桥结构结构健康监测综述

PAGE桥结构结构健康监测综述自动损伤识别自动损伤识别是真正意义上的桥梁监测系统的核心,是目前国际上的研究热点,目前还在研究阶段。1自动损伤识别的方法不同国家的学者已经研究出许多自动识别损伤的方法,这些方法可用来形成软件,安装在桥梁监测系统中。自动识别损伤的方法大致可分为两类:(1)无模型的识别方法:它们不使用结构模型,属于这类方法的有:基于PRF的损伤识别指标[2]方法,包括WaveformChainCode(WCC,其中又包括量测FRF的斜率差和曲率差)、AdaptiveTemplateMethods(ATM)和SignatureAssuranceCriteria(SAC)。此外还有人工神经元网络、ARMA模型、模式识别等。(2)有模型的识别方法:它们使用结构的有限元模型进行识别。这类方法又可分为两种:基于模态参数的识别方法和直接的系统识别方法。基于模态参数的识别方法分为两步,首先通过动测进行模态参数(自振频率、振型、振型阻尼比、应变模态)识别,然后通过模态参数识别损伤。第二步工作又有两种方法,一种是通过损伤识别指标进行识别,由于模态参数对损伤不敏感,长期以来人们试图对模态参数进行加工,以提高其对损伤的灵敏度,定义了损伤识别指标后,可把它当作结构指纹,通过比较完好状态的结构指纹和受损状态的结构指纹来识别损伤。已经定义的损伤识别指标如下[2]:基于振型的损伤识别指标有CoordinateModalAssuranceCriteria(COMAC)、曲率模态差和柔度矩阵差;基于应变模态的损伤识别指标有应变模态差。评价损伤识别指标优劣的标准是对结构损伤的灵敏度。上述指标中曲率模态差、柔度矩阵和应变模态差对结构损伤的灵敏度较高。由模态参数识别损伤第二步工作的另一种方法是由模态参数确定结构的刚度矩阵的变化,是一种形式的参数估值问题。直接的系统识别方法则直接由结构反应确定结构的刚度矩阵,是另一种形式参数估值问题。参数估值问题也称逆问题,因为它们是由结构反应推断结构参数,就是由方程组的解反求方程组的系数。数学上都是不定问题(方程数少于未知量数),只能通过使人为定义的误差函数最小进行求解。一般由结构模型的总自由度向量测自由度进行GuyneReduction后,建立误差函数,使之最小而求刚度矩阵中的各元素。2自动损伤识别工作内容自动损伤识别及后续工作的主要环节及其间关系见图1。施加荷载的类型、方式和误差分析所需的参数见图2。量测结构的各种反应的传感器及直接的数据处理。图1自动损伤识别及后续工作的主要环节图2施加荷载的类型、方式和应注意的问题3结构反应量测的几个重要问题（1）传感器的选择和放置传感器是损伤监测系统的关键之一。传感器必须给出高质量的结构反应数据,这是损伤识别的前提。首先要选择传感器的类型,这时不仅根据要量测的结构反应,还要考虑施工情况,有些传感器只能在施工期间安放,有些又需在施工前安放。施工期间能否保证传感器不受损伤,是选择传感器的重要因素之一。然后是确定传感器的位置和数量,这时要清醒估计结构的易损部位以及结构的不同反应的特点。量测静动反应有不同要求。已有一些优选方法,大都依靠结构的总体分析模型例如用遗传算法选择传感器位置。(2)误差分析是结构损伤识别的前提不知道模态识别和系统识别结果的误差,就得不到系统参数改变的可靠估值,也就得不到可靠的损伤识别结果。误差分析需要知道误差源。误差源包括传感器的精度、分辨率、噪音和零点漂移、AD变换的字长、信号滤波和放大时的畸变信号传输时的噪音、结构反应量测值的精度和信度、模态识别和系统识别算法的误差。误差分析应使用可靠的误差分析的方法来分析误差的传播和积累,以确定损伤识别结果的精度和信度。(3)可靠的时间坐标它是长期监测的重要问题。几十年间反复启动,反复停机情况下,所有载荷和反应的记录的时间坐标必须保持同步。(4)记录数据的选择和归档它是长期监测必须解决的问题。上千个传感器每秒钟都在采样,一年就需1580G的存储空间。因此存储前必须精练这些数据,删除有毛病的数据。4模态识别模态识别使用结构动力反应数据确定结构的模态参数。(1)模态识别的方法近年来发展迅速,不断出现新的高效的识别方法,主要是时域法和时频域法,以适应输入和结构反应的非平稳性、非白噪声性和非线性,并提高计算速度。其中频域法仍使用FFT,但有各种改进;时域法中,输入的方法有各种MIMO和SIMO方法,基于脉动输入的方法有RD函数、ARMA、Hilbert变换和Kalman滤波等;基于脉冲反应的方法有IbrahimeDomain(ITD)、EigenRealizationAlgorithms(ERA)等,其中ITD方法更适用于有非经典阻尼的结构,它直接识别复模态,需要由复模态求实模态;时频域法有Wignar分布等。(2)误差分析损伤识别的能力取决于所识别的模态参数的精度,必须进行模态参数的误差分析。5不同损伤识别方法的精度通过损伤识别指标识别必须知道不同损伤识别指标可识别的最小损伤以及识别结果的精度,因此需进行各类损伤识别指标的误差分析。但参数估值法问题,无论由模态参数识别损伤(刚度矩阵的变化),还是直接由结构反应识别损伤所得到的参数估值问题,都得不到真解,故无法分析误差。6结构分析为结构损伤识别所需的试验,从选择传感器的类型和量程、测点和数量,直到参数估值,自始至终离不开结构分析,这里没有分析的试验毫无意义。因此,建立结构的分析模型是损伤识别的一个关键问题。建立结构的分析模型需适当考虑结构的非线性、非弹性、边界条件、阻尼模型和结构参数中的不定性。7结构可靠性评定(1)作用——识别出的结构损伤还不能直接用作结构维修决策的依据,要用有损结构的剩余安全性进行维修决策。(2)目前国内外的结构设计规范普遍依据结构可靠度理论。不再采用不合理的单一安全系数,而采用多系数法。用剩余可靠度而不是剩余安全系数评估有损结构的安全性是发展趋势。结构失效用两类极限状态表示——承载能力极限状态和正常使用极限状态。有损结构的剩余安全性可用针对这两类极限状态的可靠度或可靠度指标表示。进一步,依据结构可靠度理论的结构设计规范的构件设计公式可直接给出构件利用率(Utilization)构件利用率=乘以荷载分项系数的荷载效应之和/乘以抗力分项系数的构件抗力式中构件抗力由损伤识别结果计算。用构件剩余可靠度标定利用率后,由构件利用率进行维修决策更方便。(3)近年来,随机有限元技术迅速发展,随机有限元程序可方便地给出构件余可靠度甚至结构系统可靠度。计算结构系统可靠度有一定困难,但基于结构系统可靠度的维修决策更合理。8监测系统自身的监测、维修和管理电子系统的使用寿命远小于工程结构的寿命,而且更易受到破坏。为使监测系统能长期独立工作,必须能自动检查电源、传感器