試析橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測
2015-06-23
橋梁結(jié)構(gòu)安全是保證橋梁安全運營的重要前提，隨著我國大跨度橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展，橋梁的安全性越來越為社會各界所關(guān)注，國內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)檢測分析技術(shù)不斷提高，并逐漸應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)的安全檢測中，為確保我國橋梁的安全運營，延長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
橋梁結(jié)構(gòu)的安全檢測主要包括結(jié)構(gòu)的病害診斷和狀態(tài)檢測兩個過程，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)測技術(shù)，這種監(jiān)測技術(shù)不僅要求對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害的部位和原因作出判斷評估，而且還要對橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)作出初步診斷，檢測結(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)測技術(shù)又被稱為精密診斷。狀態(tài)檢測則是通過一些方法對橋梁結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，特別是應(yīng)力、溫度、變形、振動等進(jìn)行測量，以此來判別橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)是否正常，所以狀態(tài)檢測又稱為簡易診斷，主要是對橋梁結(jié)構(gòu)有無病害進(jìn)行評判，通常情況下，技術(shù)人員只要選擇恰當(dāng)?shù)臋z測周期、測點以及檢測參數(shù)就能取得較好的檢測效果。簡易診斷是對橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)做出迅速有效的概括性評價，與此同時，技術(shù)人員還需要結(jié)合監(jiān)測經(jīng)驗對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)作出初步判斷；而精密診斷主要是針對簡易診斷中判定的有異常的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的測量和評估，最后確定使用哪種必要的技術(shù)措施對其加以修正。就橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的全過程而言，狀態(tài)監(jiān)測是保證橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測準(zhǔn)確的基礎(chǔ)工作，為此技術(shù)人員必須保證狀態(tài)監(jiān)測采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，病害診斷是在狀態(tài)檢測基礎(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)檢測過程中，如果橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了病害，檢測參數(shù)就會表現(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)安全檢測的目的在于通過監(jiān)測數(shù)據(jù)尋找橋梁結(jié)構(gòu)病害的特征，并對橋梁的結(jié)構(gòu)安全度進(jìn)行深入探究。橋梁結(jié)構(gòu)的安全檢測一般包括橋梁結(jié)構(gòu)病害分離與評估、病害特征提取、評價與決策等幾方面。
1.橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測
橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)檢測分為連續(xù)監(jiān)測和定期監(jiān)測兩種，主要監(jiān)測內(nèi)容包括表面形貌監(jiān)測、強(qiáng)度監(jiān)測、性能趨向監(jiān)測、溫度監(jiān)測、聲學(xué)監(jiān)測和振動監(jiān)測等，對于不同的監(jiān)測對象，受其工作性能控制因素的不同，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的物理參數(shù)也各不相同，其中振動和噪聲檢測在橋梁檢測中的使用最廣泛，對于一些大型橋梁通常是以強(qiáng)度監(jiān)測、振動監(jiān)測以及表明形貌監(jiān)測為主要目標(biāo)。在對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測時，為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，技術(shù)人員一定要嚴(yán)格監(jiān)測對象的選擇，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，可以使用模糊集來描述，技術(shù)人員可以通過使用模糊聚類分析將模糊集分成不同水平的子集，并以此來判別病害最有可能屬于的子集。
其二，模式識別法，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離線分析來確定可以表達(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；在線診斷需要實時提取結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征向量，并通過判別函數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行分離定位。
其三，專家系統(tǒng)法，這種方法是通過該領(lǐng)域一些專家的觸覺、聽覺、嗅覺以及視覺來獲得一些客觀事實，然后依照橋梁結(jié)構(gòu)以及病害歷史對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)病害診斷時分為兩個階段，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，同時借助一定的學(xué)習(xí)算法，反映系統(tǒng)的動態(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)，對于給定的輸入，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出，通過輸出與狀態(tài)編碼之間的比較，確定病害。
最后是對比診斷法，這種診斷方法的使用范圍最為廣泛，技術(shù)人員首先通過初期的統(tǒng)計歸納和計算分析，確定與各個狀態(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)安全檢測的動力響應(yīng)法
橋梁結(jié)構(gòu)的在各種激勵下的功力響應(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)生病害時會有所改變，動力響應(yīng)也會因此而發(fā)生變化，橋梁結(jié)構(gòu)的這些變化可以通過振動測試方法得到。動力響應(yīng)監(jiān)測又可以分為動力系數(shù)法和振動模態(tài)法兩種。
所謂動力系數(shù)是橋梁由于振動而增加的動撓度或者應(yīng)力對靜載所增值的比率。在橋梁發(fā)生病害時，橋梁的動力系數(shù)會增加，技術(shù)人員可以使用電阻應(yīng)變片或者紅外線撓度儀來測量橋梁的動靜應(yīng)力和動靜撓度信號，之后再使用信號采集系統(tǒng)的信號，對動力系數(shù)是否超出標(biāo)準(zhǔn)值加以分析，最后對橋梁的安全狀態(tài)進(jìn)行評估。動力系數(shù)法的使用較為簡單，只需要把傳感器安裝在橋梁上即可，對環(huán)境沒有污染，操作成本較低，而且可以長期進(jìn)行在線監(jiān)測，或者通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作。例如車輛在橋面行駛時，橋梁會發(fā)生振動，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、加速度計以及應(yīng)變傳感器等，通過這些設(shè)備來測量橋梁的動力響應(yīng)，進(jìn)而判斷恰頻率的相應(yīng)值是否超過標(biāo)準(zhǔn)值，并由此對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性能做出相應(yīng)評估。
振動模態(tài)是準(zhǔn)確監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)各種參數(shù)變化以及評估橋梁結(jié)構(gòu)病害程度的方法。橋梁結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)可以使用常規(guī)的試驗?zāi)B(tài)測試分析得到，這種振動方法實施起來，不僅安全有效而且比較經(jīng)濟(jì)，振動模態(tài)在其他領(lǐng)域的使用為該技術(shù)在橋梁監(jiān)測中的使用積累了豐富的實踐經(jīng)驗，所以振動模態(tài)測量在橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測中的使用越來越多。在進(jìn)行模態(tài)監(jiān)測分析時，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)膫鞲衅骱驼駝訙y點網(wǎng)絡(luò)、便捷的可控激振方法，分析軟件，從含噪聲的測試信號中提取期望的模態(tài)信息。對振動模態(tài)測量而言，結(jié)構(gòu)病害敏感參數(shù)的選擇是一個重要環(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：
橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測是保證橋梁安全運營的重要手段，隨著橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測的準(zhǔn)確性逐漸提高，在一定程度上保證了我國橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，延長了橋梁的使用壽命。
