橋架空全監(jiān)測的理論研究與現(xiàn)狀

橋架空全監(jiān)測的理論研究與現(xiàn)狀
傳統(tǒng)檢測手段可以對(duì)橋梁的外觀及某些結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行監(jiān)測。檢測的結(jié)果一般也能部分地反映結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)，但是卻難以全面反映橋梁的健康狀況，尤其是難以對(duì)橋梁的安全儲(chǔ)備以及退化的途徑作出系統(tǒng)的評(píng)估。此外常規(guī)的檢測技術(shù)也難以發(fā)現(xiàn)隱秘構(gòu)件的損傷。目前得到普遍認(rèn)同的一種最有前途的方法就是結(jié)合系統(tǒng)識(shí)別，振動(dòng)理論，振動(dòng)測試技術(shù)，信號(hào)采集與分析等跨學(xué)科技術(shù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)�態(tài)分析法。 
     在系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別方面目前普遍采用兩種方法：頻域法和時(shí)域法。頻域法利用所施加的激勵(lì)和由此得到的響應(yīng)，經(jīng)過FFT分析得到頻響函數(shù)，然后采用諸如多項(xiàng)式擬和的方法得到模態(tài)參數(shù)，由于可以采用多次平均來消除隨機(jī)誤差對(duì)頻響函數(shù)的影響，采用頻域識(shí)別方法的精度有一定的保證，不過該法存在以下缺點(diǎn)：①基于振型不偶聯(lián)，因此，只能識(shí)別具有經(jīng)典阻尼的結(jié)構(gòu)的實(shí)模態(tài)。像大跨懸索橋這樣的結(jié)構(gòu)，具有明顯的非經(jīng)典阻尼性質(zhì)。頻域法應(yīng)用受到限制。②需要經(jīng)過FFT分析，由此帶來了諸如泄漏等偏度誤差對(duì)參數(shù)識(shí)別的影響。近來的環(huán)境脈動(dòng)法可以無須知道激勵(lì)而得到振型參數(shù)，又?jǐn)U展了該法的應(yīng)用范圍[7,8]。70年代后期出現(xiàn)的時(shí)域識(shí)別方法，彌補(bǔ)了頻域法的不足，可以用隨機(jī)或自由響應(yīng)數(shù)據(jù)來識(shí)別模態(tài)參數(shù)。它們不必進(jìn)行FFT分析，從而消除了FFT分析所帶來的誤差。尤其是它還可以從未知隨機(jī)激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)中得到隨機(jī)減量特征，因此該方法成為能依據(jù)在線信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別的唯一方法。但也存在著一些缺陷：由于在參數(shù)識(shí)別時(shí)運(yùn)用了所測信號(hào)的全部信息，而不是截取有效的頻段，于是信號(hào)中包含的模態(tài)數(shù)目比較多，但由于實(shí)驗(yàn)測試環(huán)節(jié)及其他原因，使得其中的一些模態(tài)的信息并未被充分收集，以致只能將這些殘缺的信息看作噪聲，目前排除噪聲的方法主要有擴(kuò)階識(shí)別和最小二乘法。當(dāng)前利用ITD法對(duì)橋梁進(jìn)行在線監(jiān)測取得一定成果[9,10]綜上所述，時(shí)域法和頻域法均有自己的缺陷，應(yīng)尋找一種綜合時(shí)頻的方法以提高識(shí)別精度，近來出現(xiàn)的小波變換可以綜合時(shí)頻，可探討其在橋梁參數(shù)識(shí)別方面的應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)損傷檢測定位方面，目前可分為模型修正法和指紋分析法兩類。測高儀| 測距儀| 金屬探測器| 試驗(yàn)機(jī)| 扭力計(jì)| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計(jì)| 平衡儀|  
     1．精確的有限元建模是大型橋梁鳳震響應(yīng)預(yù)測的重要前提；也是結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測,損傷檢測以及實(shí)現(xiàn)最優(yōu)振動(dòng)控制的基礎(chǔ)。但是，盡管有限無法得到了高度的發(fā)展，實(shí)際復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元模型仍然是有誤差的。有限元建模為結(jié)構(gòu)飛行提供完整的理論模態(tài)參數(shù)集，但這些參數(shù)常常與結(jié)構(gòu)模態(tài)實(shí)驗(yàn)得到的參數(shù)不一致。因此，必須對(duì)結(jié)構(gòu)理論模型進(jìn)行調(diào)整或修正，使得修正后的模態(tài)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)相一致，這一過程即有限元模型修正。
     模型修正法在橋梁監(jiān)測中主要用于把實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)記錄與原先的模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合比較，利用直接或間接測知的模態(tài)參數(shù)，加速度時(shí)程記錄，頻響函數(shù)等，通過條件優(yōu)化約束，不斷地修正模型中的剛度和質(zhì)量信息，從而得到結(jié)構(gòu)變化的信息，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷判別與定位。其主要方法有：
    （1）矩陣型法，是發(fā)展最早，最成熟，修正計(jì)算模型的整個(gè)矩陣的一類方法，它具有精度高、執(zhí)行容易的特點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是所修正的模型的物理意義不明確，喪失了原有限元模型的帶狀特點(diǎn)，這方面的代表應(yīng)屬Berman／Baruch的最優(yōu)法。
    （2）子矩陣修正法，通過對(duì)待修正的字矩陣或單元矩陣定義修正系數(shù)，通過對(duì)宇矩陣修正系數(shù)的調(diào)整來修正結(jié)構(gòu)剛度，該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是修正后的剛度矩陣仍保持者原矩陣的對(duì)稱，稀疏性。
    （3）靈敏度法修正結(jié)構(gòu)參數(shù)通過修正結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)彈性模量E截面面積A等來對(duì)有限元模型進(jìn)行修正。
     上述的前兩種方法通過求解一個(gè)矩陣方程或帶約束的最小化問題來修正剛度和質(zhì)量矩陣，并假定剛度與質(zhì)量的變化相互獨(dú)立。因此，這類方法不適用于結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣變化相關(guān)的有限元模型修正。而大跨度橋梁的質(zhì)量變化通常會(huì)弓愧結(jié)構(gòu)剛度的變化，屬于典型的非線性問題。只有第三種方法利用觀測量對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性來修正結(jié)構(gòu)參數(shù)�；�于敏感性分析的參數(shù)修正可以從敏感分析的中間結(jié)果看出各參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響程度；并且，可直接解釋結(jié)構(gòu)物理量的修改，無須通過利用總綱陣的比較來反映修改情況。然而但待修正參數(shù)較多時(shí)，該方法常會(huì)得出違背物理意義的參數(shù)修正。
     2．指紋分析方法，尋找與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性有關(guān)的動(dòng)力指紋，通過這些指紋的變化來判斷結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀況。
     在線監(jiān)測中，頻率是最易獲得的模態(tài)參數(shù)，而且精度很高，因此通過監(jiān)測頻率的變化來識(shí)別結(jié)構(gòu)破損是否發(fā)生是最為簡單的。此外，振型也可用于結(jié)構(gòu)破損的發(fā)現(xiàn)，盡管振型的測試精度低于頻率，但振型包含更多的破損信息。利用振型判斷結(jié)構(gòu)的破損是否發(fā)生的途徑很多；MAC，COMAC，CMS，DI和柔度矩陣法。
     但大量的模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)表明結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致的固有頻率變化很小，而振型形式變化明顯[11,12]，一般損傷使結(jié)構(gòu)自振頻率的變化都在5％以內(nèi)[11,12]，而Askegaard等在對(duì)橋梁的長期觀測后發(fā)現(xiàn)，在一年期間里橋梁即使沒有任何明顯的變化，其振動(dòng)頻率的變化也可達(dá)10％［63］，因此一般認(rèn)為自振頻率不能直接用來作為橋梁監(jiān)測的指紋，而振型雖然對(duì)局部剛度比較敏感，但精確測量比較困難，MAC，COMAC，CMS等依賴于振型的動(dòng)力指紋都遇到同樣的問題。對(duì)橋缺損狀態(tài)的評(píng)價(jià)缺乏統(tǒng)一有效的指標(biāo)，有人以模糊理論，結(jié)構(gòu)可靠度理論等為理論框架建立了各種橋梁使用性能評(píng)估專家系統(tǒng)，但必須首先建立各種規(guī)范和專家數(shù)據(jù)庫。