桥梁健康监测与安全评估的方法与展望__墨水学术,论文发表,发表论

所属栏目：智能科学技术论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:181

副标题#e#摘要：通过对桥梁结构无损检测方法的分类讨论，较为系统的综述了近20年来国内外结构损伤识别的研究和应用情况，同时对桥梁安全评估的主要方法进行了介绍，最后，对有待近一步研究的问题进行了展望。
　　关键词：桥梁健康监测损伤检测安全评估
　　1    前言
　　桥梁结构在长期使用的过程中，不可避免的会出现结构构件老化，并且还可能遭受各种自然或人为灾害的破坏，造成结构承载力降低，甚至失效；而且大型桥梁由于其使用功能的重要性，因此从它开始修建就应该对其是否正常工作进行相关监测。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。因而，桥梁结构的安全状况一直是政府有关部门和公众特别关心的问题。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。
　　2    结构无损检测方法
　　所谓无损检测2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。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。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局部损伤检测
　　局部构件的无损检测是获得局部构件健康状态的首要工作，也是得到桥梁整体健康评估的基本数据。目前桥梁结构局部检测基本是基于声探测、磁探测和光探测方法展开的，使用的检测方法主要有表观检测法、超声波检测法、电涡流探测γ法、红外成像法、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。下面介绍几种主要的局部检测方法。
　　超声波探测技术的基本原理是以一定的速度的超声波能在某种材料中传播，直至遇到不连续点或抵达测试物的边界时才反射回来，通过信号的强度可以获知损伤的程度，而将信号发生的时间和超声波在材料中的传播速度联系起来，则可获知损伤的位置。
　　冲击-回声是根据应力波能够在材料中传播的原理设计的，基本的测试方法和超声波相似，应力波可以通过以下两种方法产生：使用转换器产生的应力波称为脉冲-回声法；使用机械冲击器产生应力波称为冲击-回声法。它同样可以通过应力波的强度和发生时间测定缺陷的程度和位置。
　　声发散技术的原理是大多数结构材料在受力后出现诸如塑性变形、开裂、裂纹发展等微结构损伤时，就以声波的形式释放能量，通过接收这些信号，加以处理、分析和研究，则能推断结构内部的状态变化。
　　探地雷达是军用技术民用化的典型代表，已经在建筑物、桥梁和其他结构评估中广泛使用。其基本原理是将雷达脉冲传进被检测材料，然后测量材料表面的反射量确定损伤，在桥梁无损检测中的典型应用如混凝土中的钢筋和孔道的定位以及缺陷和疲劳探测等。
　　涡流的基本原理为电磁感应，主要应用于检测表面损伤。当检测线圈与导电材料的构件表面靠近，并通以交流电时，所产生的交变磁场将在构件表层产生感应电流，呈环形涡流状。电涡流的大小与分布受构件材料介质和表层缺陷的影响，根据所测电涡流的变化量，就可以判定材料表层的#p#副标题#e#缺陷情况。
　　红外线辐射检测技术用于无损测试始于20世纪六七十年代，后来在80年代被数字化。红外线能在电磁谱中产生介于微波和可见光的波频，红外线谱分为低于10µｍ的近红外线和波长更长的远红外线。应用于无损评估的红外线系统,绝大多数在近红外线区和略超出红外线区工作，波长一般在1～15µｍ之间。热在材料中的传递或辐射，可以通过红外线系统观察到，而且，由于热总是由温度高的区域向温度低的区域传递，材料的不连续会阻碍热的传递，通过一个热图谱仪可以精确地、定量地检测和显示辐射能。在可见的图像中，不同的能量水平用不同的颜色代表，可以方便的进行评估和分析。
　　光纤传感器是利用光纤能够随着外界环境的变化（如温度、压力等），使光纤内传输光的某些参数发生变化，如强度、相位、频率、偏振态等，并且具有一定的规律性，即通过对传输光的某些参数变化的测量，实现对环境参数的测量。光纤传感器被广泛地应用于测量腐蚀、应变、压力和裂纹、温度、电磁场、电流等。与其他类型的传感器相比，光纤传感器具有更可靠，可重复使用，且长期应用时可以进行自基准等特点。光纤传感技术用于桥梁结构的无损检测与无损评价是目前较为理想的安全措施3。
　　但所有这些局部检测方法的不足之处在于4：（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。
　　2.2结构损伤的整体检测
　　整体检测方法主要有基于振动的检测方法、模型修正方法、静态检测方法和神经网络法。
　　基于振动的检测方法的原理是：损伤使结构的物理参数发生改变，同时也会引起结构动态特性（频率、振型、阻尼、振型曲率、功率谱、模态保证准则等）的变化，而这些变化可以通过结构的动态试验由测得的动态响应数据探测到，因此结构的振动信息能用来识别结构是否发生损伤，并可以定位和定量损伤。根据使用数据所在的域的不同，基于振动信息的损伤识别方法可分为3类：基于模态域数据的方法；基于时间域数据的方法和基于时频域数据（小波分析）的方法。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）。基于模态域数据的方法，根据所采用的模态信息不同，又可进一步分为5：基于固有频率的方法、基于振型的方法、基于应变模态的方法、基于模态应变能的方法、基于柔度的方法、基于频响函数的方法、基于动态残余向量的方法等。基于时间域数据的方法通常是利用结构振动响应在局部时间域上的特性或在一段时间域上的统计特性来识别结构的损伤。基于小波包变换的方法的基本原理是：当结构发生损伤时，由响应的小波包变换提取的各频段上的能量分布与完好结构相比发生明显变化，因此小波包能量可以作为反映结构健康状况的损伤特征参量。
　　大量的模型试验和结构的原型测试经验表明，由于土木工程结构损伤分布和损伤程度有很大的随机性、振动源不明确和振动测试环境不可控、独特的个性和相对复杂等特点，以上方法应用在实际工程中时遇到了很多困难，比如，测试数据不完备、环境激励下无法获得激振信息、结构所处的外界环境复杂多变、无法得到结构在完好状态下的基准数据、很难得到精度较高的基准有限元模型、测试噪声的干扰等。
　　模型修正法主要是把实验结构的振动反映记录（振型、阻尼、频率、加速度记录、频响函数等）与原先的模型计算结果进行综合比较，通过条件优化约束，不断的修#p#副标题#e#正模型中的刚度和质量信息，从而得到结构变化的信息，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。模型修正法通过不断的发展、实践和完善，形成了矩阵法、子矩阵修正法、灵敏度法以及定宽带特征值反问题等方法。大多数修正方法已被数值模拟或模型试验结构所证实，但在不完整测试模态集、测试自由度不足以及测量噪信比较高时,模型修正精度有待进一步提高。
　　静态检测方法，通过静载试验，即按照桥梁的设计荷载等级，根据荷载的最不利位置，布置静载（通常是载重汽车），或者根据桥梁结构的控制内力确定荷载及其位置，对桥梁结构进行加载，测试所关心截面的静位移、静应变、静转角、裂缝等桥梁结构荷载响应，进而根据测试结果推断桥梁结构在荷载作用下的工作状态和使用能力。
　　损伤诊断的动力指纹法。这类方法的基本思想就是假设有一系列的损伤情况，包括损伤机制及位置，预测损伤的动态响应变化，将结构的实测值与之比较，最相近的也就是最可能的损伤位置。在识别具有不同损伤度的多个损伤时，倾向于仅辨识具有最大损伤度的位置。其优点在于无需反演，简单易行，在一定程度上能识别损伤，并且指纹法能反映局部特征，并较多使用测试信息的指纹，损伤诊断能力较强。但定位的能力，特别是对多个损伤位置的识别，还不能说可靠，理论上也尚存在一定问题。
　　3、存在的问题及展望
　　就现在桥梁结构健康监测及诊断的研究水平来看，结构健康监测与状态评估系统的研究尚处于基础性的探索阶段，距离实用性的系统目标尚有很大的差距。桥梁结构健康监测及诊断仍然存在以下几个问题：
　　（1）进行结构早期损伤机理的研究，要发展更为可靠的损伤判别指标。该指标不会误判及漏判，要实现这个目的所使用的特征量必须敏感而且能准确测量，这种指标不一定要能够定位损伤，只要能够准确判断结构损伤发生就已经是非常有意义了。
　　（2）确定损伤对结构寿命的影响，即建立起结构损伤指标与结构寿命间的近似数值关系。
　　
　　
　　参考文献：
　　1    刘继鹏.工程结构健康监测近期研究进展[Ｊ].郑州经济管理干部学院学报第21卷第1期:89-92.
　　2    李家伟，陈积.无损检测手册[M].机械工业出版社,2002,1.
　　3    孙圣和，王延云，徐影.光纤测量与传感技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000.