橋梁結(jié)構(gòu)的損傷現(xiàn)代檢測與評估
2014-03-21
近年來,隨著交通事業(yè)的發(fā)展,橋梁的重要性與日俱增,但隨著汽車交通量增大、重車交通增加及橋梁所處環(huán)境受人為外力及自然災(zāi)害的影響,使得現(xiàn)役橋梁劣化程度比較嚴(yán)重。為保證這些橋梁的功能性及安全性,需對其健康狀況進(jìn)行損傷檢測及安全評估。
1 公路橋梁損傷檢測方法
近幾十年來,針對不同類型的新舊橋梁損傷和老化現(xiàn)象,國內(nèi)外橋梁研究人員提出了各種各樣的檢測方法。大體上說,目前橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測分為局部檢測法和整體檢測法。
1.1 局部檢測技術(shù)
局部檢測技術(shù)是對結(jié)構(gòu)目標(biāo)部位進(jìn)行集中重點的檢查,一般以無損檢測技術(shù)為工具,主要用于探測結(jié)構(gòu)的局部損傷,可較精確地對結(jié)構(gòu)缺陷部位進(jìn)行定位、探查,甚至定量分析。下面重點介紹下無損檢測技術(shù)：
傳統(tǒng)的無損檢測（Nondestructive Evaluation,NDE）技術(shù)得到了較大發(fā)展,目前已有超聲檢測、紅外檢測、聲發(fā)射、自然電位檢測、沖擊回波檢測、磁試驗、r或x射線檢測、光干涉、脈沖雷達(dá)、振動試驗分析等數(shù)十種之多。除振動試驗分析法以外,多數(shù)無損檢測技術(shù)屬于局部檢測方法。某些無損檢測技術(shù)應(yīng)用橋梁結(jié)構(gòu)上還存在著一些不利因素,如r或x射線檢測法只能檢測一定厚度范圍內(nèi)的混凝土,對檢測空間有一定要求,且有一定的放射性危險;超聲檢測雖然對鋼結(jié)構(gòu)檢測效果較好,但對混凝土類各向異性材料的檢測不夠準(zhǔn)確,檢測設(shè)備成本較高;紅外檢測法可遠(yuǎn)距、快速的進(jìn)行檢測診斷,但檢測成本較高且對交通流量有影響。局部檢測方法需要人工作地毯式搜索,雖較費時費力且可靠性差,但對于量大面廣的中小橋梁來說,從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上考慮,人工檢測仍然是一種重要的比較現(xiàn)實的技術(shù)管理手段。今后的方向是擴(kuò)大先進(jìn)檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍,并積極研究、應(yīng)用小型的自動化程度較高的檢測儀器。傳統(tǒng)的檢測方法一般可以對橋梁的外觀及部分結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行監(jiān)測,對橋梁局部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件、節(jié)點可以進(jìn)行較為合理的損傷判斷,然而難以全面反映橋梁的整體健康狀況,對于橋梁結(jié)構(gòu)的安全程度、剩余壽命難以作出系統(tǒng)的評估。國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)同并致力于研究的無損檢測方法是結(jié)合系統(tǒng)識別、振動理論、振動測試技術(shù)、信號采集等跨學(xué)科技術(shù)的試驗?zāi)B(tài)分析法。目前,該整體檢測技術(shù)在一些局部范圍內(nèi)取得了積極的效果。一種比較現(xiàn)實的損傷檢測測方法可能是綜合整體損傷定位與局部細(xì)化檢測兩種手段的技術(shù)。
1.2 整體檢測技術(shù)
1.2.1整體檢測是從全局上把握整個結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài),可連續(xù)或間隔地檢查結(jié)構(gòu)安全狀態(tài),并可用來指導(dǎo)對損傷可疑部位進(jìn)行定位和損傷程度評估,提高檢測效率。整體檢測方法可分為靜態(tài)檢測方法和動態(tài)檢測方法。
1）靜態(tài)檢測方法是在橋梁停止使用的狀態(tài)下對橋梁進(jìn)行靜
載試驗,量測與橋梁結(jié)構(gòu)性能相關(guān)的靜力參數(shù),如橋梁在靜載下的變形、撓度、應(yīng)變、裂縫等。通過分析這些參數(shù),可直接判定全橋靜承載能力,并得出結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及抗裂性能。
2）動態(tài)檢測方法（基于振動的測試識別方法）是對橋梁結(jié)構(gòu)
進(jìn)行動力荷載試驗,利用結(jié)構(gòu)的動力性能是判斷橋梁運營狀況和承載力的依據(jù)。該方法是對待測結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行激勵,通過振動測試、數(shù)據(jù)采集、信號分析與處理,由系統(tǒng)的輸入和輸出確定結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,根據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力特性來識別損傷。
1.2.2整體檢測技術(shù)的現(xiàn)狀
對于特殊、重要的大跨度橋梁,近年來人們致力于整體損傷診斷與評估方法的研究。實時監(jiān)測與故障診斷技術(shù)在發(fā)達(dá)國家的航空航天、軍工、機(jī)械行業(yè)中已得到了廣泛應(yīng)用,許多技術(shù)已十分成熟。然而由于大型土木工程結(jié)構(gòu)和材料的復(fù)雜性、特殊性,從直接仿照機(jī)械振動模態(tài)技術(shù)出發(fā),籠統(tǒng)的采用單一動力參數(shù)指標(biāo)去評估整個結(jié)構(gòu)的狀態(tài)是不合適的。同時,在機(jī)械、航空航天行業(yè)得到成熟應(yīng)用的其它技術(shù)如傳感器的優(yōu)化布置、結(jié)構(gòu)動力指紋變化的識別,應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu),特別是橋梁結(jié)構(gòu)時都還存在著很多難題。
橋梁結(jié)構(gòu)整體健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究有望改變過去不能及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)故障的被動局面,可以及時地了解結(jié)構(gòu)的整體工作狀態(tài),是以后的發(fā)展方向之一。然而,這涉及到3個方面的工作:a工作參數(shù)的采集;b工作參數(shù)的識別加工得到橋梁工作狀態(tài)信息;c根據(jù)工作狀態(tài)信息給出橋梁健康狀況評估。
目前的工作多集中于前者,后兩項工作仍然處于理論與實踐探索階段,總體來講,難度仍然很大。
1） 傳感器的優(yōu)化布置問題結(jié)構(gòu)損傷檢測首先涉及到信號采集技術(shù)。在結(jié)構(gòu)損傷檢測研究與實踐中,傳感器是個研究重點。大型橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng),一般包括多種類型和眾多數(shù)目的傳感器,如香港青馬大橋上設(shè)立的永久性健康監(jiān)測系統(tǒng),包括700多個風(fēng)速儀、加速度儀、應(yīng)變儀、位移儀、溫度儀、水平儀、車載車速儀。眾多的傳感器形成了傳感器群,從而帶來了傳感器優(yōu)化布置方面的研究。結(jié)構(gòu)中傳感器的數(shù)量和位置對模型參數(shù)估計的質(zhì)量和偏差有重要影響,然而,獲得結(jié)構(gòu)完整的模態(tài)數(shù)據(jù)對于橋梁這樣的大型結(jié)構(gòu)是不可能的,測量只能得到所有自由度中的一部分模態(tài),而且,這一過程不可避免的會引入誤差和導(dǎo)致?lián)p傷檢測難度加大。因此,在考慮成本代價的影響下,確定傳感器的類型、數(shù)量、位置等布置的最優(yōu)化或接近最優(yōu)化,以從有限數(shù)量的傳感器系統(tǒng)中實現(xiàn)信息的最優(yōu)采集是損傷檢測的首要關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前已經(jīng)提出了一些優(yōu)化算法,如MAC矩陣非對角元最小化準(zhǔn)則、遺傳算法等。清華大學(xué)土木系采用廣義遺傳算法對香港青馬大橋傳感器群最優(yōu)布點進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計（1997）,經(jīng)過實踐檢驗證明該算法是可行的,并且可以獲得全局最優(yōu)化或接近最優(yōu)化。
2） 橋梁損傷識別方法
a 動力指紋法
動力指紋法是通過分析與結(jié)構(gòu)動力特性相關(guān)的動力指紋的變化來判斷結(jié)構(gòu)的真實狀況。通常用到的動力指紋有:頻率、振型、模態(tài)曲率、應(yīng)變模態(tài)、傳遞函數(shù)、功率譜、模態(tài)保證準(zhǔn)則（MAC）、坐標(biāo)模態(tài)保證準(zhǔn)則（COMAC）、能量傳遞比（ETR）等。使用單一測試動力特征的方法有頻率比法、振型差法、應(yīng)變模態(tài)法、曲率模態(tài)法等;使用多個測試動力特征的方法有柔度差陣、剛度差陣、均載變形-曲率法、能量損傷指紋、能量商差指紋等;使用其它測試響應(yīng)的方法如FRF波形指紋法,包括WCC、ATM、SAC等幾個指針。大量的模型和實際結(jié)構(gòu)試驗表明:結(jié)構(gòu)頻率實測較準(zhǔn),但它對局部損傷不敏感;振型尤其是較高階振型對局部剛度變化很敏感,但卻很難精確測量。MAC、COMAC等依賴于振型的動力指紋都存在類似的問題,而模態(tài)曲率、應(yīng)變模態(tài)則在低幅值振動測試中變化量級過小而難以起到有效的判別作用。某些指標(biāo)如ETR、單元模態(tài)應(yīng)變能可以較有效的確定損傷位置或發(fā)展,然而這些指標(biāo)對噪聲比較敏感,容易湮沒于噪聲中。目前已有的研究表明,動力指紋法對實驗室內(nèi)的簡單模型結(jié)構(gòu)而言是成功的,應(yīng)用于實際的結(jié)構(gòu)上結(jié)果還不太理想?？梢哉f,到目前為止,動力參數(shù)法對結(jié)構(gòu)損傷識別的能力仍然十分有限。動力指紋法的成功應(yīng)用或許需要依賴于尋找新的綜合性損傷指標(biāo)及試驗技術(shù)的發(fā)展。
b 模型修正法
模型修正法主要利用直接或間接測得的資料通過條件優(yōu)化約束,不斷的修正結(jié)構(gòu)模型的剛度分布,從而得到結(jié)構(gòu)剛度變化的信息,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷判別與定位。用于無損評估的有限元模型修正方法包括模態(tài)柔度法、最優(yōu)矩陣修正法、靈敏度矩陣修正法、特征結(jié)構(gòu)分配法、測量剛度改變法和綜合模態(tài)參數(shù)法。由于技術(shù)上的原因,通常只有結(jié)構(gòu)的一些識別較好的低階模態(tài)被用于有限元模型修正。然而事實是,只有對應(yīng)于高階頻率的模態(tài)對結(jié)構(gòu)的損傷定位是敏感的,低階模態(tài)對確定損傷位置并無明顯貢獻(xiàn),反而增加了計算工作量。這種方法的缺陷在于測試不可能得到結(jié)構(gòu)的完整模態(tài)集且測量中的信噪比較低,因而由測試數(shù)據(jù)難以給出足夠的修正信息,導(dǎo)致了解的不惟一性。
c 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法
Rajagopalan等人（1996）論述了在無損檢測與評估領(lǐng)域中人工智能（AI）的兩個應(yīng)用途徑。他們認(rèn)為AI中基于知識的系統(tǒng)（KBS）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）可以合適地應(yīng)用于NDE中。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中對人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某種簡化、抽象和模擬。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有集體運算能力、自適應(yīng)的學(xué)習(xí)能力、還有較強(qiáng)的容錯性、魯棒性,能進(jìn)行聯(lián)想、綜合和推廣。
有研究者認(rèn)為,傳統(tǒng)的損傷評估算法基于精確的數(shù)學(xué)建模,而對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的性能尚未達(dá)到精確理解的程度;而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法可以保存結(jié)構(gòu)損傷與未損模式,并可進(jìn)行自學(xué)習(xí),進(jìn)行對比分析就可辨識損傷。
近年來,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已在濾波、譜估計、信號檢測、系統(tǒng)辨識、模式識別等方面得到了成功的應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別法可以解決傳統(tǒng)模式識別中的高噪音干擾和模式損失等缺點。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法,結(jié)合小波分析技術(shù),可對橋梁監(jiān)測信號進(jìn)行預(yù)處理和損傷特征提取;由于橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測得到的測試數(shù)據(jù)的不完備性,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法可以利用有限的數(shù)據(jù)訓(xùn)練,用不完備的數(shù)據(jù)識別在無數(shù)學(xué)模型的情況下可以較好的解決非線性和不確定性引起系統(tǒng)的辨識問題。目前應(yīng)用于結(jié)構(gòu)損傷識別的有基于誤差反向傳播算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP）、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBF）、自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ART）等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的主要局限性在于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的獲取,其準(zhǔn)確性在很大程度上取決于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的完備程度。
3） 環(huán)境激勵下的系統(tǒng)響應(yīng)識別
結(jié)構(gòu)振動測試中的激振技術(shù)可以采用激振設(shè)備或其它激振手段如發(fā)射火箭、爆炸、人工地震等等。在橋梁結(jié)構(gòu)中采用專用激振設(shè)備或人工激振往往需要關(guān)閉交通或是引起結(jié)構(gòu)損傷,采用重型激振設(shè)備往往也會增加系統(tǒng)識別的成本。而利用作用于橋梁結(jié)構(gòu)上的車輛、行人、風(fēng)及其組合等自然環(huán)境激勵進(jìn)行結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識別則具有很多優(yōu)點:不需打斷交通流,無需布置貴重設(shè)備,且方便省時。
環(huán)境激勵輸入實際上是無法確切知道的,因此環(huán)境激勵系統(tǒng)識別是只知信號輸出而不知信號輸入的系統(tǒng)識別法,這是對傳統(tǒng)的系統(tǒng)識別法的一個挑戰(zhàn)。然而,環(huán)境激勵響應(yīng)一般振動幅值小、隨機(jī)性強(qiáng)、易受噪聲影響、數(shù)據(jù)量大,需要一些特殊的識別技術(shù)。國外學(xué)者基于不同用途提出的識別方法有:基于功率譜密度的峰值法、基于離散時間數(shù)據(jù)的ARMA模型、自然激勵技術(shù)、隨機(jī)子空間法等。任偉新對頻域識別的峰值法（PP）和時域識別的隨機(jī)子空間法（SSI）進(jìn)行了比較,并針對一幢15層高的鋼筋混凝土建筑和一座鋼拱橋進(jìn)行了應(yīng)用分析,結(jié)果表明:PP法具有簡單、快捷、實用的優(yōu)點,但結(jié)構(gòu)阻尼無法識別,且振型識別精度不高;而SSI法計算工作量大,但識別質(zhì)量較高;由此建議現(xiàn)場試驗時用PP檢查數(shù)據(jù)并初步識別結(jié)構(gòu)的動力特性,然后再用SSI法做進(jìn)一步分析以確保結(jié)果的正確性。
4）專家系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)的損傷診斷與評估不僅需要深厚的理論基礎(chǔ),而且需要豐富的專家經(jīng)驗?；谥R的專家系統(tǒng)匯集了專家們的知識,突破時域限制,使損傷診斷與評估逐漸走向智能化、自動化。目前,在橋梁損傷評價與維修對策中已有應(yīng)用和開發(fā)專家系統(tǒng)的嘗試。專家系統(tǒng)一般都融合了模糊理論,以適應(yīng)處理不確定性信息的能力。由于專家系統(tǒng)是基于符號的推理系統(tǒng),具備解釋功能,但獲取知識困難,而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備學(xué)習(xí)能力,但不具備解釋能力,將專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來建立結(jié)構(gòu)損傷智能診斷系統(tǒng)顯現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景。
2 橋梁結(jié)構(gòu)安全評估與壽命預(yù)測
橋梁結(jié)構(gòu)從正常到不正常的發(fā)展,導(dǎo)致缺陷發(fā)生的過程稱為裂化過程或損傷過程。損傷檢測的目的是為了對橋梁進(jìn)行客觀的評價,以此來指導(dǎo)車輛通行,為橋梁維護(hù)、合理有效的加固提供科學(xué)依據(jù),并為橋梁發(fā)展趨勢及剩余壽命進(jìn)行合理預(yù)測。
2.1 橋梁結(jié)構(gòu)的安全評估
橋梁安全評估分初步評估和詳細(xì)評估兩個層次。初步評估可快速篩選出大量橋梁的安全性程度,再由主管部門配合該橋梁的重要性程度,決定是否需要進(jìn)行詳細(xì)評估。
1） 初步評估。
根據(jù)影響橋梁耐震、耐荷及耐沖刷能力的項目,以填表方式評定各項目的分?jǐn)?shù),再綜合獲得整體分?jǐn)?shù),據(jù)以判定受評價橋梁耐震、耐荷及耐沖刷能力是否足夠或有疑慮或不足。
2） 詳細(xì)評估。
根據(jù)橋梁實際現(xiàn)有情況,配合最新相關(guān)設(shè)計規(guī)范資料,經(jīng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)分析后計算橋梁耐震及耐荷能力。經(jīng)詳細(xì)評估后顯示安全性不足的橋梁,應(yīng)立即進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)工作,且橋梁安全評估所獲得的信息,應(yīng)當(dāng)作補(bǔ)強(qiáng)工作的重要參考依據(jù)。
2.2 壽命預(yù)測
橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命或耐久年限,是指在役橋梁在正常使用和正常維護(hù)條件下,仍然具有其預(yù)定使用功能的時間。在進(jìn)行壽命預(yù)測之前,首先必須明確結(jié)構(gòu)的預(yù)定功能是什么,如何判斷結(jié)構(gòu)的功能失效,即極限狀態(tài)的定義,這是結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測與剩余壽命評估的關(guān)鍵。橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命與材料性能、細(xì)部構(gòu)造、使用狀態(tài)、劣化機(jī)理等許多因素有關(guān),且諸多因素相互作用很難量化。現(xiàn)在有各類預(yù)測方法,目前的常用方法有經(jīng)驗預(yù)測法、數(shù)學(xué)模型預(yù)測法及壽命預(yù)測隨機(jī)法。
3. 結(jié) 語
橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測與評估涉及到結(jié)構(gòu)、通訊、計算機(jī)、管理科學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域,系統(tǒng)論、信息論、控制論、非線性科學(xué)等最新技術(shù)都在其中有廣泛應(yīng)用。總體上說,仍然處于初步探索階段。隨著各學(xué)科的進(jìn)一步交叉與同步發(fā)展,相信橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與評估這一門新興的科學(xué)將會得到較大的發(fā)展。橋梁的長期實時或定時在線自動監(jiān)測、健康狀況評估（包括特大自然或人為災(zāi)害后的快速評估）、交通管理與維修決策融為一體的綜合性決策系統(tǒng)也會盡快實現(xiàn)。
