既有桥梁监测技术与状态评估

1、既有桥梁监测技术与状态评估摘要 本文简要地讲述了现今工程界比较热门的对桥梁的安全监测 技术与状态评估的方法，供同学们做简单的了解。关键词 桥梁安全监测 状态监测 病害诊断 安全评估 寿命预 测引言桥梁的安全监测是保证桥梁安全运营的重要环节，只有做好桥 梁的监测工作才能防止安全事故发生，有效地保护财产与生命的安 全。20世纪50年代，人们就开始关注桥梁监测技术的研究，并进 行了大量的实验与探索。近年来，随着大跨度桥梁的飞速发展，以 及检测分析技术的不断提高，桥梁结构的安全监测已成为国内外学 术界、工程界的研究热点，而且各种监测技术和方法的研究成果已 逐步进入实桥应用阶段，这些技术的成功应用将会确

2、保桥梁的安全 运营，延长桥梁的使用寿命。正文2.1桥梁的安全监测桥梁安全监测属于结构安全监测的范畴，结构的安全监测是由 结构的状态监测与病害诊断两个过程构成，两者既有密切的联系又 互有区别。状态监测是指通过某些方法对结构的特征参数进行测量， 例如应力、应变、温度等。然后将测定值与结构正常工作时的数值 进行比较，以判别结构的工作状态是否正常。状态监测又称为简易 诊断，在这个过程中只检查结构有无病害，而不作具体分析与解决 措施。病害诊断是比状态监测更高层次的结构安全监测技术，它不 但要对结构工作是否正常做出初步诊断，而且还要对结构产生病害 的原因、部位和严重程度做出判断，从而为维修措施提供依据，所

3、 以这种诊断又称为精密诊断。简易诊断的目的是对结构的安全状态迅速做出有效的概括性评 价，再结合经验做出初步判断；精密诊断的目的是对有问题的结构 进行专门的测量和分析，最后确定采取哪些必要的技术措施来维修 问题结构。从全过程看，状态监测是基础，采集的数据应准确无误，而病害诊断是在状态监测基础上的深入和发展，病害的预防和控制 是病害诊断的最终目的。当结构出现病害时，结构的其中部分参量表现出与正常状态不 同的特征，这种差异包含着丰富的信息。如何对这些病害的特征进 行恰当的描述，并利用它们进行病害的诊断与评估结构的安全就是 结构安全监测的任务。结构状态监测主要以下几个特征为主：（1）振动监测：以结构的

4、振动、冲击、机械导纳以及模态参数 为监测目标。（2）声学监测：以噪声、声阻、超声、声发射为监测目标。（3）温度监测：以温度、温差、温度场、热像为监测目标。一 （4）性能趋向监测：以结构的各种主要性能指标为监测目 标。（5）强度监测：以力、应力、应变、扭矩为监测目标。（6）表面形貌监测：以变形、裂纹、斑点、凹坑等为监测目标。对于不同的监测对象，由于影响其工作性能的控制因素不同， 所以监测的物理参数各不相同。对于桥梁这种大型土木工程结构， 通常以振动监测、强度监测和表面形貌监测为主要目标。病害诊断根据所采用的病害特征描述和决策方法的差异形成了 不同的诊断方法，概括起来有依赖于模型的诊断方法和不依赖

5、于模 型的诊断方法两大类。对于这两大类诊断方法，通常所采用的决策 与分离方法如下。（1）对比诊断法。这种方法简单明了，应用最广。首先通过初 期的统计归纳、实验研究、分析计算，确定与各种状态一一对应的 征兆（即基准模式或阈值），然后将获得的征兆与基准模式进行比 较，立即可获得结构的状态。（2）人工神经网络法。该法是20世纪80年代末90年代初才 真正具有实用性的病害诊断方法。在实现病害诊断时分为两个阶段。 第一个是学习阶段，选定合适的网络结构和模型，借助一定的学习算法，以能够反映系统的动态特性、建模误差和干扰影响的变量作 为神经网络的输入，以对应的状态编码为期望输出，构成“输入/ 期望输出”的样

6、本，对神经网络进行训练，确定神经网络的权值和 阈值，当学习收敛后冻结神经网络的权值和阈值；诊断阶段，使训 练好的神经网络处于回想状态，对于一个给定的输入，便产生一个 相应的输出，由输出与状态编码进行比较即可方便地确定病害。（3）专家系统法。一些监测领域专家往往可以凭多年积累下来 的丰富实践经验确定病害的原因和部位。对于复杂桥梁结构的病害 诊断，这种基于专家系统的诊断方法尤其有效。随着计算机科学和 人工智能的发展，专家系统法逐渐得到了完善。专家系统法可以有 效克服对模型的过分依赖，成为病害检测和隔离的有效方法，并在 许多领域得到应用。（4）模式识别法。这种诊断方法实现病害诊断的步骤分为两个 阶段

7、。一是离线分析，通过离线分析确定能够表达结构状态的特征 向量集和以该特征向量集描述的病害模式向量，由此形成病害的基 本模式集，并确定区分识别这些模式向量的判别函数；二是在线诊 断，实时提取结构状态的特征向量，由判别函数对病害进行分离定 位。（5）模糊数学法。系统的状态有时是不分明、不确定的，因此 可以用模糊集来描述。通过采用模糊聚类分析将模糊集分为不同水 平的子集，由此判别病害最可能属于的子集。另一个有效的方法是 首先建立起病害与成因的模糊关系矩阵R，如果当前病害成因向量的模糊隶属度为C，则病害D通过模糊合成加以确定，D=R*C。另外， 模型假设检验法，贝叶斯决策函数法，特征量统计检验法和逻辑

8、代 数法等也用于结构的病害诊断。2.2桥梁的安全评估与寿命预测安全评估的目的是对结构的安全性进行客观评价，以此来了解 桥梁的安全性与稳定性以及它的使用寿命。桥梁的安全评估是指利 用特定的信息，对运营中的桥梁进行可靠性分析并作出决策的过程。 桥梁安全评估的本质是根据连续监测或周期性监测所得到的特征参 数的历史数据来推断其发展的趋势并确定结构的残存寿命。桥梁结 构从正常到不正常的发展，导致缺陷发生的过程称为劣化过程或损 伤过程，由于桥梁的种类和结构形式多种多样，劣化过程的类型必 然也各不相同。劣化过程大体上有以下几种基本类型。比例劣化型：劣化程度与使用时间成正比；加速劣化型：劣化程度与时间的关系为

9、幕函数或指数函数;急剧加速劣化型：从某一时刻开始，结构状态急剧恶化；突发劣化型：没有预兆地在某一时刻突然损坏。估测桥梁寿命一般采用受力结构寿命预测的常用方法，通常有 以下几种。理论模型法。对所监测的结构研究得比较透彻，已建立了 计算寿命的模型，可以推断其寿命。由于理论模型法受到很大的限 制，故应用较少。累积应力跟踪法。按照结构所受的应力的累计量来推断劣 化程度，主要适合急剧加速劣化型和突发劣化型。特征参数跟踪法。定期或连续测量结构的某些特征参数， 运用平滑、外推等技术推断劣化的程度。这种方法适合于比例劣化 型、加速劣化型和急剧加速劣化型，应用范围广泛。结论桥梁的安全监测与状态评估是一个比较复杂

10、的过程。首先必须 对桥梁进行状态监测得到桥梁结构的特征参数并与正常时的数据对 比，判断有无病害；然后还要对桥梁进行病害诊断，具体分析研究 桥梁已产生的病害，并对其提供有效的维护措施；最后还要结合状 态监测的正确数据结合相应的方法对桥梁做出客观的安全评估报告， 加强对桥梁信息的了解程度。参考文献郝超，强士中，王朝晖。大型结构的安全监测系统。国外桥梁， 2000 (2)。章关永。对结构材料和桥梁进行状态监测的现有技术。同济大学 学报，2000 (2)。李惠彬，郑兆昌，应怀樵。对国内外桥梁损伤诊断几种方法的评 述。工程力学增刊，1998。袁万成，崔飞，张启伟。桥梁健康监测与状态评估的研究现状与 发展。同济大学学报，1999。邓炎，严普强。桥梁结构损伤的振动模态检测。振动、测试与诊 断，1999。秦权。桥梁结构的健康监测。中国公路学报，2000。刘泽宽。公路桥梁检测问题研究。