試析橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)
2015-06-23
橋梁結(jié)構(gòu)安全是保證橋梁安全運(yùn)營(yíng)的重要前提，隨著我國(guó)大跨度橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展，橋梁的安全性越來(lái)越為社會(huì)各界所關(guān)注，國(guó)內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)分析技術(shù)不斷提高，并逐漸應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)的安全檢測(cè)中，為確保我國(guó)橋梁的安全運(yùn)營(yíng)，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命提供了技術(shù)保證。
一、橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)
橋梁結(jié)構(gòu)的安全檢測(cè)主要包括結(jié)構(gòu)的病害診斷和狀態(tài)檢測(cè)兩個(gè)過(guò)程，兩者之間既相互聯(lián)系又有所區(qū)別，其中病害診斷是一種較高層次的橋梁安全結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)，這種監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅要求對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害的部位和原因作出判斷評(píng)估，而且還要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)作出初步診斷，檢測(cè)結(jié)果可以給橋梁的結(jié)構(gòu)管理決策提供科學(xué)依據(jù)，這種監(jiān)測(cè)技術(shù)又被稱為精密診斷。狀態(tài)檢測(cè)則是通過(guò)一些方法對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，特別是應(yīng)力、溫度、變形、振動(dòng)等進(jìn)行測(cè)量，以此來(lái)判別橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)是否正常，所以狀態(tài)檢測(cè)又稱為簡(jiǎn)易診斷，主要是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)有無(wú)病害進(jìn)行評(píng)判，通常情況下，技術(shù)人員只要選擇恰當(dāng)?shù)臋z測(cè)周期、測(cè)點(diǎn)以及檢測(cè)參數(shù)就能取得較好的檢測(cè)效果。簡(jiǎn)易診斷是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)做出迅速有效的概括性評(píng)價(jià)，與此同時(shí)，技術(shù)人員還需要結(jié)合監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)作出初步判斷；而精密診斷主要是針對(duì)簡(jiǎn)易診斷中判定的有異常的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的測(cè)量和評(píng)估，最后確定使用哪種必要的技術(shù)措施對(duì)其加以修正。就橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的全過(guò)程而言，狀態(tài)監(jiān)測(cè)是保證橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)工作，為此技術(shù)人員必須保證狀態(tài)監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，病害診斷是在狀態(tài)檢測(cè)基礎(chǔ)上的深化和發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)的病害控制是病害診斷的最終目標(biāo)。
在橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)過(guò)程中，如果橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了病害，檢測(cè)參數(shù)就會(huì)表現(xiàn)出與正常狀態(tài)不同的特征，而這種差異往往包含有豐富的信息，橋梁結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)的目的在于通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)尋找橋梁結(jié)構(gòu)病害的特征，并對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)安全度進(jìn)行深入探究。橋梁結(jié)構(gòu)的安全檢測(cè)一般包括橋梁結(jié)構(gòu)病害分離與評(píng)估、病害特征提取、評(píng)價(jià)與決策等幾方面。
1.橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)
橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)檢測(cè)分為連續(xù)監(jiān)測(cè)和定期監(jiān)測(cè)兩種，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括表面形貌監(jiān)測(cè)、強(qiáng)度監(jiān)測(cè)、性能趨向監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、聲學(xué)監(jiān)測(cè)和振動(dòng)監(jiān)測(cè)等，對(duì)于不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象，受其工作性能控制因素的不同，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的物理參數(shù)也各不相同，其中振動(dòng)和噪聲檢測(cè)在橋梁檢測(cè)中的使用最廣泛，對(duì)于一些大型橋梁通常是以強(qiáng)度監(jiān)測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)以及表明形貌監(jiān)測(cè)為主要目標(biāo)。在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，技術(shù)人員一定要嚴(yán)格監(jiān)測(cè)對(duì)象的選擇，通常情況下，應(yīng)該選擇靈敏度較高的特征參數(shù)作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
2.橋梁結(jié)構(gòu)的病害診斷
依照橋梁結(jié)構(gòu)病害特征和決策方法的不同，橋梁結(jié)構(gòu)病害診斷形成了不同的診斷方法，主要包括不依賴于模型和診斷方法和依賴于模型的診斷方法，針對(duì)這兩種診斷方法，使用的決策和分離方法主要有五種。其一，模糊數(shù)學(xué)法，在系統(tǒng)裝填不確定或不分明時(shí)，可以使用模糊集來(lái)描述，技術(shù)人員可以通過(guò)使用模糊聚類分析將模糊集分成不同水平的子集，并以此來(lái)判別病害最有可能屬于的子集。
其二，模式識(shí)別法，使用這種診斷方法需要進(jìn)行離線分析和在線診斷，所謂離線分析是指通過(guò)離線分析來(lái)確定可以表達(dá)結(jié)構(gòu)狀態(tài)特征向量集以及以該特征向量集所描述的病害模式向量，并以此形成病害的基本模式集；在線診斷需要實(shí)時(shí)提取結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征向量，并通過(guò)判別函數(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行分離定位。
其三，專家系統(tǒng)法，這種方法是通過(guò)該領(lǐng)域一些專家的觸覺、聽覺、嗅覺以及視覺來(lái)獲得一些客觀事實(shí)，然后依照橋梁結(jié)構(gòu)以及病害歷史對(duì)橋梁病害的部位和原因作出判斷。這種診斷方法尤其適用于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的橋梁病害故障診斷。
其四，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，這種診斷方法在橋梁結(jié)構(gòu)病害診斷時(shí)分為兩個(gè)階段，首先是學(xué)習(xí)階段，技術(shù)人員需要選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和模型，同時(shí)借助一定的學(xué)習(xí)算法，反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征以及干擾影響的變量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)編碼是期望輸出，形成輸入/期望輸出的樣本，進(jìn)而確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的閾值和權(quán)值，在學(xué)習(xí)收斂之后再凍結(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的閾值和權(quán)值。診斷階段是使訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處于回想狀態(tài)，對(duì)于給定的輸入，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出，通過(guò)輸出與狀態(tài)編碼之間的比較，確定病害。
最后是對(duì)比診斷法，這種診斷方法的使用范圍最為廣泛，技術(shù)人員首先通過(guò)初期的統(tǒng)計(jì)歸納和計(jì)算分析，確定與各個(gè)狀態(tài)相一致的征兆，最后把征兆和基準(zhǔn)模式相比較，獲得橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。
二、橋梁結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)的動(dòng)力響應(yīng)法
橋梁結(jié)構(gòu)的在各種激勵(lì)下的功力響應(yīng)是其整體狀態(tài)的一種度量，橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞而發(fā)生病害時(shí)會(huì)有所改變，動(dòng)力響應(yīng)也會(huì)因此而發(fā)生變化，橋梁結(jié)構(gòu)的這些變化可以通過(guò)振動(dòng)測(cè)試方法得到。動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測(cè)又可以分為動(dòng)力系數(shù)法和振動(dòng)模態(tài)法兩種。
所謂動(dòng)力系數(shù)是橋梁由于振動(dòng)而增加的動(dòng)撓度或者應(yīng)力對(duì)靜載所增值的比率。在橋梁發(fā)生病害時(shí)，橋梁的動(dòng)力系數(shù)會(huì)增加，技術(shù)人員可以使用電阻應(yīng)變片或者紅外線撓度儀來(lái)測(cè)量橋梁的動(dòng)靜應(yīng)力和動(dòng)靜撓度信號(hào)，之后再使用信號(hào)采集系統(tǒng)的信號(hào)，對(duì)動(dòng)力系數(shù)是否超出標(biāo)準(zhǔn)值加以分析，最后對(duì)橋梁的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。動(dòng)力系數(shù)法的使用較為簡(jiǎn)單，只需要把傳感器安裝在橋梁上即可，對(duì)環(huán)境沒有污染，操作成本較低，而且可以長(zhǎng)期進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作。例如車輛在橋面行駛時(shí)，橋梁會(huì)發(fā)生振動(dòng)，技術(shù)人員可以在橋梁的關(guān)鍵部位安裝一些拾振器，諸如速度傳感器、加速度計(jì)以及應(yīng)變傳感器等，通過(guò)這些設(shè)備來(lái)測(cè)量橋梁的動(dòng)力響應(yīng)，進(jìn)而判斷恰頻率的相應(yīng)值是否超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，并由此對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性能做出相應(yīng)評(píng)估。
振動(dòng)模態(tài)是準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)各種參數(shù)變化以及評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)病害程度的方法。橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)可以使用常規(guī)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試分析得到，這種振動(dòng)方法實(shí)施起來(lái)，不僅安全有效而且比較經(jīng)濟(jì)，振動(dòng)模態(tài)在其他領(lǐng)域的使用為該技術(shù)在橋梁監(jiān)測(cè)中的使用積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，所以振動(dòng)模態(tài)測(cè)量在橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)中的使用越來(lái)越多。在進(jìn)行模態(tài)監(jiān)測(cè)分析時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)該注意數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅骱驼駝?dòng)測(cè)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、便捷的可控激振方法，分析軟件，從含噪聲的測(cè)試信號(hào)中提取期望的模態(tài)信息。對(duì)振動(dòng)模態(tài)測(cè)量而言，結(jié)構(gòu)病害敏感參數(shù)的選擇是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，這些敏感參數(shù)一般可以分為兩種，一種是盈利應(yīng)變參數(shù)，例如應(yīng)變能、應(yīng)力分布以及應(yīng)變模態(tài)等，另一種是振動(dòng)模態(tài)參數(shù)，例如阻尼比、固有頻率以及模態(tài)振型。
結(jié)語(yǔ)：
橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)是保證橋梁安全運(yùn)營(yíng)的重要手段，隨著橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性逐漸提高，在一定程度上保證了我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，延長(zhǎng)了橋梁的使用壽命。
