既有橋梁監(jiān)測技術(shù)與狀態(tài)評估

1、既有橋梁監(jiān)測技術(shù)與狀態(tài)評估摘要 本文簡要地講述了現(xiàn)今工程界比較熱門的對橋梁的安全監(jiān)測 技術(shù)與狀態(tài)評估的方法，供同學(xué)們做簡單的了解。關(guān)鍵詞 橋梁安全監(jiān)測 狀態(tài)監(jiān)測 病害診斷 安全評估 壽命預(yù) 測引言橋梁的安全監(jiān)測是保證橋梁安全運營的重要環(huán)節(jié)，只有做好橋 梁的監(jiān)測工作才能防止安全事故發(fā)生，有效地保護(hù)財產(chǎn)與生命的安 全。20世紀(jì)50年代，人們就開始關(guān)注橋梁監(jiān)測技術(shù)的研究，并進(jìn) 行了大量的實驗與探索。近年來，隨著大跨度橋梁的飛速發(fā)展，以 及檢測分析技術(shù)的不斷提高，橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測已成為國內(nèi)外學(xué) 術(shù)界、工程界的研究熱點，而且各種監(jiān)測技術(shù)和方法的研究成果已 逐步進(jìn)入實橋應(yīng)用階段，這些技術(shù)的成功應(yīng)用將會確

2、保橋梁的安全 運營，延長橋梁的使用壽命。正文2.1橋梁的安全監(jiān)測橋梁安全監(jiān)測屬于結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的范疇，結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測是由 結(jié)構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測與病害診斷兩個過程構(gòu)成，兩者既有密切的聯(lián)系又 互有區(qū)別。狀態(tài)監(jiān)測是指通過某些方法對結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)進(jìn)行測量， 例如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等。然后將測定值與結(jié)構(gòu)正常工作時的數(shù)值 進(jìn)行比較，以判別結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)是否正常。狀態(tài)監(jiān)測又稱為簡易 診斷，在這個過程中只檢查結(jié)構(gòu)有無病害，而不作具體分析與解決 措施。病害診斷是比狀態(tài)監(jiān)測更高層次的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)，它不 但要對結(jié)構(gòu)工作是否正常做出初步診斷，而且還要對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害 的原因、部位和嚴(yán)重程度做出判斷，從而為維修措施提供依據(jù)，所

3、 以這種診斷又稱為精密診斷。簡易診斷的目的是對結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)迅速做出有效的概括性評 價，再結(jié)合經(jīng)驗做出初步判斷；精密診斷的目的是對有問題的結(jié)構(gòu) 進(jìn)行專門的測量和分析，最后確定采取哪些必要的技術(shù)措施來維修 問題結(jié)構(gòu)。從全過程看，狀態(tài)監(jiān)測是基礎(chǔ)，采集的數(shù)據(jù)應(yīng)準(zhǔn)確無誤，而病害診斷是在狀態(tài)監(jiān)測基礎(chǔ)上的深入和發(fā)展，病害的預(yù)防和控制 是病害診斷的最終目的。當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)病害時，結(jié)構(gòu)的其中部分參量表現(xiàn)出與正常狀態(tài)不 同的特征，這種差異包含著豐富的信息。如何對這些病害的特征進(jìn) 行恰當(dāng)?shù)拿枋觯⒗盟鼈冞M(jìn)行病害的診斷與評估結(jié)構(gòu)的安全就是 結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的任務(wù)。結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測主要以下幾個特征為主：（1）振動監(jiān)測：以結(jié)構(gòu)的

4、振動、沖擊、機械導(dǎo)納以及模態(tài)參數(shù) 為監(jiān)測目標(biāo)。（2）聲學(xué)監(jiān)測：以噪聲、聲阻、超聲、聲發(fā)射為監(jiān)測目標(biāo)。（3）溫度監(jiān)測：以溫度、溫差、溫度場、熱像為監(jiān)測目標(biāo)。一 （4）性能趨向監(jiān)測：以結(jié)構(gòu)的各種主要性能指標(biāo)為監(jiān)測目 標(biāo)。（5）強度監(jiān)測：以力、應(yīng)力、應(yīng)變、扭矩為監(jiān)測目標(biāo)。（6）表面形貌監(jiān)測：以變形、裂紋、斑點、凹坑等為監(jiān)測目標(biāo)。對于不同的監(jiān)測對象，由于影響其工作性能的控制因素不同， 所以監(jiān)測的物理參數(shù)各不相同。對于橋梁這種大型土木工程結(jié)構(gòu)， 通常以振動監(jiān)測、強度監(jiān)測和表面形貌監(jiān)測為主要目標(biāo)。病害診斷根據(jù)所采用的病害特征描述和決策方法的差異形成了 不同的診斷方法，概括起來有依賴于模型的診斷方法和不依賴

5、于模 型的診斷方法兩大類。對于這兩大類診斷方法，通常所采用的決策 與分離方法如下。（1）對比診斷法。這種方法簡單明了，應(yīng)用最廣。首先通過初 期的統(tǒng)計歸納、實驗研究、分析計算，確定與各種狀態(tài)一一對應(yīng)的 征兆（即基準(zhǔn)模式或閾值），然后將獲得的征兆與基準(zhǔn)模式進(jìn)行比 較，立即可獲得結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。（2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。該法是20世紀(jì)80年代末90年代初才 真正具有實用性的病害診斷方法。在實現(xiàn)病害診斷時分為兩個階段。 第一個是學(xué)習(xí)階段，選定合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和模型，借助一定的學(xué)習(xí)算法，以能夠反映系統(tǒng)的動態(tài)特性、建模誤差和干擾影響的變量作 為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，以對應(yīng)的狀態(tài)編碼為期望輸出，構(gòu)成“輸入/ 期望輸出”的樣

6、本，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和 閾值，當(dāng)學(xué)習(xí)收斂后凍結(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值；診斷階段，使訓(xùn) 練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處于回想狀態(tài)，對于一個給定的輸入，便產(chǎn)生一個 相應(yīng)的輸出，由輸出與狀態(tài)編碼進(jìn)行比較即可方便地確定病害。（3）專家系統(tǒng)法。一些監(jiān)測領(lǐng)域?qū)＜彝梢詰{多年積累下來 的豐富實踐經(jīng)驗確定病害的原因和部位。對于復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的病害 診斷，這種基于專家系統(tǒng)的診斷方法尤其有效。隨著計算機科學(xué)和 人工智能的發(fā)展，專家系統(tǒng)法逐漸得到了完善。專家系統(tǒng)法可以有 效克服對模型的過分依賴，成為病害檢測和隔離的有效方法，并在 許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。（4）模式識別法。這種診斷方法實現(xiàn)病害診斷的步驟分為兩個 階段

7、。一是離線分析，通過離線分析確定能夠表達(dá)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征 向量集和以該特征向量集描述的病害模式向量，由此形成病害的基 本模式集，并確定區(qū)分識別這些模式向量的判別函數(shù)；二是在線診 斷，實時提取結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征向量，由判別函數(shù)對病害進(jìn)行分離定 位。（5）模糊數(shù)學(xué)法。系統(tǒng)的狀態(tài)有時是不分明、不確定的，因此 可以用模糊集來描述。通過采用模糊聚類分析將模糊集分為不同水 平的子集，由此判別病害最可能屬于的子集。另一個有效的方法是 首先建立起病害與成因的模糊關(guān)系矩陣R，如果當(dāng)前病害成因向量的模糊隸屬度為C，則病害D通過模糊合成加以確定，D=R*C。另外， 模型假設(shè)檢驗法，貝葉斯決策函數(shù)法，特征量統(tǒng)計檢驗法和邏輯

8、代 數(shù)法等也用于結(jié)構(gòu)的病害診斷。2.2橋梁的安全評估與壽命預(yù)測安全評估的目的是對結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行客觀評價，以此來了解 橋梁的安全性與穩(wěn)定性以及它的使用壽命。橋梁的安全評估是指利 用特定的信息，對運營中的橋梁進(jìn)行可靠性分析并作出決策的過程。 橋梁安全評估的本質(zhì)是根據(jù)連續(xù)監(jiān)測或周期性監(jiān)測所得到的特征參 數(shù)的歷史數(shù)據(jù)來推斷其發(fā)展的趨勢并確定結(jié)構(gòu)的殘存壽命。橋梁結(jié) 構(gòu)從正常到不正常的發(fā)展，導(dǎo)致缺陷發(fā)生的過程稱為劣化過程或損 傷過程，由于橋梁的種類和結(jié)構(gòu)形式多種多樣，劣化過程的類型必 然也各不相同。劣化過程大體上有以下幾種基本類型。比例劣化型：劣化程度與使用時間成正比；加速劣化型：劣化程度與時間的關(guān)系為

9、幕函數(shù)或指數(shù)函數(shù);急劇加速劣化型：從某一時刻開始，結(jié)構(gòu)狀態(tài)急劇惡化；突發(fā)劣化型：沒有預(yù)兆地在某一時刻突然損壞。估測橋梁壽命一般采用受力結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測的常用方法，通常有 以下幾種。理論模型法。對所監(jiān)測的結(jié)構(gòu)研究得比較透徹，已建立了 計算壽命的模型，可以推斷其壽命。由于理論模型法受到很大的限 制，故應(yīng)用較少。累積應(yīng)力跟蹤法。按照結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力的累計量來推斷劣 化程度，主要適合急劇加速劣化型和突發(fā)劣化型。特征參數(shù)跟蹤法。定期或連續(xù)測量結(jié)構(gòu)的某些特征參數(shù)， 運用平滑、外推等技術(shù)推斷劣化的程度。這種方法適合于比例劣化 型、加速劣化型和急劇加速劣化型，應(yīng)用范圍廣泛。結(jié)論橋梁的安全監(jiān)測與狀態(tài)評估是一個比較復(fù)雜

10、的過程。首先必須 對橋梁進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測得到橋梁結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)并與正常時的數(shù)據(jù)對 比，判斷有無病害；然后還要對橋梁進(jìn)行病害診斷，具體分析研究 橋梁已產(chǎn)生的病害，并對其提供有效的維護(hù)措施；最后還要結(jié)合狀 態(tài)監(jiān)測的正確數(shù)據(jù)結(jié)合相應(yīng)的方法對橋梁做出客觀的安全評估報告， 加強對橋梁信息的了解程度。參考文獻(xiàn)郝超，強士中，王朝暉。大型結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測系統(tǒng)。國外橋梁， 2000 (2)。章關(guān)永。對結(jié)構(gòu)材料和橋梁進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測的現(xiàn)有技術(shù)。同濟大學(xué) 學(xué)報，2000 (2)。李惠彬，鄭兆昌，應(yīng)懷樵。對國內(nèi)外橋梁損傷診斷幾種方法的評 述。工程力學(xué)增刊，1998。袁萬成，崔飛，張啟偉。橋梁健康監(jiān)測與狀態(tài)評估的研究現(xiàn)狀與 發(fā)展。同濟大學(xué)學(xué)報，1999。鄧炎，嚴(yán)普強。橋梁結(jié)構(gòu)損傷的振動模態(tài)檢測。振動、測試與診 斷，1999。秦權(quán)。橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。中國公路學(xué)報，2000。劉澤寬。公路橋梁檢測問題研究。