桥梁健康监测与状态评估的研究现状与发展

  本文关键词：桥梁健康监测与状态评估的研究现状与发展，由笔耕文化传播整理发布。

第 27 卷第 2 期
1999 年 4 月

同 济 大 学 学 报
JOURNAL OF T ONG I UNIVERSITY J

Vol . 27. No. 2 Apr. 1999

摘要 综述了桥梁结构健康监测的一些实际应用 . 对以往有关损伤诊断的一些方法进行了评价 , 着重分析了当 前桥

梁健康监测中所遇到的困难 . 在此基础上结合桥梁的结构特性与工作环境提出了一套新的桥梁健康监测 与状态评估发展策略 , 其中强调了结构动力指纹增长与更新的概念以及动态子结构与模型修正法的综合运用 , 并最终将桥梁承载能力作为状态评估的重要指数 ,使桥梁的观察 、 监测与安全评估有机地统一起来 . 关键词 桥梁 ; 健康监测 ; 状态评估 ; 承载能力 分类号
U443

Abstract

are made on the previous work of damage identification for structures , especially focusing on some of the difficulties in current research. Based on the review and summary , a new monitoring strategic plan of bridge is p resented. Of in2 terest in this work is a discussion of the performance of bridge and a p resentation of ideas on “si gnature growth and tant index for the condition assessment of bridge and be included in the system. Ke ywords Bridge ; Health monitoring ; Condition assessment ; Load capacity up dating” order to monitor bridges during their life spans. Finall y , load capacity should be re garded as an impor2 in
收稿日期 :1998 - 06 - 06 第一作者 : 男 ,1962 年生 ,教授 ,博士生导师 3 国家自然科学基金资助项目 ( 批准号 :59878037)

自从 50 年代以来 , 人们就意识到桥梁安全监测的重要性 , 但由于早期的监测手段比较落后 , 所以在 应用上一直受到相当的限制 . 近年来随着大跨桥梁设计的轻柔化以及形式与功能的日趋复杂化 , 这项技 术更成为国内外学术界 、 工程界的研究热点 . 目前 , 许多国家都在一些已建和在建的大跨桥梁上进行有益 的尝试 : 丹麦曾对总长 1 726 m 的 Faroe 跨海斜拉大桥进行施工阶段及通车首年的监测 , 旨在检查关键的 设计参数 , 监测施工危险阶段以及获取开发优化的监控维护系统所必需的桥梁健康记录 , 另外他们在主 跨 1 624 m 的 Great Belt East 悬索桥上已开始尝试把极端记录与正常记录分开处理的技术以期减小数据 存量 [1 ] ; 墨西哥有关部门则对总长 1 543 m 的 Tampico 斜拉桥进行了动力特性测试并比较了环境激振和传 统振动试验的效果[2 ] ; 泰国与韩国目前已开始在重要桥梁上安装永久性的实时结构整体与安全性报警设 备 ; 挪威在主跨 530 m 的 Skarnsundet 斜拉桥上所安装的全自动数据采集系统已能对风 、 加速度 、 倾斜度 、 [3 ] 应变 、 、 温度 位移进行自动监测 ; 香港的 Lantau Fixed Crossing 和青马大桥 、 内地的虎门大桥 、 徐浦大桥 、 江 [4 ] 阴长江大桥等在施工阶段已开始传感设备的安设 , 以备将来运营期间的实时监测 . 事实上这种技术的 成功开发将起到确保桥梁安全运营 , 延长桥梁使用寿命的作用 , 同时通过早期发现桥梁病害能大大节约 桥梁的维修费用 ,可以避免最终频繁大修关闭交通所引起的重大损失[5 ] .

桥梁健康监测与状态评估的研究现状与发展 3
袁万城 崔 飞 张启伟
( 同济大学桥梁工程系 ,上海 ,200092)

Current Re se arch and Develo p ment of Structural He alth Monitorin g and Condition As se s sment for Bridg e s
Yuan Wancheng Cui Fei Zhang Qiwei

(Department of Bridge Engineering , T ongji University , Shanghai , 200092)

In this paper , several p ractical implementations of health monitoring for bridges are reviewed. Comments

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结构损伤检测方法
传统的检测手段可以对桥梁的外观以及某些结构特性进行监测 . 检测的结果一般也能部分地反映结

构的当前状态 , 但是却难以全面反映桥梁的健康状况 , 尤其是难以对桥梁的安全储备以及退化的途径作 出系统的评估 . 此外常规的检测技术也难以发现隐秘构件的损伤 . 于是近 10 年来 , 国内外学者一直在寻 找一种能适用于复杂结构的整体探伤评估方法 , 目前得到普遍认同的一种最有前途的方法就是结合系统 识别 、 振动理论 、 振动测试技术 、 信号采集与分析等跨学科技术的试验模态分析法 . 这种方法在发达国家 已被广泛应用于航空 、 航天 、 精密机床等领域的故障诊断 、 荷载识别和动力学修改等问题之中 . 围绕这个 思路近年来人们提出了许许多多的结构整体检测方法 , 从研究和应用的角度看 , 这些方法大致可分为模 型修正法和指纹分析法两大类 . 模型修正法在桥梁健康监测中主要用于把试验结构的振动反应记录与原先的模型计算结果进行综 合比较 ,利用直接或间接测知的模态参数 、 加速度时程记录 、 频率响应函数等 ,通过条件优化约束 , 不断地 修正模型中的刚度分布 , 从而得到结构刚度变化的信息 , 实现结构的损伤判别与定位 . 这种方法在划分和 处理子结构上具有很多优点 , 但由于测试模态集不完备 、 测试自由度不足以及测量噪信比高的原因 , 很少 能给出修正所需的足够信息 , 导致了解的不唯一[4 ] . 同时采用传统方法进行参数估计时易产生病态方程 . 针对这些问题 , 一方面可以考虑利用动边界条件进行子结构模型修正以减少未知数的方法 , 另一方面可 以通过良态建模 、 合理划分子结构以及最优测点布置来获取最大信息量进行解决 . 目前这些方法都在研 究之中 . 结构整体监测的另一类方法就是寻找与结构动力特性相关的动力指纹 , 通过这种指纹的变化来判断 结构的真实状况 . 通常用到的动力指纹有频率 、 振型 、 振型曲率 / 应变模态 、 功率谱 、 ( 模态保证标准) 、 MAC
COMAC ( 坐标模态保证标准) 指标等 . 大量的模型和实际结构试验表明结构损伤导致的固有频率变化很

小 , 而振型 ( 尤其是高阶振型) 虽然对局部刚度变化比较敏感 , 但精确量测比较困难 . MAC , COMAC 等依赖 于振型的动力指纹都遇到同样的问题 。振型曲率应变模态则在传统的低幅值振动测试中变化量量级过 小 ,难以起到有效的判别作用 . 这类方法的成功应用将有待于寻找新的动力指纹 . WD 分布 ( wigner distribu2
tion) 在信号处理上具有灵敏性与稳定性 ,也许在时 - 频域上带来有益的启示 .

2

桥梁承载能力评估方法

桥梁在长期的使用过程中不免会发生各种结构损伤 . 损伤的原因可以是使用 、 维护不当 、 车祸事故等

人为因素 , 也可能是地震 、 风暴等自然灾害 . 此外某些要道上交通量以大大高于预测流量的速度猛增也加 剧了桥梁结构的自然老化 . 这些因素均导致了桥梁承载能力和耐久性的降低 , 甚至影响到运营的安全 . 因 此如何合理评估现有桥梁的承载能力 , 并使之规范化 , 便成为桥梁状态评估的核心 . 在此基础上才能对桥 梁的损伤和病害建立一套现实客观的维修决策系统 . 现行桥梁设计规范是桥梁承载能力评估的基础 . 评估工作在分析计算上和新桥设计是基本一致的 ,

由于前者在实桥健康监测的基础上进行 , 有关荷载 、 抗力以及结构分析信息的获取可以做到比较全面 、 准 确 , 避免了许多不确定性因素的干扰 . 同时也应注意到在评估阶段会由于结构损伤 、 支承条件的改变使得 结构体系更为复杂和难以模拟 . 此外 ,结构在破损状态下的非线性加剧也会影响评估的精度 . 对不同的桥梁构件 , 承载能力的表达方式是不同的 . 例如对于受轴向力为主的单元可采用轴力的标

准 ; 而对受弯构件则需采用弯矩 ( 或弯矩和剪力的联合) 作为判据 . 就目前来说 , Taly 提出的承载能力评估

方法 [6 ]还是比较合理的 . 其分析步骤如下 : ① 分析各桥梁构件在设计活载 ( 如汽 20 或汽超 20) 下的最大弯 矩、 剪力 、 轴力 、 变形等 ; ② 计算各桥梁构件的恒载内力 ( 包括弯矩 、 剪力 、 轴力 、 变形等) ; ③ 基于各桥梁构 件的真实截面特性以及设计规范所给定的指标计算各单元的承载能力 ; ④ 计算各桥梁构件的活载承载能 力 ( 由步骤 3 和步骤 2 的计算值相减即可) ; ⑤ 步骤 4 和步骤 1 的计算值之比即可作为各单元的承载能力

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评价指标 . 这种方法以普通的结构分析和现行的设计规范为基础 , 结合实桥检测的结果进行评估 , 易为评估者 接受和理解 , 但在对结构失效模式的判断以及对结构非线性的处理上仍存在很大的困难 . 另外 , 还有必要 对设计准则的调整 、 安全系数的取值 、 结构损伤的确定以及分析方法的选择等作进一步的研究 .

3

应用现状与发展的几点剖析
基于振动模态分析技术 , 国内外目前在桥梁监测的试验与研究中取得的进展主要反映在 : ① 通过强

迫振动试验 , 能够分析模态参数对结构局部变化的反应 ; ② 在车重 、 车速 、 路面及支承对桥梁模态参数的 影响方面有深入的认识及理论上的依据 , 证明了用环境振动法进行桥梁自动检测的可行性 ; ③ 对适用于 桥梁监测的结构状态敏感参数积累了理论认识和试验基础 ; ④ 在一定程度上能够利用测试的数据进行计 算模型的修正 ; ⑤ 开发了各种基于频率 、 振型 、 振型曲率 、 应变振型等改变量的损伤检测和定位技术 . 在处 理方法上探寻了 MAC 法 、 COMAC 法 、 柔度矩阵法 、 矩阵摄动修正法 、 非线性迭代法以及神经元网络法等 . 这些方法各具特色 ,在局部的范围内都取得了积极的效果 . 这些成就在桥梁健康监测与状态评估系统的研究开发中还属于基础性的探索 , 距离系统的目标尚有 很大的差距 . 这主要是由于 : ① 桥梁的结构不确定性因素和复杂的工作环境对结构模态响应的灵敏性造 成了不利的影响 , 导致了目前桥梁整体监测的许多困难 ; ② 对桥梁在使用年限内工作特性的变化缺乏全 面深入的研究 , 难以建立客观统一的桥梁状态评估标准 . 所以整个技术的成功开发乃至系统目标的最终 实现有赖于今后更好地结合桥梁的自身特性及工作环境讨论问题 . 这主要体现在如下几点 :
( 1) 首先桥梁作为一个由多种材料 、 不同结构组合而成的大型综合系统 , 系统各个成分应力状态 、 易

损性不一 , 刚度 、 动力特性相差甚大 . 如果直接从机械振动模态技术出发 , 笼统地用某种单一的动力特性 变化指标去评估整体结构的状态 , 显然是难以得到预期效果 . 反过来如果把结构材料形式相近 、 动力特性 一致的部分划分为子结构 , 从各子结构的指纹变化来反映整个系统的状态 , 则在每次处理中能大幅度减 小需要修正的参数 , 从而使方程组的病态与奇异性减小到较低的程度 . 子结构分得越细 , 损伤的诊断 、 定 位以及能力评估就越准确 . 把整个结构划分为子结构进行监测 、 评估还有一个优点就是在布点问题中 , 可 以通过划分子结构的办法对重点区域重点布设传感器 ,使有限的传感器发挥最大的效能 .
( 2) 迄今在桥梁健康监测中尚缺乏有效的传感器优化布设算法 . 这个问题在轨道航天器的动态控制

与系统识别中虽得到广泛的研究 , 但在桥梁模态试验中的应用还存在不少的难点 , 在充分考虑各种自然 环境下桥梁的结构特点以及测量条件的基础上 , 寻求这样一套布点方案 : ① 在含噪音的环境中 , 能够利用 尽可能少的传感器获取全面 、 精确的结构参数信息 ; ② 测得的时程记录将对模态参数的变化最为敏感 ; ③ 能够通过合理添加传感器对感兴趣的部分模态进行数据点采集 ; ④ 测得的模态应能够与模型分析的结果 建立起对应关系 , 此外通过传感器的优化布设可改善对模态试验结果的可视性 ( visualization) 和鲁棒性
( robustness) . 希望由此实现对结构状态改变信息的最优采集 ,改善早期对桥梁结构的整体探伤能力 . ( 3) 桥梁结构不同于机械 、 航空结构之处还在于 : 当结构的指纹发生改变 , 甚至混凝土结构在设计荷

载下产生许多裂纹 , 桥梁的工作性能都不一定受到影响 . 损伤的判断与其结构工作特性有关 . 从设计的角 度来看 ,桥梁结构应该满足安全和使用上的要求 . 所谓 “安全” 是一个相当含糊的概念 ,它应基于一个指定 的结构受力反应限度来说 , 如允许应力或某个服务能力准则 . 当前的工程实际中就有两种不同的准则 : 一 种是给荷载与承载能力加上适当系数后进行结构设计 ; 另一种则是基于结构的极限状态进行设计 ( 我国 公路桥梁新规范明确规定 , 所有桥涵结构均应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态计算[7 ] ) . 由此 看来桥梁健康监测与状态评估只有与各种标准下的承载能力紧密联系起来 , 才能完成真正意义的使命 . 在结构系统中引起强度不足的因素有很多 , 但应注意以下几方面 : ① 由于结构的老化 、 损伤及铺装层维修 引起的活载承载能力不足 ; ② 当前使用荷载高于设计标准 ; ③ 依据已遭淘汰的设计标准设计 , 但不能在新 规范中通过 ; ④ 结构在极端荷载作用下 ( 如地震 、 ) 发生累积损伤 ,系统及边界条件改变 . 风暴
( 4) 目前对桥梁缺损状态的评价缺乏统一有效的综合性指标 , 并且难以反映各构件的缺损及严重程

度对整个桥梁的影响 , 于是有人以模糊理论 、 结构可靠度原理等为理论框架建立了各种桥梁使用性能评

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估专家系统 . 这都是很好的出发点 , 但其是否能广泛推广和运用到工程实践中还有待于对各类桥梁工作 性能的深入认识及相应规范的建立 , 而桥梁的健康监测系统作为这种智能决策系统最直接 、 最基本的信 息来源首先必须做到全面 、 正确地反映桥梁的状态 ,并且不受时间 、 环境的影响 .
( 5) 桥梁结构与航天器 、 精密机床在受力特点上差别较大 . 桥梁受的荷载中恒载占了七八成以上 , 它

们对整个结构的动力特性起着至关重要的作用 , 如果缺乏对其量值 、 分布 、 变化的了解 , 势必会使反映结 构状态的指纹变化淹没于恒载应力的变化 ( 如应力重分布) 之中 , 使整个动力监测失去意义 . 这方面在拱 圈的监测中尤为明显 . 要做到这一点 ,从施工开始就得建立结构的受力数据库 .
( 6) 环境因素对桥梁结构的动力特性影响很大 . 一般损伤导致的结构自振频率的变化易淹没在其中 .

从这一侧面也反映了当前振动测试中响应量测值对感兴趣的结构参数不敏感的原因 . 此外 , 结构基础的 沉降以及构件预应力损失所引起的应力重分布都不可避免地对振动模态分析产生消极影响 . 目前对这些 方面的研究还没有引起足够的重视 .

4

桥梁结构健康监测新的发展策略
建立基于振动测试的桥梁自动实时监测系统最实际的方法就是环境振动法 , 这种方法不需要振动设

备 , 不妨碍交通 , 适于远程遥控检测以及获取完整 的结构状态数据库 . 根据以上所作的分析 , 针对以 下两种情况 , 桥梁结构健康监测与状态评估系统可 以从图 1 的模式来发展 .
( 1) 突发性极端事件发生后 , 能从桥梁的损伤

中迅速识别出非结构损伤 、 非关键性结构损伤以及 严重的结构损伤 . 在操作上做到实时快速检测 , 能 从记录的数据中对非线性结构模型进行参数识别 与时域评估 ,并在此基础上完成能力 ( 需要) 分析 .
( 2) 在长期的健康监测和状态评估中 , 能通过

定时开启系统 , 利用交通 、 风或其它低幅值振动输 入进行结构动力测试 , 为维修加固工作明确指出结 构的损伤位置 、 程度 、 性质以及进行承载能力评估 . 同时记录子结构 “指纹” 变化情况 ,逐渐更新桥梁健 康数据库 . 具体实现起来主要有以下几方面的工作 : ① 开 发和应用以无线通讯技术为手段的数据采集系统 . ② 开发能适用于交通荷载风荷载及定点测试荷载 的传感器最优布设技术 . ③ 针对典型桥型 , 采用动 态边界子结构原理 , 开发以结构模型修正法为基础 的结构损伤识别技术 . ④ 研究现有结构指纹变化的 敏感性 , 寻找更适合于桥梁监测的新指纹 , 尝试采 用韦氏分布 ( Wigner Distribution) 一类敏感性较高的 时 - 频方法进行子结构指纹分析 . ⑤ 根据观察与监
图 1 桥梁健康监测程序框图 Fig . 1 Plan of health monitoring and condition assessment for bridge

测的结果分析实桥的剩余承载能力 , 内容包括 : 根据观察与监测结果建立分析模型 ; 对运营荷载下桥梁进 行全面分析 ; 根据各杆件的真实截面特性和规范所允许的应力极限 , 计算各杆件的承载能力 . ⑥ 建立桥梁 安全准则及能用于桥梁整个寿命过程经济评价的估价模型 , 内容包括 : 建立基于位移的概率评估准则 ; 建 立桥梁整个寿命期间经济评估的估价模型 ; 建立桥梁结构的安全准则和维修决策系统 . ⑦ 开发桥梁观察 与监测数据管理系统及决策专家系统 . ⑧ 研究非线性结构模型的时域评估方法及系统识别技术 . ⑨ 在合 理划分子结构以及最优测点布置的基础上 ,综合良态建模技术 ,改善有限元模型修正方法 .

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结语
振动模态分析技术和系统识别理论在结构健康监测领域具有很广阔的前景 , 然而桥梁结构健康监测

与状态评估的最终实现将有待于与桥梁理论结合的进一步完善 , 以及深化对桥梁在工作环境 、 运营条件 下结构特性的认识 . 同样重要的还有测试软 、 硬件的改进与配合 . 参考文献
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公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 . 北京 : 人民交通出版社 ,1989

( 上接第 178 页)

2

结论
( 1) 组合桁拱是桁架拱和桁架梁的继承和发展 , 它结合了桁架拱和桁架梁的优点 , 组合成一种新型的

组合桁拱体系 , 使上弦杆和下弦杆的内力分配更加均匀 , 改变了桁架梁的上弦杆轴向拉力大和桁架拱的 拱脚和拱顶弯矩大的不利情况 .
( 2) 由于上弦杆和斜杆采用预应力构件 , 矢跨比对组合桁拱的影响不是主要的 , 但它能使组合桁拱更

经济 . 一般来说 , 当跨径在 160 m 以下 , 矢跨比取 1/ 8 ; 当跨径在 160 m 以上 , 矢跨比取 1/ 6 为宜 . 主拱圈的 截面高度一般为 1/ 100～ 1/ 120 的主跨跨径 . 边跨结构是主跨结构的延续 , 虽然主跨结构形式完全相同 , 但连续刚构的边跨和桁架边跨 , 两种边跨结构形式的不同 , 使主跨外部约束条件不同 , 其结构受力也不 同. ( 3) 合理的组合桁拱断缝位置应在 0. 20～ 0. 25 倍主跨跨径 , 组合桁拱的悬臂梁与跨中桁架拱的跨度 比为 1 ∶ 左右 . 合理的上弦杆 、 3 下弦杆和实腹段跨中抗弯刚度比为 1 ∶ 8 ∶ 0 左右 . 这样才能充分发 1. 3. 挥上弦杆预应力钢筋作用 ,分担主拱圈的一部分荷载 . ( 4) 组合桁拱具有一套独特的施工方法 —— — 无支架悬臂桁架 . 悬臂拼装中 , 充分利用上弦杆和斜杆内 的预应力钢筋作为悬臂拼装的抗倾覆的平衡力 , 简化了无斜杆桁拱桥施工中采用临时预应力斜吊索 , 如 日本的天子川桥[2 ]和青叶大桥 [3 ]的施工方法 ,同时将斜杆作为结构整体受力的一部分 , 增强其整体稳定 .

参考文献
1 2 3

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