据结构刚度的变化来实现损伤的定位和损伤程度的评估。Allen等人利用连续概率比实验方法(SPRT)监测连接处变化对结构损伤的影响。静态检测方法。通过静载试验,可以检测与桥梁结构性能有关的参数,主要包括变形、横向位移(挠度)、应变、裂缝、曲率、倾角等,从测试结果可分析得出桥梁结构的强度及刚度,从而评估桥梁的承载能力。桥梁静载试验的具体内容包括:静应变的测量。通过测试结构的静态应变,可推算截面的应力分布、杆件的实际内力与次应力、混凝土与钢筋作用情况等;静位移测量。测量竖向静位移量,亦即梁的挠度,水平位移量(桥墩顶位移)。神经网络法。人工神经网络模型是心理学家Mcculloch和数理逻辑学家Pitts在1943年首先提出的,经过50多年的发展,特别是20世纪80年代,Rumelhart和Mcclelland等人提出多层前馈网络的反向传播算法(backpropagation)后,神经网络技术在商业、金融、建筑制造业、医学、航空、通信、力学等领域得到了广泛的应用。由于人工神经网络具有并行计算能力、自我记忆能力和自我学习功能,还有很强的容错性与鲁棒性,善于联想、综合和推广,反向传播神经网络BPN成为土木工程领域健康诊断最得力的工具,并且被广泛应用到损伤结构诊断模型研究中。美国Melbourne大学的N.Haritos教授利用动力实验技术,通过环境激励的方式识别了几座实际桥梁模态频率、阻尼及振型,证实了动力实验技术这种方法在桥梁损伤检测中的潜在能力。高赞明,孙宗光和倪一清在香港汲水门大桥的损伤检测中使用了BP神经网络,他们提出了新奇指标,采用三阶段分步识别的策略,即首先给出损伤预警,看桥梁是否发生了损伤;其次进行损伤定位;最后给出损伤程度的判定。他们这种方法当结构损伤程度较大时,取得了很好的诊断结果。Chung-Huei和Deh-ShiuHsu曾用BP神经网络技术诊断钢筋混凝土结构的损伤。Pandey和Barai利用多层构造神经网络诊断典型桁架桥梁结构的损伤情况。Szewczyk和Hajela用一个改进的均衡传播神经网络(CPN)探测发生在结构中的损伤。Barai和Pandey采用振动方法和人工神经网络相结合的方法诊断钢桁架桥梁的损伤。J.M.Ko和Y.Q.Ni等人用自联想神经网络对香港的TingKau大桥进行了损伤诊断,他们利用自振频率的变化作为神经网络的训练学习内容。神经网络方法将会成为桥梁健康监测中一个重要工具。3结构局部的健康监测桥梁健康监测系统的设计首先应该考虑建立该系统的目的和功能,以及投入产出比。桥梁健康监测系统目的和功能主要表现在结构监测与状态评估、桥梁结构设计验证和桥梁结构研究与发展三个方面。监测系统的规模及所选用的传感器和数据采集系统、通信系统等应该考虑投资额度与效益比的问题,即桥梁健康监测系统的设计应该考虑功能和成本的优化组合。传统的监测系统都是通过大量的信号传输线把敏感元件或传感器与数据采集中心联系在一起的,这样的系统不但耗资大,而且安装不方便。信号传输线日久天长易遭各种不利环境因素的影响,维护和更新费用很高。对于一个大型桥梁结构,任何一个杆件或部件的失效都可能影响结构的整体行为,甚至引起倒塌。为了捕捉结构局部的健康信息,在一个大型桥梁上布置成百上千个能获取局部健康信息的传感器是必要的,如果传感器的数量很多,那么如下几个关键问题必须考虑:(1)传感器造价低;(2)低功耗,比如连续工作两三年不用换电池;(3)体积小,不影响结构的正常使用功能;(4)易于安装与维护;(5)经久耐用,一般至少使用十年以上;(6)无线传输信号,数量庞大的信号线很难操作与维护;(7)智能化,能对原始数据进行粗加工,直接输出反应结构局部健康状况的信息;(8)抗电磁波的干扰。由于关键技术的快速提高以及诸如微处理器、无线网络、集成电路价格的降低,改变传统的有线监测系统为无线监测系统是可能的。无线监测系统可以避免安装信号传输电缆的必要,可以在传感器之间、传感器和控制中心之间直接通讯。目前与上述要求有关的研究工作主要有:美国学者SharonWood所在的研究小组提出的电子商品标签――EAS(ElectronicArticleSurveillanceTag)系统(见图2);美国StanfordUniversity正在研制的无线传输的振动测试模块(图3),该测试模块与传统的测试设备相比具有无线传输、体积小、成本低等优点,但是测试精度相对较低;美国Infratech,Inc.(ITI)与UniversityofIllinoisatChicago(UIC)合作开发的PVDF聚合物膜片传感器;日本的AkiraTodoroki和ShintaroMiyatani研究了基于复合材料阻抗变化的无线应变监测技术,实现无线传输信号的原理与SharonWood的EASTag系统相同;Mita研究的损伤指数传感器可以无线监测峰值应变、峰值位移、峰值加速度。作者正在研制的无线监测系统(图4)满足上述八项要求,主要由三个相对独立的单元组成:(1)敏感单元:可以是开关量(裂缝的有无)、连续的应变量或振动传感器;(2)信号处理单元:接收指令,信号调理,A/D转换,信号存储,信号发送;(3)控制单元:以无线方式向信号处理单元发送请求应答的指令并接收反映结构健康状态的信息。4数据采集和分析数据采集与分析系统是桥梁健康监测系统的关键组成部分。美国的SOMAT公司于1982年由几名数据采集和疲劳分析专家创立,专门开发和生产用于试验室和现场试验的数据采集和分析软件。郭迅等开发的振动仪器及数据采集和分析系统方面亦独具特色,他们研制的数据采集与分析系统,可以实时采集数据并进行在线分析,在线实现波形监测,浏览回放,各种常用谱分析,被广泛应用到结构、构件实验,建筑结构、桥梁振动测试,场地脉动测试,桩基检测,爆破影响测量,机械振动测量,车辆、船舶振动测量等领域。5振动监测系统80年代中期开始各种规模的桥梁健康监测系统的建立。英国在总长552m的Foyle桥上布设各种传感器监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应,该系统是最早安装的较为完整的健康监测系统之一。上海徐浦大桥结构状态监测系统包括测量车辆荷载、温度、挠度、应变、主梁振动、斜拉索振动六个子系统。虎门大桥和江阴长江大桥都在施工阶段开始安装各种传感设备以备将来运营期间的健康状态监测。郑州黄河大桥的振动监测系统也正在论证中。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。国外的许多国家也都在一些已建和在建的桥梁上进行健康监测系统的安装尝试:德国的Schwesinger等人设计和利用特制卡车测试了250多座混凝土桥梁。瑞士在混凝土桥(SiggenthalBridge)建设过程中安装了健康监测系统,采用了58个光纤变形传感器,2个倾角仪,8个温度传感器用于监测在建设过程中和以后长期的变形、屈曲和位移。丹麦曾对总长1726m的Faroe跨海斜拉大桥进行施工阶段及通车首年的监测,旨在检查关键的设计参数,获取桥梁使用期间关键的健康信息。墨西哥对总长1543m的Tampico斜拉桥进行了动力特性测试。建立健康监测系统的桥梁还有美国主跨440m的SunshineSkywayBridge斜拉桥、英国的Flintshire独塔斜拉桥、加拿大的ConfederationBridge以及香港的TingKau斜拉大桥。实时健康监测系统的成功开发为保障桥梁的安全运营,早期发现桥梁安全隐患提供了硬件支持和技术依据,同时可以大大节约桥梁的维修费用,可避免频繁大修、关闭交通所引起的重大损失。6桥梁结构健康检测的展望本文详细阐述了桥梁结构健康检测方法、背景及目前的研究应用现状,重点讨论了桥梁健康监测无线监测系统的研究。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