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经典文章:桥梁结构的健康监测

2019-6-4 13:21
来自: 检师学社 收藏 分享 邀请

简介:本文,作者为清华大学土木工程系秦权教授,发表于《中国公路学报》2000年年第2期。本文算是国内最早一批介绍桥梁监测方面的综述性文章,累计引用率607次,从学术论文角度算是高引文章了。——编者按摘要:本文 ...

简介:本文,作者为清华大学土木工程系秦权教授,发表于《中国公路学报》2000年年第2期。本文算是国内最早一批介绍桥梁监测方面的综述性文章,累计引用率607次,从学术论文角度算是高引文章了。——编者按

摘要:本文讨论了工程结构(特别是大跨桥)健康监测系统的背景,特点,核心技术,所涉及的多学科研究进展及发展前景。指出其主要目的是监测累积损伤。桥梁的自动交通管理设施和验收试验为桥梁健康监测系统打下了基础。世界上许多新建的大跨桥都安装有监测系统。目前的健康监测系统尚不具备损伤识别能力。而真正的健康监测系统必须具备自动识别损伤的能力。自动识别损伤是结构健康监测系统的核心技术之一,也是当代国际的研究热点。结构健康监测系统涉及许多不同的研究领域(如结构,计算机,通讯等),需要解决多方面的问题(如寻找传感器最优测点,先进的模态识别方法,先进的系统识别方法,误差分析等)。

工程结构一般会受到两种损伤——突然损伤和累积损伤。突然损伤由突然事件引起,如天灾(地震,台风)或人祸(事故,破坏,爆炸,火灾),使损伤突然达到一定的值;累积损伤则有缓慢累积的性质,到一定程度就引起破坏,影响安全和使用,其中疲劳易出现在受到交变荷载的焊接钢结构中,锈蚀则缓慢影响钢结构或者混凝土结构中的钢筋,而混凝土的碱骨料反应则使混凝土承载能力蜕化。

对于这两种不同的损伤,检查方式也不相同。一般情况下都能知道突然损伤的发生时间和部位,可以在灾害发生后立即短期关闭桥梁,集中人力物力在损伤部位检查。而在累积损伤的情况下,人们不知道损伤在哪里,也不知道什么时间损伤就会影响使用和安全,只能靠长期(工程结构寿命是几十年到几百年)连续的全面检查,因此检查只能在正常交通情况下进行,而不得影响桥梁的正常使用。所以检查累积损伤要比检查突然损伤困难得多,目前这种检查主要靠人工检查。

人工检查有详细的检查制度(日常检查——每隔几天检查一次,只做最简单的检查;一般检查——每隔几年检查一次,检查比较详细;特殊检查——事故发生后进行),检查方法有:目查,近距目查,使用简单工具检查,非破损检测(NDT)以及破损检测(DT)。人工检查大桥时,每座大桥有专门检查队伍,按专门的检查手册进行检查;而对中小桥,一个地区的桥由一个检查队按事先设计好的表格进行检查(Rating),检查结果则填入表格中,不同国家有不同检查制度。一些国家已开始用桥梁管理系统(Bridge Management System,BMS)对中小桥进行检查和管理。

检查工程结构的累积损伤可有两种策略:一种是现行的人工检查,对大桥需要大量人力,劳物费用高;且现行方式的检查结果有主观性,检查周期长达几年,难以保证结构的安全;为此人们研究用仪器和损伤识别技术进行自动(盲)损伤识别,其设备费用高,技术复杂,有许多困难,目前灵敏度低,只能识别较严重的损伤。但自动损伤识别是结构试验领域中当前国际的研究热点,进展很快;联合型的检查(联合使用人工检查和自动探伤,用自动探伤缩小人工检查的范围)则是当前比较可行的策略。结构健康监测系统主要针对累积损伤。

1.工程结构自动损伤识别的使用条件

工程结构自动损伤识别技术的适用范围包括:

(1)易于受到累积损伤的工程结构:包括长期承受交变荷载,疲劳是重要破坏状态的结构如桥梁等;以及在恶劣环境下工作易受锈蚀的结构如桥梁,输电塔等都在大气环境下工作。相反办公楼,住宅楼既不受长期的交变荷载,又在室内工作,没有这种累积损伤问题。

(2)造价昂贵,倒塌后影响巨大的工程结构:如大跨桥,它们造价高,如青马桥造价为72亿港币,虎门桥为27亿圆,江阴桥为33.7亿圆,再贵的监测系统价格也只占大桥自身造价的很小比例。加之,一旦它们倒塌,将长期(许多年)影响大范围地区(半个省甚至几个省)的交通,经济和社会生活,为此人们不惜一切代价来保证其安全。对这样的大桥值得每桥都安装监测系统。

(3)大量同样的结构:如中小桥,可监测个别典型结构,所得信息可推论至所有同样的结构。但问题是土木工程个性太强,地基情况又千差万别,难以找到完全相同的结构。从一个桥的检测结果难以推论到其他结构。

(4)非结构件少的骨架型结构:如桥,输电塔等。结构特性识别需要小幅加载实验(以不损坏结构为前提),无论静力加载还是动力加载,结构的小幅反应易受非结构件的强烈影响。房屋结构有大量墙体作为非结构件,它们不参与整体承载,但它们在小幅反应时的刚度远大于结构承载体系本身的刚度(见图1)。从小幅加载试验得不到房屋结构承载体系的刚度的可靠信息。而安全监测目的又是评估结构承载体系的损伤。墙体的存在给房屋结构的损伤识别造成极大的困难。

图1  房屋的结构件和非结构件
 
对工程结构自动损伤识别有下述要求:
(1)现场测试——工程结构自动损伤识别只能在真实结构上测试,测试工作在大气条件下进行。设备必须能承受恶例的气候条件,全天候工作。系统必须能抵抗现场的各种干扰。例如光学设备不能在雨,雾天工作。

(2)长期连续性(永久性)——监测系统应当永久地安装在桥梁上。工程结构的使用寿命一般为几十年到几百年,远长于电子系统的寿命。如何保证整套监测系统在几十年到几百年期间的耐久性与稳定性,是极困难的问题。另一方面,整套系统每秒钟都在采集数据,长期连续存储监测数据时必须解决大规模数据的累积,自动进行数据的压缩和精简。此外,在几十年到几百年期间,结构试验和损伤识别的软件和硬件技术必定会有巨大的发展,监测系统应当设计成开放型的,以便不断更新。

(3)不影响工程结构的正常使用——工程结构的长期连续监测的前提是不影响正常使用。这个条件主要限制加载方式:静力加载(堆积重物),火箭,液压地锚难以不影响桥的正常使用。动力激振器体积虽然比静载小,但大型工程结构的动力激振器体积不会太小。脉动荷载(交通荷载,地脉动,脉动风)不需专门的加载设备,是最方便的加载方式,但其荷载强度低,频率带宽有限。

(4)信号长距离传输——大跨桥一跨千余米,一座桥总长可达数千米,传感器的信号需经长距离传输才能到达处理中心。此外,长期监测的控制中心应当设在桥梁管理中心和政府的交通管理部门。因此必须解决信号的长距离传输问题。

 2.桥梁的管理

(1)中小桥梁的管理
对中小桥梁,不同国家有不同管理制度。先进的管理方法采用计算机软件系统BMS,如美国的Pontis,  Bridgit等。主要靠目查给桥梁打分。有专门的检查队伍检查中小桥梁,配有少量专门的仪器。在BMS的基础上进一步发展,已开始研究桥梁全寿命期最优管理决策系统。

(2)大跨桥的管理
大跨桥必须进行多种管理,包括:
n  交通管理——大跨桥上必须有交通管制设施,一旦桥上有事故,在离桥一定距离处就得亮红灯。所用设备为摄象机,信号灯系统。
n  按风速管制桥上交通——风是大跨桥的最危险荷载,大跨桥在风作用下位移显著(明石桥60m/s风速下加劲梁侧移30米,金门桥1951年受4小时连续旋风,加劲梁竖向振幅3.3米,青马桥85 m/s风速下加劲梁侧移4.7米),而且风会使高速行驶的车辆翻车。因此必须监测风速。根据风速关闭车道或限制某些车型上桥。所用设备为风速仪及相应的后处理设备,以给出10分钟平均风速甚至风功率谱密度。
n  限制超重车辆上桥——大跨桥必须防止超过设计荷载的重车上桥。所用设备为动态地秤(Weight-in-Motion)系统,可记录轴重,轮距,车速,交通量和荷载历史。
n  结构健康检查——目前主要是人工检查,对每座桥都制定有详细检查制度,配有专门检查人员,和专用设备。

(3)桥梁验收试验和诊断荷载试验
桥梁建成后要经历一系列试验。通车前的验收试验主要为验证设计假定,因为桥梁(特别是大跨桥)设计时有许多假定,为检查这些假定的合理性,需要在通车前进行静载试验和动力试验。静载试验可检查主缆和加劲梁的恒载线型,桥塔和锚碇的基础沉降,温度膨胀,横载下的应力,位移等;动力试验可检查对冲击力的反应以及自振特性等。此外,还需经受定期或不定期的诊断荷载试验,以判定使用中桥梁的安全性。
这些试验使用大量各种类型的传感器,加载设备和数据记录和处理设备。试验内容日益增多,试验周期也日益加长。例如英国和意大利对土耳其的Bosporus海峡第二大桥的试验持续了一年多,英国对Humber悬索桥桥进行了长达十年的反复测试,美国对Cincinnati市的HAM42-00992立交桥也进行了长达十年的反复测试。所使用的加载,数据采集,记录设备已具有半永久性质。

3.桥梁监测系统(BridgeMonitoring Systems)

上述管理设备和桥梁试验的部分设备合并形成了桥梁监测系统的雏形。在此基础上出现了桥梁监测系统。目前已经有许多大跨桥安装了永久性的监测系统。表1列出了近年来安装监测系统的桥的不完全统计。表2列出了这些桥梁监测系统使用的传感器类型。实际上,桥梁监测系统近年来一直在高速发展,因此这个系统的设计是无终点的‘开端设计’。
目前桥梁监测系统监测的内容有:

(1)荷载(包括风,地震,温度和交通荷载)。所使用的传感器有:风速仪——记录风向丶风速时程历史,连接数据处理系统后可得风功率谱;温度计——记录温度丶温度差时程历史;动态地秤(Weight-in-Motion)——记录交通荷载流时程历史,连接数据处理系统后可得交通荷载谱;强震仪——记录地震作用;摄象机——记录车流情况和交通事故。

(2)几何监测,监测桥梁各部位的静态位置,和静态位移(如桥塔和锚锭的沉降和倾斜,主缆和加劲梁的线型变化等)。所使用的传感器有:位移计,倾角仪,GPS,电子测距器(EDM),数字相机等。

(3)结构的静动力反应,如用位移计,倾角仪记录结构的静动力变形和转角,支座和伸缩缝的静动力相对位移历史;用应变仪记录桥梁构件的静动力应变和应力,连接数据处理系统(Rainflow Counting)后可得构件疲劳应力循环谱;用测力计(力环,磁弹性仪,剪力销)——记录主缆,锚杆和吊杆的张力历史;用加速度计记录结构各部位的反应加速度,连接数据处理系统后可得结构的模态参数。
目前桥梁监测系统中不含结构模型,因此无自动损伤识别的能力。但桥梁监测系统的高速发展为真正意义上的(有自动损伤识别能力的)桥梁监测系统打下了基础。桥梁监测系统的设计是多学科多领域的前沿课题,与桥梁设计,桥梁管理及试验技术的发展战略有密切关系,应当综合考虑国情。
 

 
4.自动损伤识别

自动损伤识别是真正意义上的桥梁监测系统的核心,是目前国际上的研究热点。目前还在研究阶段。

(1)自动损伤识别的方法
不同国家的学者已经研究出许多自动识别损伤的方法,这些方法可用来形成软件,安装在桥梁监测系统中。自动识别损伤的方法大致可分为两类:

(a)无模型的识别方法:它们不使用结构模型,属于这类方法的有:基于FRF的损伤识别指标方法,包括Waveform Chain Code(WCC,其中又包括量测FRF的斜率差和曲率差),Adaptive Template Methods (ATM),和Signature AssuranceCriteria (SAC)。此外还有人工神经元网络,ARMA模型,模式识别等。

(b)有模型的识别方法:它们使用结构的有限元模型进行识别。这类方法又可分为两种:基于模态参数的识别方法和直接的系统识别方法。基于模态参数的识别方法分为两步,首先通过动测进行模态参数(自振频率,振型,振型阻尼比,应变模态)识别,然后通过模态参数识别损伤。这第二步工作又有两种方法。一种是通过损伤识别指标进行识别。由于模态参数对损伤不敏感,长期以来人们试图对模态参数进行加工,以提高其对损伤的灵敏度。定义了损伤识别指标后,可把它当作结构指纹。通过比较完好状态的结构指纹和受损状态的结构指纹来识别损伤。

已经定义的损伤识别指标如下:基于振型的损伤识别指标有Coordinate Modal Assurance Criteria (COMAC),曲率模态差,和柔度矩阵差;基于应变模态的损伤识别指标有应变模态差。评价损伤识别指标优劣的标准是其对结构损伤的灵敏度,上述指标中曲率模态差,柔度矩阵和应变模态差对结构损伤的灵敏度较高。

由模态参数识别损伤这第二步工作的另一种方法是由模态参数确定结构的刚度矩阵的变化,是一种形式的参数估值问题。

直接的系统识别方法则直接由结构反应确定结构的刚度矩阵,是另一种形式参数估值问题。参数估值问题也称逆问题,因为它们是由结构反应推断结构参数,就是由方程组的解反求方程组的系数。数学上都是不识定问题(方程数少于未知量数),只能通过使人为定义的误差函数最小进行求解。一般由结构模型的总自由度向量测自由度进行Guyne Reduction后,建立误差函数,使之最小而求刚度矩阵中的各元素。

(2)自动损伤识别工作内容
自动损伤识别及后续工作的主要环节及其间关系见图2。施加荷载的类型,方式和误差分析所需的参数见图3。量测结构的各种反应的传感器及直接的数据处理内容见表3。
 

图2  自动损伤识别及后续工作的主要环节


图3 施加荷载的类型,方式和应注意的问题
 
(3)结构反应量测的几个重要问题
(a)传感器的选择和放置
传感器是损伤监测系统的关键之一。传感器必须给出高质量的结构反应数据,这是损伤识别的前提。首先要选择传感器的类型,这时不仅要根据要量测的结构反应,还要考虑施工情况,有些传感器只能在施工期间安放,有些又需在施工前安放。施工期间能否保证传感器不受损伤,是选择传感器的重要因素之一。然后是确定传感器的位置和数量,这时要清醒的估计结构的易损部位,以及结构的不同反应的特点。量测静动反应有不同要求。已有一些优选方法,大都依靠结构的总体分析摸型,例如用遗传算法选择传感器位置。

(b)误差分析是结构损伤识别的前提。不知道模态识别和系统识别结果的误差,就得不到系统参数改变的可靠估值,也就得不到可靠的损伤识别结果。误差分析需要知道误差源。误差源包括传感器的精度,分辨率,噪音和零点漂移;AD变换的字长;信号滤波和放大时的畸变;信号传输时的噪音,结构反应量测值的精度和信度,模态识别和系统识别算法的误差。误差分析应使用可靠的误差分析的方法来分析误差的传播和积累,以确定损伤识别结果的精度和信度。

(c)可靠的时间坐标——是长期监测的重要问题。几十年间反复启动,反复停机情况下,所有载荷和反应的记录的的时间坐标必须保持同步。

(d)记录数据的选择和归档——是长期监测必须解决的问题。上千个传感器每秒钟都在采样,一年就需1,580 G的存储空间。因此存储前必须精练这些数据,删除有毛病的数据。

(4)模态识别
模态识别使用结构动力反应数据确定结构的模态参数。

(a)模态识别的方法
近年来发展迅速,不断出现新的高效的识别方法。主要是时域法和时频域法,以适应输入和结构反应的非平稳性,非白噪声性和非线性,并提高计算速度。其中频域法仍使用FFT,但有各种改进;时域法中,有输入的方法有各种MIMO和SIMO方法,基于脉动输入的方法有RD函数,ARMA,Hilbert变换和Kalman滤波等;基于    脉冲反应的方法有Ibrahim Time Domain (ITD),Eigen RealizationAlgorithms (ERA)等,其中ERA方法更适用于有非经典阻尼的结构,它直接识别复模态,需要由复模态求实模态;时频域法有Wignar分布等。

(b)误差分析
损伤识别的能力取决于所识别的模态参数的精度,必须进行模态参数的误差分析。

(5)不同损伤识别方法的精度
通过损伤识别指标识别必须知道不同损伤识别指标可识别的最小损伤以及识别结果的精度,因此需进行各类损伤识别指标的误差分析。但参数估值法问题,无论由模态参数识别损伤(刚度矩阵的变化),还是直接由结构反应识别损伤所得到的参数估值问题,都得不到真解,故无法分析误差。

(6)结构分析
为结构损伤识别所需的试验,从选择传感器的类型和量程,测点和数量,直到参数估值,自始至终离不开结构分析,这里没有分析的试验毫无意义。因此,建立结构的分析模型是损伤识别的一个关键问题。建立结构的分析模型需适当考虑结构的非线性,非弹性,边界条件,阻尼模型,和结构参数中的不定性。

(7)结构可靠性评定
(a)作用——识别出的结构损伤还不能直接用做结构维修决策的依据。要用有损结构的剩余安全性进行维修决策。

(b)目前国内外的结构设计规范普遍依据结构可靠度理论。不再采用不合理的单一安全系数,而采用多系数法。用剩余可靠度而不是剩余安全系数评估有损结构的安全性是发展趋势。结构失效用两类极限状态表示——承载能力极限状态和正常使用极限状态。有损结构的剩余安全性可用针对这两类极限状态的可靠度或可靠度指标表示。进一步,依据结构可靠度理论的结构设计规范的构件设计公式可直接给出构件利用率(Utilization)


式中构件抗力由损伤识别结果计算。
用构件剩余可靠度标定利用率后,由构件利用率进行维修决策更方便。

(c)近年来,随机有限元技术迅速发展。随机有限元程序可方便地给出构件剩余可靠度甚至结构系统可靠度。计算结构系统可靠度有一定困难,但基于结构系统可靠度的维修决策更合理。

(8)监测系统自身的监测,维修和管理
电子系统的使用寿命远小于工程结构的寿命,而且更易受到破坏。为使监测系统能长期独立工作,必须能自动检查电源,传感器,导线,计算机等硬件是否正常工作,零件是否老化及零点是否飘移等。

5.结语

桥梁监测系统涉及结构,计算机,通讯等多个领域,需要多学科的研究。桥梁监测系统反映了一个国家的结构试验技术和桥梁管理的综合实力,是国际上的前沿热点研究领域,目前正迅速发展。桥梁监测系统的研究涉及许多方面,其核心技术是结构的自动损伤识别。



参  考  文  献
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(4)     李  戈, 秦  权, 董  聪. 用遗传算法选择悬索桥监测系统中传感器的最优布点. 工程力学. 17(1). 2000. (25-34)_
(5)    秦  权, 楼  磊. 非经典阻尼对悬索桥地震反应的影响. 土木工程学报. 32(3). 1999. (17-22)
(6)    秦  权. 随机有限元及其进展,I.随机场的离散和反应矩的计算. 工程力学. 11(4). 1994, (1-10)
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(8)     刘春华, 秦  权. 架设阶段悬索桥静力问题的随机有限元分析. 计算结构力学及其应用. 15(2). 1998, (232-235)
(9)     刘春华, 秦  权. 大跨径桥梁振动特性对结构参数灵敏度的研究. 清华大学学报(自然科学版). 39(12). 1998, (49-52)

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