橋梁健康監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展綜述

橋梁健康監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展綜述摘要：隨著中國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的不斷發(fā)展，既有橋梁受環(huán)境與自身壽命的影響，需要在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中定期進(jìn)行管理與養(yǎng)護(hù)。文章對(duì)現(xiàn)階段橋梁檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究發(fā)展進(jìn)行概括總結(jié)，包括模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法、頻域和時(shí)域方法的對(duì)比以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別和損傷評(píng)估的最新研究進(jìn)展。同時(shí)，針對(duì)當(dāng)前面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)對(duì)未來(lái)橋梁的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期為橋梁檢測(cè)和監(jiān)測(cè)方向的研究人員和工程技術(shù)人員提供參考。關(guān)

鍵

詞：橋梁；健康監(jiān)測(cè)；檢測(cè)；綜述中圖分類號(hào)：O319.56

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控與評(píng)估，為大橋在特殊氣候、交通條件下或者運(yùn)營(yíng)情況嚴(yán)重異常觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為橋梁維護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)[1]。一個(gè)典型的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常是由三個(gè)主要部分組成：傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（包括數(shù)據(jù)收集、傳輸和存儲(chǔ)）和健康評(píng)價(jià)系統(tǒng)（損傷識(shí)別），其核心的結(jié)構(gòu)是損傷識(shí)別[2]。就筆者看來(lái)，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在一定的效益—成本準(zhǔn)則下，完成預(yù)設(shè)既定功能目標(biāo)的方法。橋梁健康監(jiān)測(cè)理論研究主要針對(duì)于結(jié)構(gòu)整體性評(píng)估和損傷識(shí)別。其中整體性評(píng)估包括模式識(shí)別法、系統(tǒng)識(shí)別法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[3]，損傷識(shí)別方法包括模型修正法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等有模型的損傷識(shí)別方法和動(dòng)力指紋分析法、小波變換、HHT法等無(wú)模型的損傷識(shí)別方法[4]。本文主要綜述上述理論方法中的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別（又稱系統(tǒng)識(shí)別法）和結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別與損傷評(píng)估，因?yàn)檫@兩大方面是近期橋梁健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的主要研究進(jìn)展方向。1

結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)，可以通過(guò)多種途徑對(duì)橋梁進(jìn)行評(píng)估，其采用數(shù)據(jù)的來(lái)源通常可以分為兩類：1）各項(xiàng)檢查、局部監(jiān)測(cè)和荷載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；2）健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。分別為現(xiàn)行規(guī)范橋梁評(píng)估方法和基于健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)估方法，而基于健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)估方法指對(duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的信息進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的健康和安全狀態(tài)作出評(píng)價(jià)，以避免發(fā)生具有漸變性質(zhì)的重大安全事故，同時(shí)為橋梁的日常管理及正常維護(hù)提供參考。在溫度荷載及效應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能與狀態(tài)影響方面，Zhou等[5]基于健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了大跨度斜拉橋時(shí)變溫差對(duì)結(jié)構(gòu)梁長(zhǎng)、撓度變化的影響機(jī)制，通過(guò)平面幾何和有限元方法分析了變溫荷載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)模態(tài)及溫度效應(yīng)敏感性簡(jiǎn)化公式，該簡(jiǎn)化公式可為大跨橋梁的溫度效應(yīng)分析提供支撐。為解決結(jié)構(gòu)響應(yīng)與溫度荷載之間存在的時(shí)滯效應(yīng)問(wèn)題，Yang等[6]提出了基于傅里葉級(jí)數(shù)展開擬合的相移方法，有效地減小了結(jié)構(gòu)溫度熱響應(yīng)的滯后回線面積，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)與溫度變化間的相關(guān)性，提高了系統(tǒng)評(píng)估預(yù)警的時(shí)效性和可靠性。在風(fēng)致橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)評(píng)估方面，Xu等[7]提出了基于風(fēng)致脈動(dòng)壓力正交分解和子結(jié)構(gòu)有限元模型的大跨度分體式鋼箱梁斜拉橋抖振應(yīng)力分析方法。Ye等[8]基于西堠門大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算了風(fēng)場(chǎng)特征值，并分析了湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子、平均風(fēng)特征三者之間的關(guān)系，進(jìn)一步分析了臺(tái)風(fēng)“?？薄ⅰ盃N鴻”等對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)。當(dāng)前，極端風(fēng)環(huán)境及惡劣天氣頻發(fā)，極端風(fēng)環(huán)境作用下的橋梁安全性評(píng)估是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，特別在極端非平穩(wěn)風(fēng)速下，橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)及安全性評(píng)估是當(dāng)前亟需解決的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。2

損傷評(píng)估結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的方法可以分為局部法和整體法，局部法依靠無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)特定構(gòu)件進(jìn)行精確的檢測(cè)、查找、描述缺陷部位。它包括聲波或超聲波方法、磁場(chǎng)方法、雷達(dá)成像、射線法、渦流以及溫度場(chǎng)等方法，以上方法均要求事先知道損傷的近似位置或損傷的部位可以接近[4]，這就限制了局部法的應(yīng)用。損傷整體識(shí)別方法多是基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的損傷識(shí)別方法，其優(yōu)點(diǎn)是可以利用環(huán)境的激勵(lì)引起結(jié)構(gòu)自身的振動(dòng)，進(jìn)而測(cè)得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。在橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能受損失效，輕則堵塞交通、影響正常使用，重則引起橋梁整體性能惡化、縮短全橋的運(yùn)營(yíng)使用壽命。近年來(lái)，公路或鐵路大跨橋梁伸縮縫過(guò)早失效的現(xiàn)象越來(lái)越多，因此關(guān)于伸縮縫磨損狀態(tài)評(píng)估與剩余壽命預(yù)測(cè)的相關(guān)研究一直備受關(guān)注。Hu[9]對(duì)大跨度懸索橋進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，揭示了伸縮縫縱向運(yùn)動(dòng)的機(jī)理和響應(yīng)特性，最終證明：1）溫度變化導(dǎo)致伸縮縫縱向運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)現(xiàn)象，縱向位移的均方根與溫度呈顯著的線性關(guān)系；2）伸縮縫縱向位移中的高頻分量主要因車輛和環(huán)境激勵(lì)引起；3）車輛激勵(lì)引起的橋梁動(dòng)力響應(yīng)對(duì)伸縮縫的累積縱向位移起主導(dǎo)作用。然而，確定性模型無(wú)法解釋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的不確定性，因此Ni[10]提出了一種利用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表征橋梁溫度與伸縮縫位移之間回歸模式的貝葉斯概率方法，該方法能夠考慮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中包含的不確定性，量化模型誤差和預(yù)測(cè)不確定性，對(duì)伸縮縫的健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并在損傷概率超過(guò)某一閾值時(shí)提出損傷報(bào)警。拉索是纜索支撐橋梁(即斜拉橋、懸索橋、系桿拱橋及其組合形式)安全的關(guān)鍵，因此拉索張力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是該類橋梁狀態(tài)監(jiān)測(cè)和損傷診斷的必要環(huán)節(jié)。既有研究已基本實(shí)現(xiàn)了通過(guò)拉索振動(dòng)信號(hào)來(lái)識(shí)別索力，但關(guān)于索力瞬時(shí)變化的監(jiān)測(cè)一直懸而未決；為解決此問(wèn)題，Zhang[11]提出利用拉索加速度響應(yīng)的同步壓縮短時(shí)傅里葉變換來(lái)識(shí)別斜拉橋拉索的瞬時(shí)張力，然后通過(guò)與現(xiàn)有方法進(jìn)行了比較，采用數(shù)值方法證明了該算法在表征拉索瞬時(shí)張力方面的優(yōu)點(diǎn)。Hou[37]利用某大跨斜拉橋累積一年的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了索力時(shí)變特征與GPS位移響應(yīng)的趨勢(shì)(即索力的變化滯后于GPS位移)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：橋梁結(jié)構(gòu)承受的實(shí)際荷載統(tǒng)計(jì)特性與設(shè)計(jì)值有所不同，實(shí)際荷載的離散性通常大于設(shè)計(jì)荷載的離散性；目前基于荷載性能函數(shù)的包絡(luò)線設(shè)計(jì)偏保守，應(yīng)適當(dāng)降低結(jié)構(gòu)的可靠性指標(biāo)，以利于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。3

結(jié)

語(yǔ)“橋梁模態(tài)自動(dòng)化識(shí)別”研究依然是橋梁健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力特性仍是不容忽視的監(jiān)測(cè)部分。此外，橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與損傷評(píng)估取得了較大研究進(jìn)展。隨著中國(guó)橋梁的不斷建設(shè)發(fā)展，巨大的存量和增量為橋梁健康和安全帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)也為橋梁檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)踐和創(chuàng)新帶來(lái)了巨大機(jī)遇。隨著人工智能、5G通信、大數(shù)據(jù)以及云計(jì)算的發(fā)展和普及，未來(lái)橋梁的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)可以歸納為以下幾個(gè)方面：1）從破壞性檢測(cè)向無(wú)損檢測(cè)轉(zhuǎn)變；2）從人工檢測(cè)向機(jī)械智能檢測(cè)轉(zhuǎn)變；3）數(shù)據(jù)采集方式從人工記錄向系統(tǒng)自動(dòng)采集轉(zhuǎn)變；4）從周期性檢測(cè)、檢查向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變；5）檢測(cè)手段從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操向智能感知轉(zhuǎn)變；6）檢測(cè)裝置從臨時(shí)性設(shè)備向長(zhǎng)期性預(yù)埋傳感器轉(zhuǎn)變；7）檢測(cè)評(píng)估從少量抽樣數(shù)據(jù)研判向大數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)變。參考文獻(xiàn)(References)：[1]張啟偉．大型橋梁健康監(jiān)測(cè)概念與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001(01):65-69.[2]宋來(lái)健，王景全．土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究進(jìn)展[A]．中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)．中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)2018年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C]．中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)：中國(guó)土木工程學(xué)會(huì),2018:12.[3]ZHOUY,SUNLM.Insightsintotemperature