讀書報(bào)告—橋梁監(jiān)測與狀態(tài)評(píng)估的發(fā)展動(dòng)態(tài)

1、橋梁健康檢測與監(jiān)測摘 要：報(bào)告主要闡述了橋梁健康檢測的定義，比較了傳統(tǒng)橋梁檢測和健康檢測的異同。無損檢測技術(shù)是橋梁工程健康檢測的主要技術(shù)手段，總結(jié)了無損檢測技術(shù)的類型及其在橋梁工程中的應(yīng)用。另一方面，報(bào)告還闡述了橋梁健康監(jiān)測的定義、研究動(dòng)態(tài)、健康監(jiān)測系統(tǒng)和發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：橋梁檢測；無損檢測技術(shù)；橋梁監(jiān)測；發(fā)展趨勢1 橋梁健康檢測1.1 傳統(tǒng)橋梁檢測我國現(xiàn)代橋梁建設(shè)起步較晚，橋梁檢測亦落后于發(fā)達(dá)國家。目前，橋梁檢測的工程實(shí)踐大多數(shù)仍屬傳統(tǒng)意義上的橋梁檢測，即利用一些常規(guī)設(shè)備在現(xiàn)場針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的材料缺損等狀況作一定量的數(shù)據(jù)采集，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得出橋梁的損傷狀況。就鋼筋混凝土橋梁而言，傳

2、統(tǒng)意義上的檢測內(nèi)容包括：外觀變異情況檢測，如過大的變形；混凝土等材料品性檢測，如混凝土的裂縫、碳化等；通過靜載、動(dòng)載試驗(yàn)獲得橋梁在試驗(yàn)條件下的結(jié)構(gòu)行為等。經(jīng)過眾多的工程實(shí)踐，人們開始意識(shí)到，傳統(tǒng)意義上的橋梁檢測存在著許多缺陷，如監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集具有很大的人為因素和片面性，后期數(shù)據(jù)的處理分析融合困難，檢測結(jié)果的評(píng)價(jià)缺乏可比性等。1.2 橋梁健康檢測的定義橋梁健康檢測是指運(yùn)用現(xiàn)代的傳感與通信技術(shù)，適時(shí)地采集橋梁的工作參數(shù)，由計(jì)算機(jī)利用健康檢測智能系統(tǒng)對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行識(shí)別、加工和分析， 給出橋梁的健康狀況或損傷狀況，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)，并為橋梁設(shè)計(jì)理論的發(fā)展提供足尺寸真實(shí)構(gòu)件、真實(shí)

3、環(huán)境的長期設(shè)計(jì)驗(yàn)證。1.3 健康檢測與傳統(tǒng)檢測區(qū)別橋梁健康檢測與傳統(tǒng)檢測之間有聯(lián)系，更有區(qū)別，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）檢測目的。傳統(tǒng)橋梁檢測往往僅是為了確定橋梁的損傷狀況，一定程度上對(duì)橋梁的繼續(xù)工作能力提出評(píng)價(jià)。橋梁健康檢測在傳統(tǒng)檢測的基礎(chǔ)上，利用健康檢測智能系統(tǒng)中的數(shù)字化參數(shù)積累，對(duì)當(dāng)前的橋梁設(shè)計(jì)理論提供長期的、及時(shí)的由足尺寸真實(shí)構(gòu)件在真實(shí)環(huán)境下結(jié)構(gòu)響應(yīng)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，為橋梁理論研究提供低成本高效率的“試驗(yàn)”支持。以橋梁健康檢測作為設(shè)計(jì)的驗(yàn)證具有前所未有的優(yōu)越性，相對(duì)模型試驗(yàn)而言，省去了模型制作費(fèi)用，成本低、足尺寸、實(shí)際環(huán)境、實(shí)際載荷，效果真實(shí)；數(shù)據(jù)的采集具有長期性，只要橋梁“健在”

4、，數(shù)據(jù)可以長期收集，這是以往在實(shí)驗(yàn)室條件無法企及的。因此，橋梁健康檢測是工程檢測的一個(gè)分支，已是一門具有廣闊發(fā)展前景的新學(xué)科。（2）實(shí)現(xiàn)手段。傳統(tǒng)橋梁檢測的手段雖然有很大發(fā)展并且日趨成熟，但對(duì)這些手段的應(yīng)用往往是孤立的、被動(dòng)的。橋梁健康檢測的手段雖然大多源于傳統(tǒng)檢測手段，但通過傳感與通信技術(shù)的運(yùn)用已經(jīng)對(duì)其賦予了新的內(nèi)容。橋梁健康檢測智能系統(tǒng)像人的神經(jīng)系統(tǒng)將人體各部分協(xié)調(diào)起來一樣，將各種檢測手段通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有機(jī)地組合在一起，利用內(nèi)部數(shù)據(jù)庫和信號(hào)軟件接口實(shí)現(xiàn)參數(shù)的采集和存放，并借助于現(xiàn)代通信寬帶的不斷拓寬和高速高容量的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)異地?cái)?shù)據(jù)采集，便捷、準(zhǔn)確、安全。（3）發(fā)展趨勢。橋梁健康檢測取代

5、傳統(tǒng)橋梁檢測已是大勢所趨。橋梁健康檢測可以為業(yè)主提供更加準(zhǔn)確和全面的檢測評(píng)定，為設(shè)計(jì)人員提供前所未有的設(shè)計(jì)驗(yàn)證資料和理論研究依據(jù)。未來以計(jì)算機(jī)和通信等高科技為載體的橋梁健康檢測必將具有更高層次的發(fā)展和更廣闊的應(yīng)用前景。2 無損檢測技術(shù)無損檢測技術(shù)是指在不影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能的前提下，通過測定某些適當(dāng)?shù)奈锢砹颗袛嘟Y(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能的檢測方法。它是多學(xué)科緊密結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)物，現(xiàn)代材料學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)的發(fā)展為無損檢測技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)，現(xiàn)代電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展為其提供了現(xiàn)代化的測試工具。隨著橋梁技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)既有結(jié)構(gòu)損傷的評(píng)定，越來越依賴于儀器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測。無損檢測主要用于結(jié)構(gòu)安全直接有關(guān)的宏觀

6、力學(xué)性能和宏觀缺陷的測試，在橋梁工程中的應(yīng)用，與下面幾個(gè)方面緊密相關(guān)：（1）橋梁自身材料和結(jié)構(gòu)方面的特性；（2） 合理選取反映橋梁整體或局部的某些性能的物理量，確定相互間的函數(shù)關(guān)系；（3）檢測方法的改進(jìn)和檢測儀器的更新。無損檢測技術(shù)在橋梁檢測中的應(yīng)用總體上可以概括為基于整體的結(jié)構(gòu)狀況識(shí)別和基于局部的構(gòu)件損傷識(shí)別。橋梁是一個(gè)由多種材料、不同結(jié)構(gòu)組合而成的大型綜合系統(tǒng)，系統(tǒng)各個(gè)成分的重要性、應(yīng)力狀態(tài)、易損性不一，剛度、動(dòng)力特性也相差甚遠(yuǎn)，所以造成橋梁檢測的范圍十分廣泛、復(fù)雜，如何對(duì)如此眾多的檢測項(xiàng)目進(jìn)行合理分類，是值得研究的問題。對(duì)此，一些學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量有益的研究和探索，提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、層次

7、分析法等作為分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探討。目前常見的無損檢測技術(shù)有：（1）目檢，簡單方便且可靠；（2）利用回彈檢測混凝土強(qiáng)度及表面硬度；（3）利用超聲波檢測混凝土的強(qiáng)度和裂縫深度；（4）聲發(fā)射法，又稱AE法，它利用混凝土的“發(fā)聲”特點(diǎn)確定混凝土的結(jié)構(gòu)整體性，主要用于檢測單個(gè)裂縫的位置、大小、方向和開裂形式，AE聲發(fā)射法儀器較昂貴，檢測時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，另外，操作對(duì)專業(yè)要求較高，檢測數(shù)據(jù)需專業(yè)人員進(jìn)行分析；（5）沖擊回音法；（6）紅外線法；（7）熱相儀成像法；（8）透地雷達(dá)，用于檢測管道管線。除此之外，還有很多較為新興的技術(shù)被引入健康檢測中，如光纖傳感法、磁泄漏法、磁粒子法、磁場攝動(dòng)、層析探測法、腐蝕作用

8、試驗(yàn)、混凝土碳化測量等。值得注意的是，混凝土碳化測驗(yàn)經(jīng)常與回彈儀測混凝土強(qiáng)度聯(lián)合使用，因?yàn)榛炷潦褂脮r(shí)間較長時(shí)，會(huì)產(chǎn)生碳化現(xiàn)象，從而使混凝土變得較硬，導(dǎo)致回彈儀測得的強(qiáng)度數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，所以需要同時(shí)測量混凝土的碳化程度，從而對(duì)回彈儀測得的強(qiáng)度值進(jìn)行修正。3 橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測3.1 健康監(jiān)測的定義狹義的橋梁健康監(jiān)測利用結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測試信息，識(shí)別結(jié)構(gòu)的整體性和損傷狀況，既是結(jié)構(gòu)在運(yùn)營中進(jìn)行的監(jiān)測，同時(shí)也是全局性測試。損傷識(shí)別主要包括四個(gè)層次，即損傷是否發(fā)生、損傷位置、損傷程度及損傷的影響。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)涉及結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)、通訊、試驗(yàn)測量等多個(gè)領(lǐng)域和學(xué)科，已成為當(dāng)前國內(nèi)外橋梁學(xué)術(shù)界和工程界的研究熱點(diǎn)，并且

9、已經(jīng)取得了一定研究成果。但是，由于橋梁結(jié)構(gòu)受到許多不確定性因素和復(fù)雜工作環(huán)境的影響，以及對(duì)橋梁在使用年限內(nèi)的工作特性的變化缺乏全面深入的了解，目前所取得成就和研究還處于基礎(chǔ)性探索階段，還亟需廣大橋梁工作者和研究人員的不斷努力和探索。特別是長期觀測的智能控制研究，使得橋梁健康監(jiān)測為橋梁工程的發(fā)展開辟新的空間。3.2 健康監(jiān)測的研究動(dòng)態(tài)3.2.1 健康監(jiān)測的研究方向健康監(jiān)測的研究主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方向：（1）基于振動(dòng)的損傷識(shí)別；（2）結(jié)構(gòu)指紋及變異性；（3）系統(tǒng)識(shí)別；（4）監(jiān)測測點(diǎn)的優(yōu)化布置；（5）海量數(shù)據(jù)流的處理。3.2.2 理論發(fā)展（1）基于振動(dòng)的損傷識(shí)別近現(xiàn)代以來，基于振動(dòng)的損傷識(shí)別方法最早

10、被應(yīng)用于航天、機(jī)械等領(lǐng)域，而橋梁結(jié)構(gòu)因其振動(dòng)測量比較容易實(shí)現(xiàn)，得到了廣泛的應(yīng)用，可以用下圖表述。常用損傷識(shí)別方法有：指紋識(shí)別和模式識(shí)別方法、廣義系統(tǒng)識(shí)別方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。1）指紋特征參數(shù)可以建立如下所示的一種系統(tǒng)：其本質(zhì)是將結(jié)構(gòu)特征的分離，但實(shí)際運(yùn)用依然存在很大的難度。2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以用下圖所示的網(wǎng)絡(luò)加以表述：3）模型修正與系統(tǒng)識(shí)別方法的網(wǎng)絡(luò)示意圖可表述為：由圖中可以得知，模型修正實(shí)際上是一個(gè)迭代修正以使模型逐漸接近于實(shí)際結(jié)構(gòu)的過程，即不斷地修正結(jié)構(gòu)模型使輸出誤差控制在一定的范圍之內(nèi)。模型修正與系統(tǒng)識(shí)別方法無需損傷模式的先驗(yàn)知識(shí)，系統(tǒng)識(shí)別的結(jié)果較容易進(jìn)行分析，修正后的模型具有多種用途，優(yōu)勢

11、明顯?；谡駝?dòng)的損傷識(shí)別主要用于結(jié)構(gòu)的狀態(tài)識(shí)別、損傷診斷、動(dòng)力響應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、結(jié)構(gòu)承載力分析、結(jié)構(gòu)控制決策等方面。其局限性主要表現(xiàn)在：結(jié)構(gòu)與環(huán)境中的不確定因素和非結(jié)構(gòu)因素的影響；測量信息設(shè)備不完備；測量精度不足和測量信號(hào)噪聲的影響；橋梁結(jié)構(gòu)的贅余度大，由測量信號(hào)分析的參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷不敏感。（2）結(jié)構(gòu)指紋及變異性長期以來，人們致力于研究對(duì)結(jié)構(gòu)指紋特征的描述方法，目前提出的方法包括：振動(dòng)模態(tài)參數(shù)（阻尼 、振型、自振頻率等）法；模態(tài)置信因子法；柔度矩陣法；曲率模態(tài)差、應(yīng)變模態(tài)差法；基于波形識(shí)別的指標(biāo)等。影響其變異性的因素有很多，如環(huán)境（溫度、風(fēng)）、交通、模態(tài)參數(shù)（頻率、振型、阻尼等）。（3）

12、系統(tǒng)識(shí)別（SI）系統(tǒng)識(shí)別有頻域和時(shí)域兩種方法，其中，頻域方法主要為FFT-BASED譜分析技術(shù)；時(shí)域方法則包括IBRAHIM時(shí)域法、隨機(jī)減量法、時(shí)間序列法、特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法、隨即實(shí)現(xiàn)算法、隨機(jī)與空間識(shí)別法等方法。系統(tǒng)識(shí)別則具有OUTPUT-ONLY（只輸出）、低頻、密模、小阻尼、測點(diǎn)少等特點(diǎn)。3.2.3 技術(shù)動(dòng)態(tài)目前，在橋梁健康監(jiān)測領(lǐng)域中出現(xiàn)了很多新的技術(shù)動(dòng)態(tài)，引入了很多新的技術(shù)和思想，如在數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理方面，傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有很多新的進(jìn)展；微電機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域里，LAMB波、LOVE波、RAYLEIGH波的應(yīng)用對(duì)加速度、速度、沖擊作用、裂縫探測形成于蔓延、鋼筋腐蝕等的測量與檢測影響巨大；

13、此外，如光纖光柵傳感器、攝影測量、GPS的應(yīng)用也對(duì)健康監(jiān)測學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展貢獻(xiàn)著自己的力量。3.3 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)最早的應(yīng)用見于1987年英國的FOYLE橋，迄今已有百年多的歷史。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須遵循功能要求和效益成本分析兩大準(zhǔn)則。其目的和功能主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)監(jiān)測與狀態(tài)評(píng)估、橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證和橋梁結(jié)構(gòu)研究與發(fā)展等幾個(gè)方面。一般來說，一個(gè)完整的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：（1）傳感系統(tǒng)：用于將待測物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，起著一個(gè)轉(zhuǎn)換器的作用。（2） 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：安裝于橋梁結(jié)構(gòu)中，采集結(jié)構(gòu)各性能參數(shù)的系統(tǒng)設(shè)備及元件。如：采集位移變化的位移計(jì)，采集應(yīng)變應(yīng)力的應(yīng)變計(jì)，測試結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境的溫度計(jì)，采集結(jié)構(gòu)靜態(tài)參數(shù)的靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀等等。（3） 數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)：主要將采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)通過傳輸設(shè)備傳到監(jiān)測中心。（4）數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)：對(duì)接收到的數(shù)據(jù)應(yīng)用相關(guān)理論或軟件進(jìn)行分析處理。（5）報(bào)警系統(tǒng)：以數(shù)據(jù)分析結(jié)果為主，參照橋梁設(shè)計(jì)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行分析，評(píng)估結(jié)構(gòu)工作性能狀況并進(jìn)行預(yù)警。對(duì)于預(yù)警系統(tǒng)的研究目前還處于初級(jí)階段。4 橋梁監(jiān)測與狀態(tài)評(píng)估的發(fā)展方向橋梁監(jiān)測與狀態(tài)