读书报告—桥梁监测与状态评估的发展动态

1、桥梁健康检测与监测摘 要：报告主要阐述了桥梁健康检测的定义，比较了传统桥梁检测和健康检测的异同。无损检测技术是桥梁工程健康检测的主要技术手段，总结了无损检测技术的类型及其在桥梁工程中的应用。另一方面，报告还阐述了桥梁健康监测的定义、研究动态、健康监测系统和发展趋势。关键词：桥梁检测；无损检测技术；桥梁监测；发展趋势1 桥梁健康检测1.1 传统桥梁检测我国现代桥梁建设起步较晚，桥梁检测亦落后于发达国家。目前，桥梁检测的工程实践大多数仍属传统意义上的桥梁检测，即利用一些常规设备在现场针对桥梁结构的材料缺损等状况作一定量的数据采集，然后对数据进行处理分析，得出桥梁的损伤状况。就钢筋混凝土桥梁而言，传

2、统意义上的检测内容包括：外观变异情况检测，如过大的变形；混凝土等材料品性检测，如混凝土的裂缝、碳化等；通过静载、动载试验获得桥梁在试验条件下的结构行为等。经过众多的工程实践，人们开始意识到，传统意义上的桥梁检测存在着许多缺陷，如监测数据的采集具有很大的人为因素和片面性，后期数据的处理分析融合困难，检测结果的评价缺乏可比性等。1.2 桥梁健康检测的定义桥梁健康检测是指运用现代的传感与通信技术，适时地采集桥梁的工作参数，由计算机利用健康检测智能系统对工作参数进行识别、加工和分析， 给出桥梁的健康状况或损伤状况，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导，并为桥梁设计理论的发展提供足尺寸真实构件、真实

3、环境的长期设计验证。1.3 健康检测与传统检测区别桥梁健康检测与传统检测之间有联系，更有区别，主要体现在以下几个方面。（1）检测目的。传统桥梁检测往往仅是为了确定桥梁的损伤状况，一定程度上对桥梁的继续工作能力提出评价。桥梁健康检测在传统检测的基础上，利用健康检测智能系统中的数字化参数积累，对当前的桥梁设计理论提供长期的、及时的由足尺寸真实构件在真实环境下结构响应为基础的设计验证，为桥梁理论研究提供低成本高效率的“试验”支持。以桥梁健康检测作为设计的验证具有前所未有的优越性，相对模型试验而言，省去了模型制作费用，成本低、足尺寸、实际环境、实际载荷，效果真实；数据的采集具有长期性，只要桥梁“健在”

4、，数据可以长期收集，这是以往在实验室条件无法企及的。因此，桥梁健康检测是工程检测的一个分支，已是一门具有广阔发展前景的新学科。（2）实现手段。传统桥梁检测的手段虽然有很大发展并且日趋成熟，但对这些手段的应用往往是孤立的、被动的。桥梁健康检测的手段虽然大多源于传统检测手段，但通过传感与通信技术的运用已经对其赋予了新的内容。桥梁健康检测智能系统像人的神经系统将人体各部分协调起来一样，将各种检测手段通过计算机系统有机地组合在一起，利用内部数据库和信号软件接口实现参数的采集和存放，并借助于现代通信宽带的不断拓宽和高速高容量的计算机系统实现异地数据采集，便捷、准确、安全。（3）发展趋势。桥梁健康检测取代

5、传统桥梁检测已是大势所趋。桥梁健康检测可以为业主提供更加准确和全面的检测评定，为设计人员提供前所未有的设计验证资料和理论研究依据。未来以计算机和通信等高科技为载体的桥梁健康检测必将具有更高层次的发展和更广阔的应用前景。2 无损检测技术无损检测技术是指在不影响结构或构件性能的前提下，通过测定某些适当的物理量判断结构或构件性能的检测方法。它是多学科紧密结合的高技术产物，现代材料学和应用物理学的发展为无损检测技术奠定了理论基础，现代电子技术和计算机科学的发展为其提供了现代化的测试工具。随着桥梁技术的飞速发展，对既有结构损伤的评定，越来越依赖于仪器对结构进行检测。无损检测主要用于结构安全直接有关的宏观

6、力学性能和宏观缺陷的测试，在桥梁工程中的应用，与下面几个方面紧密相关：（1）桥梁自身材料和结构方面的特性；（2） 合理选取反映桥梁整体或局部的某些性能的物理量，确定相互间的函数关系；（3）检测方法的改进和检测仪器的更新。无损检测技术在桥梁检测中的应用总体上可以概括为基于整体的结构状况识别和基于局部的构件损伤识别。桥梁是一个由多种材料、不同结构组合而成的大型综合系统，系统各个成分的重要性、应力状态、易损性不一，刚度、动力特性也相差甚远，所以造成桥梁检测的范围十分广泛、复杂，如何对如此众多的检测项目进行合理分类，是值得研究的问题。对此，一些学者已经进行了大量有益的研究和探索，提出了神经网络法、层次

7、分析法等作为分类标准进行探讨。目前常见的无损检测技术有：（1）目检，简单方便且可靠；（2）利用回弹检测混凝土强度及表面硬度；（3）利用超声波检测混凝土的强度和裂缝深度；（4）声发射法，又称AE法，它利用混凝土的“发声”特点确定混凝土的结构整体性，主要用于检测单个裂缝的位置、大小、方向和开裂形式，AE声发射法仪器较昂贵，检测时会产生较大的噪音，另外，操作对专业要求较高，检测数据需专业人员进行分析；（5）冲击回音法；（6）红外线法；（7）热相仪成像法；（8）透地雷达，用于检测管道管线。除此之外，还有很多较为新兴的技术被引入健康检测中，如光纤传感法、磁泄漏法、磁粒子法、磁场摄动、层析探测法、腐蚀作用

8、试验、混凝土碳化测量等。值得注意的是，混凝土碳化测验经常与回弹仪测混凝土强度联合使用，因为混凝土使用时间较长时，会产生碳化现象，从而使混凝土变得较硬，导致回弹仪测得的强度数据不准确，所以需要同时测量混凝土的碳化程度，从而对回弹仪测得的强度值进行修正。3 桥梁结构的健康监测3.1 健康监测的定义狭义的桥梁健康监测利用结构现场测试信息，识别结构的整体性和损伤状况，既是结构在运营中进行的监测，同时也是全局性测试。损伤识别主要包括四个层次，即损伤是否发生、损伤位置、损伤程度及损伤的影响。桥梁健康监测系统涉及结构、计算机、通讯、试验测量等多个领域和学科，已成为当前国内外桥梁学术界和工程界的研究热点，并且

9、已经取得了一定研究成果。但是，由于桥梁结构受到许多不确定性因素和复杂工作环境的影响，以及对桥梁在使用年限内的工作特性的变化缺乏全面深入的了解，目前所取得成就和研究还处于基础性探索阶段，还亟需广大桥梁工作者和研究人员的不断努力和探索。特别是长期观测的智能控制研究，使得桥梁健康监测为桥梁工程的发展开辟新的空间。3.2 健康监测的研究动态3.2.1 健康监测的研究方向健康监测的研究主要体现在以下五个方向：（1）基于振动的损伤识别；（2）结构指纹及变异性；（3）系统识别；（4）监测测点的优化布置；（5）海量数据流的处理。3.2.2 理论发展（1）基于振动的损伤识别近现代以来，基于振动的损伤识别方法最早

10、被应用于航天、机械等领域，而桥梁结构因其振动测量比较容易实现，得到了广泛的应用，可以用下图表述。常用损伤识别方法有：指纹识别和模式识别方法、广义系统识别方法和神经网络法。1）指纹特征参数可以建立如下所示的一种系统：其本质是将结构特征的分离，但实际运用依然存在很大的难度。2）神经网络方法可以用下图所示的网络加以表述：3）模型修正与系统识别方法的网络示意图可表述为：由图中可以得知，模型修正实际上是一个迭代修正以使模型逐渐接近于实际结构的过程，即不断地修正结构模型使输出误差控制在一定的范围之内。模型修正与系统识别方法无需损伤模式的先验知识，系统识别的结果较容易进行分析，修正后的模型具有多种用途，优势

11、明显。基于振动的损伤识别主要用于结构的状态识别、损伤诊断、动力响应分析、结构应力分析、结构承载力分析、结构控制决策等方面。其局限性主要表现在：结构与环境中的不确定因素和非结构因素的影响；测量信息设备不完备；测量精度不足和测量信号噪声的影响；桥梁结构的赘余度大，由测量信号分析的参数对结构损伤不敏感。（2）结构指纹及变异性长期以来，人们致力于研究对结构指纹特征的描述方法，目前提出的方法包括：振动模态参数（阻尼 、振型、自振频率等）法；模态置信因子法；柔度矩阵法；曲率模态差、应变模态差法；基于波形识别的指标等。影响其变异性的因素有很多，如环境（温度、风）、交通、模态参数（频率、振型、阻尼等）。（3）

12、系统识别（SI）系统识别有频域和时域两种方法，其中，频域方法主要为FFT-BASED谱分析技术；时域方法则包括IBRAHIM时域法、随机减量法、时间序列法、特征系统实现算法、随即实现算法、随机与空间识别法等方法。系统识别则具有OUTPUT-ONLY（只输出）、低频、密模、小阻尼、测点少等特点。3.2.3 技术动态目前，在桥梁健康监测领域中出现了很多新的技术动态，引入了很多新的技术和思想，如在数据采集与信号处理方面，传感技术和数据传输技术有很多新的进展；微电机系统领域里，LAMB波、LOVE波、RAYLEIGH波的应用对加速度、速度、冲击作用、裂缝探测形成于蔓延、钢筋腐蚀等的测量与检测影响巨大；

13、此外，如光纤光栅传感器、摄影测量、GPS的应用也对健康监测学科的进一步发展贡献着自己的力量。3.3 桥梁健康监测系统桥梁健康监测系统最早的应用见于1987年英国的FOYLE桥，迄今已有百年多的历史。桥梁健康监测系统的设计必须遵循功能要求和效益成本分析两大准则。其目的和功能主要表现在结构监测与状态评估、桥梁结构设计验证和桥梁结构研究与发展等几个方面。一般来说，一个完整的桥梁健康监测系统主要由以下几部分组成：（1）传感系统：用于将待测物理量转化为电信号，起着一个转换器的作用。（2） 数据采集系统：安装于桥梁结构中，采集结构各性能参数的系统设备及元件。如：采集位移变化的位移计，采集应变应力的应变计，测试结构及周围环境的温度计，采集结构静态参数的静态数据采集仪等等。（3） 数据通信与传输系统：主要将采集到的数据参数通过传输设备传到监测中心。（4）数据分析处理系统：对接收到的数据应用相关理论或软件进行分析处理。（5）报警系统：以数据分析结果为主，参照桥梁设计指标和结构设计规范，对结构各项性能指标进行分析，评估结构工作性能状况并进行预警。对于预警系统的研究目前还处于初级阶段。4 桥梁监测与状态评估的发展方向桥梁监测与状态