橋結構結構健康監(jiān)測綜述

PAGE橋結構結構健康監(jiān)測綜述自動損傷識別自動損傷識別是真正意義上的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的核心,是目前國際上的研究熱點,目前還在研究階段。1自動損傷識別的方法不同國家的學者已經(jīng)研究出許多自動識別損傷的方法,這些方法可用來形成軟件,安裝在橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中。自動識別損傷的方法大致可分為兩類:(1)無模型的識別方法:它們不使用結構模型,屬于這類方法的有:基于PRF的損傷識別指標[2]方法,包括WaveformChainCode(WCC,其中又包括量測FRF的斜率差和曲率差)、AdaptiveTemplateMethods(ATM)和SignatureAssuranceCriteria(SAC)。此外還有人工神經(jīng)元網(wǎng)絡、ARMA模型、模式識別等。(2)有模型的識別方法:它們使用結構的有限元模型進行識別。這類方法又可分為兩種:基于模態(tài)參數(shù)的識別方法和直接的系統(tǒng)識別方法。基于模態(tài)參數(shù)的識別方法分為兩步,首先通過動測進行模態(tài)參數(shù)(自振頻率、振型、振型阻尼比、應變模態(tài))識別,然后通過模態(tài)參數(shù)識別損傷。第二步工作又有兩種方法,一種是通過損傷識別指標進行識別,由于模態(tài)參數(shù)對損傷不敏感,長期以來人們試圖對模態(tài)參數(shù)進行加工,以提高其對損傷的靈敏度,定義了損傷識別指標后,可把它當作結構指紋,通過比較完好狀態(tài)的結構指紋和受損狀態(tài)的結構指紋來識別損傷。已經(jīng)定義的損傷識別指標如下[2]:基于振型的損傷識別指標有CoordinateModalAssuranceCriteria(COMAC)、曲率模態(tài)差和柔度矩陣差;基于應變模態(tài)的損傷識別指標有應變模態(tài)差。評價損傷識別指標優(yōu)劣的標準是對結構損傷的靈敏度。上述指標中曲率模態(tài)差、柔度矩陣和應變模態(tài)差對結構損傷的靈敏度較高。由模態(tài)參數(shù)識別損傷第二步工作的另一種方法是由模態(tài)參數(shù)確定結構的剛度矩陣的變化,是一種形式的參數(shù)估值問題。直接的系統(tǒng)識別方法則直接由結構反應確定結構的剛度矩陣,是另一種形式參數(shù)估值問題。參數(shù)估值問題也稱逆問題,因為它們是由結構反應推斷結構參數(shù),就是由方程組的解反求方程組的系數(shù)。數(shù)學上都是不定問題(方程數(shù)少于未知量數(shù)),只能通過使人為定義的誤差函數(shù)最小進行求解。一般由結構模型的總自由度向量測自由度進行GuyneReduction后,建立誤差函數(shù),使之最小而求剛度矩陣中的各元素。2自動損傷識別工作內容自動損傷識別及后續(xù)工作的主要環(huán)節(jié)及其間關系見圖1。施加荷載的類型、方式和誤差分析所需的參數(shù)見圖2。量測結構的各種反應的傳感器及直接的數(shù)據(jù)處理。圖1自動損傷識別及后續(xù)工作的主要環(huán)節(jié)圖2施加荷載的類型、方式和應注意的問題3結構反應量測的幾個重要問題（1）傳感器的選擇和放置傳感器是損傷監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵之一。傳感器必須給出高質量的結構反應數(shù)據(jù),這是損傷識別的前提。首先要選擇傳感器的類型,這時不僅根據(jù)要量測的結構反應,還要考慮施工情況,有些傳感器只能在施工期間安放,有些又需在施工前安放。施工期間能否保證傳感器不受損傷,是選擇傳感器的重要因素之一。然后是確定傳感器的位置和數(shù)量,這時要清醒估計結構的易損部位以及結構的不同反應的特點。量測靜動反應有不同要求。已有一些優(yōu)選方法,大都依靠結構的總體分析模型例如用遺傳算法選擇傳感器位置。(2)誤差分析是結構損傷識別的前提不知道模態(tài)識別和系統(tǒng)識別結果的誤差,就得不到系統(tǒng)參數(shù)改變的可靠估值,也就得不到可靠的損傷識別結果。誤差分析需要知道誤差源。誤差源包括傳感器的精度、分辨率、噪音和零點漂移、AD變換的字長、信號濾波和放大時的畸變信號傳輸時的噪音、結構反應量測值的精度和信度、模態(tài)識別和系統(tǒng)識別算法的誤差。誤差分析應使用可靠的誤差分析的方法來分析誤差的傳播和積累,以確定損傷識別結果的精度和信度。(3)可靠的時間坐標它是長期監(jiān)測的重要問題。幾十年間反復啟動,反復停機情況下,所有載荷和反應的記錄的時間坐標必須保持同步。(4)記錄數(shù)據(jù)的選擇和歸檔它是長期監(jiān)測必須解決的問題。上千個傳感器每秒鐘都在采樣,一年就需1580G的存儲空間。因此存儲前必須精練這些數(shù)據(jù),刪除有毛病的數(shù)據(jù)。4模態(tài)識別模態(tài)識別使用結構動力反應數(shù)據(jù)確定結構的模態(tài)參數(shù)。(1)模態(tài)識別的方法近年來發(fā)展迅速,不斷出現(xiàn)新的高效的識別方法,主要是時域法和時頻域法,以適應輸入和結構反應的非平穩(wěn)性、非白噪聲性和非線性,并提高計算速度。其中頻域法仍使用FFT,但有各種改進;時域法中,輸入的方法有各種MIMO和SIMO方法,基于脈動輸入的方法有RD函數(shù)、ARMA、Hilbert變換和Kalman濾波等;基于脈沖反應的方法有IbrahimeDomain(ITD)、EigenRealizationAlgorithms(ERA)等,其中ITD方法更適用于有非經(jīng)典阻尼的結構,它直接識別復模態(tài),需要由復模態(tài)求實模態(tài);時頻域法有Wignar分布等。(2)誤差分析損傷識別的能力取決于所識別的模態(tài)參數(shù)的精度,必須進行模態(tài)參數(shù)的誤差分析。5不同損傷識別方法的精度通過損傷識別指標識別必須知道不同損傷識別指標可識別的最小損傷以及識別結果的精度,因此需進行各類損傷識別指標的誤差分析。但參數(shù)估值法問題,無論由模態(tài)參數(shù)識別損傷(剛度矩陣的變化),還是直接由結構反應識別損傷所得到的參數(shù)估值問題,都得不到真解,故無法分析誤差。6結構分析為結構損傷識別所需的試驗,從選擇傳感器的類型和量程、測點和數(shù)量,直到參數(shù)估值,自始至終離不開結構分析,這里沒有分析的試驗毫無意義。因此,建立結構的分析模型是損傷識別的一個關鍵問題。建立結構的分析模型需適當考慮結構的非線性、非彈性、邊界條件、阻尼模型和結構參數(shù)中的不定性。7結構可靠性評定(1)作用——識別出的結構損傷還不能直接用作結構維修決策的依據(jù),要用有損結構的剩余安全性進行維修決策。(2)目前國內外的結構設計規(guī)范普遍依據(jù)結構可靠度理論。不再采用不合理的單一安全系數(shù),而采用多系數(shù)法。用剩余可靠度而不是剩余安全系數(shù)評估有損結構的安全性是發(fā)展趨勢。結構失效用兩類極限狀態(tài)表示——承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。有損結構的剩余安全性可用針對這兩類極限狀態(tài)的可靠度或可靠度指標表示。進一步,依據(jù)結構可靠度理論的結構設計規(guī)范的構件設計公式可直接給出構件利用率(Utilization)構件利用率=乘以荷載分項系數(shù)的荷載效應之和/乘以抗力分項系數(shù)的構件抗力式中構件抗力由損傷識別結果計算。用構件剩余可靠度標定利用率后,由構件利用率進行維修決策更方便。(3)近年來,隨機有限元技術迅速發(fā)展,隨機有限元程序可方便地給出構件余可靠度甚至結構系統(tǒng)可靠度。計算結構系統(tǒng)可靠度有一定困難,但基于結構系統(tǒng)可靠度的維修決策更合理。8監(jiān)測系統(tǒng)自身的監(jiān)測、維修和管理電子系統(tǒng)的使用壽命遠小于工程結構的壽命,而且更易受到破壞。為使監(jiān)測系統(tǒng)能長期獨立工作,必須能自動檢查電源、傳感器