論橋梁健康監(jiān)測技術(shù)
2015-02-11 來源：中國論文網(wǎng)
前言
橋梁健康監(jiān)測是指對橋梁結(jié)構(gòu)實施損傷檢測和識別。損傷包括結(jié)構(gòu)體系的幾何特性發(fā)生改變或材料特性改變，以及邊界條件和體系的連續(xù)性的改變。體系的整體連續(xù)性對橋梁的服役能力有至關(guān)重要的作用。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測涉及到通過分析定期采集的布置于橋梁的傳感器陣列的動力響應數(shù)據(jù)來觀察體系隨時間推移產(chǎn)生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數(shù)據(jù)分析來確定結(jié)構(gòu)目前的健康狀態(tài)。
1、橋梁健康監(jiān)測的重要性
橋梁設(shè)施是一個國家的重要基礎(chǔ)設(shè)施,是交通運輸網(wǎng)絡的重要節(jié)點,在國民經(jīng)濟中具有十分重要的地位。橋梁建成并通車后,經(jīng)過長期負荷使用,橋梁結(jié)構(gòu)難免會因各種原因發(fā)生損傷,從而降低橋梁的安全度。為了保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、完整性、適用性與耐久性，已建成的橋梁急需采用有效的技術(shù)手段監(jiān)測和評定其安全狀況，并且及時修復和控制結(jié)構(gòu)損傷。橋梁結(jié)構(gòu)損傷如果不能得到及時的維護和維修，不僅影響行車的安全，縮短橋梁的使用壽命，甚至會發(fā)生橋梁的突然破壞或倒塌等慘痛的事故。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，綜合多個學科領(lǐng)域的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，可以極大延拓橋梁檢測的內(nèi)容，并可連續(xù)地、實時地、在線地對結(jié)構(gòu)“健康”狀態(tài)進行監(jiān)測和評估，確保運營安全和提高橋梁的管理水平。
2、常用的橋梁健康監(jiān)測儀器設(shè)備
2.1光纖傳感器
一套完整的光纖量測系統(tǒng)通常包括光纖傳感器、光源單元、偵測單元、放大單元、控制單元及訊號處理單元等共同組成。拜光纖科技發(fā)展迅速之賜，前述的各個獨立單元絕大部分在現(xiàn)今已可整合為一套光纖感測掃描儀。光纖傳感器種類很多，目前用于橋梁監(jiān)測技術(shù)中的類型主要是Mach-Zehnder干涉型光纖傳感器、Fabry-Perot腔式光纖傳感器、光纖布拉格光柵傳感器。其中光纖布拉格光柵傳感器是當今工程中使用最多的一類傳感器。
2.2壓電式及ICP型加速度傳感器
它是使用最普遍的振動傳感器，特點是穩(wěn)定性好、體積小、使用方便、是中高頻振動的理想傳感器。壓電式加速度計其慣性接收具有零頻率響應，但接上電荷放大器后的整個測量系統(tǒng)不具有零頻率響應。因此，壓電式傳感器常用于中小跨度的橋梁健康監(jiān)測。
2.3電容式加速度傳感器
它是一種適合超低頻測量的振動傳感器，其下限頻率可以達到0Hz，非常適用于極低頻率和靜態(tài)加速度測量。電容式加速度計的生產(chǎn)工藝與信號驅(qū)動要求高，目前主要為進口產(chǎn)品，價格高于電壓式傳感器。
2.4伺服式振動傳感器
它是也測量超低頻微振動的理想傳感器，采用有源或無源閉環(huán)伺服技術(shù)，具有良好的超低頻特性，適合超低頻大量程測量和微振動測量。目前該類傳感器在橋梁測試中應用普遍，但在長期監(jiān)測系統(tǒng)中使用不多。
3、新型結(jié)構(gòu)識別技術(shù)——Hilbert-Huang轉(zhuǎn)換
希爾伯特─黃轉(zhuǎn)換(Hilbert-Huang transform,HHT)乃是近幾年來出現(xiàn)的新型結(jié)構(gòu)識別方法，其首先由Huang等人于1998年提出。此轉(zhuǎn)換主要的特色為先利用所謂的經(jīng)驗模態(tài)分解(empirical mode decomposition, EMD)，根據(jù)信號本身的特征時間尺度將原始訊號分解成多個內(nèi)建模態(tài)函數(shù)(intrinsic mode function,IMF)的組合。由于這些內(nèi)建模態(tài)函數(shù)都可證明具有優(yōu)良的希爾伯特轉(zhuǎn)換特性，因此可進一步以其為基底進行新定義的希爾伯特─黃轉(zhuǎn)換，如此便可以推導出系統(tǒng)瞬時頻率與時間及系統(tǒng)能量與瞬時頻率的相互關(guān)系。
3.1經(jīng)驗模態(tài)分解法的步驟
經(jīng)驗模態(tài)分解法的主要步驟在于進行所謂的篩分程序(sifting process)。首先針對原始訊號y(t)的各個極大值峰點與極小值谷點，分別利用三次弧線(cubic spline)建立上包絡線與下包絡線。接著將原始訊號減去平均上下包絡線產(chǎn)生之均值包絡線，如此即完成一次篩分程序。然后再持續(xù)重復進行這項篩分程序，一直到新產(chǎn)生的訊號滿足內(nèi)建模態(tài)函數(shù)的條件。達成這樣的收斂程序后便是找出第一個內(nèi)建模態(tài)函數(shù)c1(t)，而后將y(t)減去c1(t)再重復上述篩分程序找出第二個內(nèi)建模態(tài)函數(shù)c2(t),以此類推一直到求出所有m個IMF，并只剩下無法再解析出內(nèi)建模態(tài)函數(shù)的剩余函數(shù)(residue)r(t)為止。經(jīng)由上述這套運算，原始訊號y(t)自然分解成：m個內(nèi)建模態(tài)函數(shù)和一個剩余函數(shù)之和。
3.2設(shè)定通過頻率
不過值得特別注意的是，EMD乃是完全根據(jù)原始信號的一種后設(shè)方法，經(jīng)由其分解出來的各個IMF雖然都具良好的希爾伯特轉(zhuǎn)換特性，但卻可能包含不止一個頻率的組成。也就是說，IMF并不代表系統(tǒng)各個單獨的模態(tài)反應，必須進一步處理才可能用來進行模態(tài)參數(shù)識別。經(jīng)驗模態(tài)分解法提出以后，接續(xù)的一項重要發(fā)展是加入在篩分程序中設(shè)定通過頻率(intermittency frequency)的功能。這個通過頻率的設(shè)定，可以使收斂后的IMF僅含高于此頻率的分量，而完全排除低于此頻率的內(nèi)容。藉由這項工具，欲利用EMD分離出系統(tǒng)各個模態(tài)的反應便能透過下列步驟達成：(1)估計出第j 模態(tài)頻率的范圍wjl3.3結(jié)構(gòu)參數(shù)識別
因為每個模態(tài)可以視為一個獨立的單自由度系統(tǒng)，所以分解出各個模態(tài)反應后便可各自進行參數(shù)識別。HHT方法乃是對信號進行EMD后，接著對各個IMF再取希爾伯特轉(zhuǎn)換。利用希爾伯特轉(zhuǎn)換由一個單自由度阻尼系統(tǒng)之自由振動反應來識別自然頻率與阻尼比，其程序與方程式幾乎與小波轉(zhuǎn)換完全相同。當然最基本的唯一差別在于，對訊號進行的并非小波轉(zhuǎn)換，而是先求出y(t)的希爾伯特轉(zhuǎn)換再組合出y(t)的解析信號，最后由解析信號的振幅函數(shù)與相位角函數(shù)可以分別識別出橋梁結(jié)構(gòu)的頻率和阻尼比。
