橋梁健康監(jiān)測的信號分析與處理

橋梁健康監(jiān)測的信號分析與處理

1橋梁健康監(jiān)測1.1在橋梁健康監(jiān)測過程中,注意注意的一個該橋健康監(jiān)測在三個方面：質(zhì)量狀況的監(jiān)測、質(zhì)量評估、設(shè)計理論的驗證和設(shè)計規(guī)范的改進(jìn)方面發(fā)揮著作用。大型橋梁健康監(jiān)測力求對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體行為的實時監(jiān)控和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評估。在結(jié)構(gòu)經(jīng)過長期使用或遭遇突發(fā)災(zāi)害之后,通過測定其關(guān)鍵性能指標(biāo),獲取反映結(jié)構(gòu)狀況的信息,分析其是否受到損傷。如果受到損傷,還要分析其可否繼續(xù)使用以及剩余壽命等。這對確保橋梁的運營安全,及早發(fā)現(xiàn)橋梁病害,延長橋梁的使用壽命起著積極的作用。此外,由于大型橋梁(尤其是斜拉橋、懸索橋)的力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)特點以及所處的特定環(huán)境,在大橋設(shè)計階段完全掌握和預(yù)測結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和行為是非常困難的。大跨度索支承橋梁的設(shè)計依賴于理論分析,并通過風(fēng)洞、振動臺模擬試驗,預(yù)測橋梁的動力性能并驗證其動力安全性。然而,結(jié)構(gòu)理論分析?；诶硐牖挠邢拊Ｐ?并以很多假定條件為前提,在進(jìn)行風(fēng)洞或振動臺試驗時,對大橋的風(fēng)環(huán)境和地面運動的模擬可能與真實橋位的環(huán)境不完全相符。因此,通過橋梁健康監(jiān)測所獲得的實際結(jié)構(gòu)動靜力行為,可以驗證大橋結(jié)構(gòu)分析模型、計算假定和設(shè)計方法的合理性。尤其重要的是,監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)和分析結(jié)論可用于深入研究大跨度橋梁及其環(huán)境中的未知和不確定性問題,為以后的設(shè)計和建造工作提供依據(jù)。橋梁健康監(jiān)測信息反饋于結(jié)構(gòu)設(shè)計的更深遠(yuǎn)的意義在于,結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等可能得以改進(jìn)。1.2健康監(jiān)測系統(tǒng)大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)一般應(yīng)包括以下幾部分內(nèi)容。1感知系統(tǒng)由傳感器、二次儀表及高可靠性的工控機等部分組成。2信號采集和處理系統(tǒng)實現(xiàn)多種信息源、不同物理信號的采集與預(yù)處理,并根據(jù)系統(tǒng)功能要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行分解、變換以獲取所需要的參數(shù),以一定的形式存儲起來。3通信系統(tǒng)將處理過的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。4橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的基本工作流程利用可實現(xiàn)診斷功能的各種軟硬件對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷,包括結(jié)構(gòu)是否受到損傷以及損傷位置、損傷程度等。傳感器監(jiān)測到的實時信號,經(jīng)過采集與處理,由通信系統(tǒng)傳送到監(jiān)控中心進(jìn)行分析和判斷,從而對結(jié)構(gòu)的健康狀況作出評估。若結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常行為,則由監(jiān)控中心發(fā)出預(yù)警信號,并對檢測出來的損傷進(jìn)行定性、定位和定量分析,同時提供維修建議。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的基本工作流程如圖1所示。由圖1可以看出,大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)不單是傳統(tǒng)的以人工方法為主的檢測手段的簡單改進(jìn),而是運用現(xiàn)代化傳感設(shè)備與光電通信技術(shù)及計算機技術(shù),實時監(jiān)測橋梁在各種環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和行為。一般大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)對以下幾方面進(jìn)行監(jiān)控:①結(jié)構(gòu)的固定模態(tài)及其相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)阻尼;②橋梁在正常車輛荷載及風(fēng)載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和力學(xué)狀態(tài);③橋梁在突發(fā)事件(如強烈地震、意外大風(fēng)或其它嚴(yán)重事故等)之后的損傷情況;④橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的真實疲勞狀況;⑤橋梁重要非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如支座)和附屬設(shè)施(如斜拉橋振動控制裝置)的工作狀態(tài);⑥大橋所處的環(huán)境條件,如風(fēng)速、溫度、地面運動等。2工程應(yīng)用2.1橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)國外從20世紀(jì)80年代中后期開始建立各種規(guī)模的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。例如,英國在總長522m的3跨變高度連續(xù)鋼箱梁Foyle橋上布設(shè)傳感器,監(jiān)測大橋運營階段在車輛與風(fēng)荷載作用下主梁的振動、撓度和應(yīng)變等響應(yīng),同時監(jiān)測環(huán)境風(fēng)和結(jié)構(gòu)溫度場;加拿大在全長12.9km、建于海上的45跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁Confedration橋上實施了一套綜合的監(jiān)測系統(tǒng),對橋梁在冰荷載作用下的性能、長短期變形、溫度應(yīng)力以及在車輛荷載、荷載組合、風(fēng)和地震荷載作用下的動力響應(yīng)和環(huán)境對橋梁的侵蝕進(jìn)行研究。此外建立健康監(jiān)測系統(tǒng)的典型橋梁還有丹麥主跨1624m的GreatBeltEast懸索橋、挪威主跨530m的Skarnsunder斜拉橋、英國主跨194m的Flintshire獨塔斜拉橋等。我國自20世紀(jì)90年代起也在一些大型重要橋梁上安裝了不同規(guī)模的健康監(jiān)測系統(tǒng)。如在香港的青馬橋、汲水門橋和汀橋上安裝的保證橋梁運營階段安全的“風(fēng)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)(WASHMS)”,監(jiān)測作用在橋梁上的外部荷載(包括環(huán)境荷載、車輛荷載等)與橋梁的響應(yīng);在上海徐浦大橋上安裝的帶有研究性質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),其目的是為了摸索大型橋梁健康監(jiān)測的經(jīng)驗,監(jiān)測內(nèi)容包括車輛荷載、中跨主梁的標(biāo)高和自振特性,以及跨中截面的溫度和應(yīng)變、斜拉索的索力和振動水平;在江陰長江公路大橋上安裝的健康監(jiān)測系統(tǒng),主要監(jiān)測加勁梁的位移、吊索索力、錨跨主纜索股索力以及主纜、加勁梁、吊索的振動加速度等;在南京長江大橋上安裝的健康監(jiān)測系統(tǒng),主要進(jìn)行溫度、風(fēng)速風(fēng)向、地震及船舶撞擊、墩位沉降,以及恒載幾何線形、結(jié)構(gòu)振動、主桁桿件應(yīng)力、支座位移等方面的監(jiān)測。2.2健康監(jiān)測的必要性南京長江大橋是我國自行設(shè)計建造的首座特大公路、鐵路兩用橋,地處繁忙干線。該橋現(xiàn)已運營30多年,結(jié)構(gòu)的自然老化和損傷積累不可避免,某些部位已開始出現(xiàn)輕微病害。因此,對該橋?qū)嵤┙】当O(jiān)測,實時了解大橋的工作狀態(tài)十分必要。南京長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)由傳感系統(tǒng)、信號采集與處理系統(tǒng)和評估系統(tǒng)3部分組成。2.2.1檢測及轉(zhuǎn)換功能包括多種類型的傳感器及相應(yīng)的信號放大和接收裝置,可完成大橋在運營時對各種動態(tài)響應(yīng)、環(huán)境狀態(tài)、荷載等信號的檢測及轉(zhuǎn)換功能?？紤]經(jīng)費及便于管理,結(jié)合理論和實測數(shù)據(jù)分析,在廣泛征求專家和橋管處工作人員的意見,并進(jìn)行多次模擬試驗的基礎(chǔ)上,確定的監(jiān)測內(nèi)容及優(yōu)化測點布置方案,如表1所示。2.2.2工控機、架構(gòu)將所有的信號分為振動類(1臺工控機)、位移類(1臺工控機)、應(yīng)變/應(yīng)力類(1臺工控機)、荷載環(huán)境類(2臺工控機),由5臺工控機分別完成各類信號的采集與分析處理,并與1臺服務(wù)器組成局域網(wǎng),實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。2.2.3大橋運營狀態(tài)主要以設(shè)計文件、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、相關(guān)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)、大橋多年運營以及管理維護方面的信息為依據(jù),利用監(jiān)測到的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)(如應(yīng)變、應(yīng)力、撓度、自振頻率、振型、振動位移、支座位移等),對大橋的運營狀態(tài)進(jìn)行評價,分析大橋的安全性、耐久性和疲勞壽命。主要包括以下內(nèi)容。1)報告橋梁工作環(huán)境情況,定期或在偶發(fā)事件(地震、船舶撞擊等)后,報告地震烈度或船舶撞擊程度,識別結(jié)構(gòu)的損傷和關(guān)鍵部位的變化,為維護加固工作提供依據(jù)。2)實時反映大橋的基本狀態(tài),包括結(jié)構(gòu)主要部位的應(yīng)力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的振動水平、空間振型和大橋主要構(gòu)件及全橋疲勞損傷狀況。3)實時反映引橋高墩及簡支梁的振動幅度、自振頻率等特性。4)實時反映大橋支座的位移。2.2.4在線監(jiān)測系統(tǒng)1)長距離傳輸。實現(xiàn)了橋上不設(shè)工作站的信號長距離(約2km)不失真?zhèn)鬏敗?)自動采集。當(dāng)列車通過或有船舶撞擊時,系統(tǒng)通過外觸發(fā)或信號觸發(fā)方式進(jìn)行自動采集。3)自動分析處理。實時對大量信號進(jìn)行分析處理,提取特征參數(shù),可大大減少原始數(shù)據(jù)存儲量,同時,也可保留一定量的原始數(shù)據(jù)。4)自動報警。對超過報警值的信號進(jìn)行多種方式報警,并永久保留相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)。5)自動入庫。對提取的特征參數(shù)自動存入指定數(shù)據(jù)庫。6)歷史查詢?？刹樵?nèi)我鈺r間段的特征參數(shù)歷史曲線和生成報表。7)遠(yuǎn)程訪問、控制。可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)指定權(quán)限的訪問及查閱相關(guān)監(jiān)測結(jié)果和修改參數(shù)設(shè)置等。8)自診斷。在測試系統(tǒng)長期工作過程中對系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行自診斷。9)采取多項措施提高可靠性。10)出現(xiàn)局部故障不會造成系統(tǒng)癱瘓。3furing變換橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況是由測試的信號來監(jiān)測和評估的,即從傳感器采集的信號中提取各種特征,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)檢測、狀態(tài)監(jiān)控和損傷診斷等。當(dāng)傳感系統(tǒng)能夠提供大量關(guān)于結(jié)構(gòu)性能的信號時,為了識別和定位損傷,需要有效、可靠的信號分析與處理方法。信號分析與處理的方法很多,其中以Fourier變換最為經(jīng)典,它把信號從時域變換到了頻域,將原始信號分解為一組正交三角函數(shù)的加權(quán)組合。Fourier變換不具備時間局部化的能力,即信號在小范圍的變化可能導(dǎo)致整個頻譜的大變化,所以僅適用于對線性過程的平穩(wěn)時間序列的處理上。對于一般的非平穩(wěn)信號,以往主要采用短時Fourier變換(STFT)和Wigner-Vill變換。但這些方法都有其自身的缺點和局限性。短時Fourier變換通過對信號加一短窗來反映信號的時間信息,在窗內(nèi)對信號進(jìn)行Fourier變換,將信號變換為時頻空間中的二維函數(shù),從而得到信號的時變特性。但由于所加窗寬是一定的,所以時頻分辨率是一定的,不能適應(yīng)信號頻率高低的變化要求。Wigner-Vill變換是一種雙線性變換,其變換本身就存在交叉項,造成信號的時頻特征模糊不清。基于這些原因,近年來又出現(xiàn)了以下新的信號分析與處理方法。3.1小波函數(shù)的特點小波變換是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的一門新興應(yīng)用數(shù)學(xué)分支,近年來有學(xué)者將其引入到工程信號的分析與處理中。小波變換的基本思想是用一簇小波函數(shù)表示或逼近一個函數(shù)(信號),而小波函數(shù)是通過一基本小波函數(shù)(稱為母小波函數(shù))的不同尺度的伸縮(壓擴)和時間平移構(gòu)成的。小波變換具有伸縮、平移和放大功能,它在時域和頻域上同時具有良好的局部化性質(zhì),能對不同的頻率成分采用逐漸精細(xì)的采樣步長,聚焦到信號的任意細(xì)節(jié)。小波分析對信號的奇異點非常敏感,被譽為分析信號的顯微鏡。結(jié)構(gòu)在振動過程中,某些部位的振蕩、摩擦、裂紋、甚至斷裂,可能使振動信號出現(xiàn)奇異性或攜帶突變信息,而這些信息可反映結(jié)構(gòu)的損傷情況。因此可利用小波分析進(jìn)行奇異信號檢測、信噪分離和信號頻帶分析來提取損傷特征,確定損傷的位置和程度。3.2hct的工作HHT的信號處理方法是1998年由美國宇航局的NordenEHuang等提出的。該方法是通過經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD),將一個復(fù)雜的數(shù)據(jù)序列分解成一組本征模函數(shù)(IntrinsicModeFunction,IMF),再進(jìn)行Hilbert變換,由此得到的Hilbert譜能準(zhǔn)確反映出物理過程中能量在各種頻率尺度及時間上的分布。以下是EMD的算法。1)找出信號x(t)的所有極大、極小點,用三次樣條曲線分別擬合為x(t)的上、下包絡(luò)線,上、下包絡(luò)線的均值為平均包絡(luò)線m1(t)。將x(t)減去m1(t)可得到一個去掉低頻的新數(shù)據(jù)序列h1(t)。判斷h1(t)是否為一個IMF,只需看它是否滿足下列兩個條件:①對于一列數(shù)據(jù),極值點和過零點數(shù)目必須相等或至多相差一點;②在任意點,由局部極大點和極小點構(gòu)成的兩條包絡(luò)線的均值為零。如果h1(t)不滿足上述條件,那么將它看成x(t),重復(fù)以上過程m次,直到所得的h1m(t)滿足IMF所必須的條件,此時的h1m(t)就是第一個IMF,記為c1(t),它表示信號數(shù)據(jù)中的最高頻成分。2)用x(t)減去c1(t)得到一個去掉高頻成分的新數(shù)據(jù)序列,重復(fù)步驟1),可得到一系列ci(t)和最后一個不可分解的序列rn(t),稱為殘余項,它代表x(t)的均值或趨勢。由此,x(t)可表示為一組IMF和一個殘余項的和。分別對每一個IMF應(yīng)用Hilbert變換,可以得到信號能量的時頻分布。HHT局部性能良好而且是自適應(yīng)的,對穩(wěn)態(tài)信號和非平穩(wěn)信號都能進(jìn)行分析。IMF是基于序列數(shù)據(jù)的時間特征尺度得出的,不同的序列數(shù)據(jù)得出不同組的IMF,每個IMF可以認(rèn)為是信號中固有的一個振動模態(tài)。通過Hilbert變換得到的瞬時頻率具有清晰的物理意義,能夠表征信號的局部特征。HHT在工程振動信號分析中的研究才剛剛起步,但已經(jīng)有學(xué)者將其應(yīng)用到結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中。在文獻(xiàn)中,作者基于Himbert譜提出了一種結(jié)構(gòu)損傷識別的方法,主要是用結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)來識別結(jié)構(gòu)的剛度及阻尼系數(shù),然后將損傷前后的結(jié)果進(jìn)行對比從而識別損傷。文獻(xiàn)研究了簡諧激勵下單自由度結(jié)構(gòu)系統(tǒng)發(fā)生突然損傷的響應(yīng)計算公式,給出了在若干情況下應(yīng)用EMD進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷探測和評估的成功結(jié)果。文獻(xiàn)則在對EMD進(jìn)行研究后,將其應(yīng)用在南京長江大橋的健康監(jiān)測中,并針對受外界環(huán)境影響常在采集的信號中形成局部強干擾,導(dǎo)致分析結(jié)果嚴(yán)重失真這一問題,提出消除的方法。通過對實測南京長江大橋有對講機干擾的應(yīng)變信號進(jìn)行分析,驗證了該方法的有效性。另外,筆者還基于HHT研究了環(huán)境對南京長江大橋振動模態(tài)參數(shù)的影響規(guī)律,并取得了一定的進(jìn)展,有關(guān)文章將在今后陸續(xù)發(fā)表。4無損檢測技術(shù)損傷檢測一般可分為兩大類,即整體法和局部法。整體法試圖評價整體結(jié)構(gòu)的狀態(tài),確定損傷存在的可疑區(qū)域,而局部法則依靠成熟的無損檢測技術(shù)對某個特定的部位進(jìn)行精確檢測。整體法和局部法在大型橋梁的損傷檢測中結(jié)合使用效果較好。首先由整體法確定損傷的大致位置,然后由局部法對該處的各部件進(jìn)行具體的檢測。本文重點介紹結(jié)構(gòu)的整體檢測方法。損傷的整體檢測方法,從研究和應(yīng)用的角度看,大致可分為動力指紋分析法、模型修正與系統(tǒng)識別法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和遺傳算法。4.1結(jié)構(gòu)損傷定位檢測準(zhǔn)則該方法的基本思想是尋找與結(jié)構(gòu)動力特性相關(guān)的動力指紋,若結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷,則結(jié)構(gòu)參數(shù)如剛度、質(zhì)量、阻尼會發(fā)生變化,從而引起相應(yīng)的動力指紋的變化。常用的動力指紋有頻率、振型、振型曲率、柔度矩陣、應(yīng)變模態(tài)、模態(tài)保證準(zhǔn)則(MAC)和坐標(biāo)模態(tài)保證準(zhǔn)則(COMAC)、殘余力、殘余能量等。如文獻(xiàn)中使用頻率指標(biāo)和有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷定位檢測;文獻(xiàn)中使用結(jié)構(gòu)的前幾階頻率構(gòu)造損傷定位保證標(biāo)準(zhǔn)(DLAC),來識別單個或多個損傷位置;文獻(xiàn)中使用柔度矩陣進(jìn)行橋梁損傷診斷;文獻(xiàn)中的利用殘余力指標(biāo)進(jìn)行損傷定位;文獻(xiàn)中的用殘余能量診斷結(jié)構(gòu)故障;文獻(xiàn)中則指出,以應(yīng)變類指紋(應(yīng)變、應(yīng)變模態(tài)、曲率模態(tài)等)為基礎(chǔ)的損傷定位方法,明顯優(yōu)于以位移類指紋(位移、位移模態(tài)、柔度矩陣等)為基礎(chǔ)的損傷定位方法。指紋類方法無需反演,簡單易行,在一定程度上能識別損傷,但定位的能力還不可靠,特別是在具有多個損傷位置的情況下。4.2對于子結(jié)構(gòu)的參數(shù)估計這種方法的基本思想是使用動力測試資料,如模態(tài)參數(shù)、加速度時程數(shù)據(jù)、頻率響應(yīng)函數(shù)等,通過條件優(yōu)化約束,不斷地修正模型中的剛度分布,使其響應(yīng)盡可能地接近由測試得到的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)。當(dāng)兩者基本吻合時,即認(rèn)為此組參數(shù)為結(jié)構(gòu)當(dāng)前參數(shù)。這種方法在劃分和處理子結(jié)構(gòu)上具有很多優(yōu)點,但是由于測試模態(tài)集不完備、測試自由度不足以及測量信噪比低的原因,很少能夠給出修正所需的足夠信息,導(dǎo)致了解的不唯一。同時采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行參數(shù)估計時易產(chǎn)生病態(tài)方程。對這些問題,一方面可以考慮利用動邊界條件進(jìn)行子結(jié)構(gòu)模型修正以減少未知數(shù),另一方面可以通過良態(tài)建模、合理劃分子結(jié)構(gòu),以及最優(yōu)測點布置來獲取最大信息量予以解決。文獻(xiàn)中針對樣條函數(shù)在梁體結(jié)構(gòu)分析中具有未知量少、求解規(guī)模小、精度較高等特點,在進(jìn)行參數(shù)估計時引入樣條函數(shù)方法,避免了傳統(tǒng)有限元方法帶來的龐大剛度矩陣的負(fù)面影響,從而提高了計算穩(wěn)定性及計算效率。4.3基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本集人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)是由大量并行運算的單一單元,即人工神經(jīng)元組成的具有生物靈性的計算模型。神經(jīng)元之間通過連接系數(shù)(權(quán)值)相連而形成一個完整結(jié)構(gòu)。其用于損傷檢測的基本原理是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行正問題分析,獲得結(jié)構(gòu)在不同損傷狀態(tài)下的動力特性,從而構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本集,然后將樣本集送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,建立輸入?yún)?shù)與損傷狀態(tài)之間的映射關(guān)系,得到用于結(jié)構(gòu)損傷檢測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),將待檢測結(jié)構(gòu)的動力參數(shù)輸入網(wǎng)絡(luò),就可得出損傷信息。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個非線性動力學(xué)系統(tǒng),其特色在于信息的分布式存儲和并行協(xié)同處理。雖然單個神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)很簡單,功能有限,但大量神經(jīng)元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所能實現(xiàn)的行為卻極其豐富。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有集體運算的能力和自適應(yīng)的學(xué)習(xí)能力,此外還具有很強的容錯性、魯棒性以及聯(lián)想記憶功能。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型多種多樣,可從不同角度對生物神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行不同層次的描