1、桥梁结构的损伤检测与识别技术研究综述摘要：随着桥梁建设的持续发展，桥梁结构的形式和功能也日趋复杂，桥梁的修补和加固也越来越受到关注。 桥梁建成通车后， 由于受气候、 环境因素以及人为因素的影响，结构材料会被腐蚀和逐渐老化，长期的静、动力荷载作用，使其强度和刚度随着时间的增加而降低。 这不仅会更会使桥梁的使用寿命缩短， 更严重的会影响交通行车安全，危机人的生命。桥梁结构的检测、监测作为结构安全养护、正常使用的保证措施之一受到关注，如何对桥梁结构进行质量检测和安全监测也已成为国内外学术界、工程界研究的热点。本文主要研究桥梁结构损伤识别方法的发展和应用情况。关键词：桥梁结构 损伤 识别引言：桥梁结构
2、作为现代交通系统的重要基础设施，其安全运营关系着国家财产和人民生命的安全，以及社会稳定。国内外桥梁垮塌事件屡屡发生，如，1999 年重庆彩虹桥垮塌、2004 年辽宁盘锦大桥垮塌、2006 年广东深汕高速公路桥梁垮塌、2007 年中国广东佛山九江大桥垮塌、2008 年云南曲靖独木水库孙家马场大桥垮塌、2009 年黑龙江省哈伊公路铁力路段西大桥垮塌等事件，严重威胁着国家财产和人民生命的安全、严重影响了经济社会的发展和稳定。因此，为保证桥梁结构安全与健康的运营，确保人民生命、国家财产的安全，对桥梁结构损伤识别提出了越来越高的要求，结构损伤识别方法和技术的研究已成为业界的研究重点和热点一、 结构损伤识
3、别理论目前结构的损伤识别常用的方法有如下几类，1）静态识别法：基于静态测试数据，施加的主要是静力荷载；2）动态识别法：基于振型、振型曲率、结构固有频率、结构柔度、频响函数等动力特性变化的识别方法；3）智能识别法：利用神经网络、遗传算法、小波变换属于智智能识别法。桥梁结构损伤识别的主要任务就是通过实际测量数据，对结构是否有损伤、损伤种类、损伤位置、损伤程度等做出准确、合理的判断。桥梁结构的损伤识别方法大致可分为局部法和整体法两大类。桥梁结构损伤识别局部检测法具有目标针对性强，检测结果具体、准确等优点；同时也存在需要预先知道损伤部位，且受检测部位的测试条件限制较大，无法对大型结构进行全面检测等不足
4、。桥梁结构整体损伤识别主要是通过对桥梁结构特征点数据 （位移、应变、内力、频率和振型等）的检测，并结合结构自身的力学特点，来对整个桥梁结构的损伤状况进行评估的一种方法，整体法可分为静态识别法和动态识别法。整体法中因动态识别方法具有现场工作量小，实验时间短，经济代价低，也可以实现实时、在线监测等优点，以动态识别方法为主。二 、结构损伤识别技术研究现状李上明，路新瀛在基于静态位移的简支桥梁损伤识别方法一文中以简支桥梁为研究对象，建立了基于静态位移的损伤识别方法。利用结构在相同载荷作用下、不同损伤状态的桥梁静态位移，提出了桥梁曲率比的损伤定位指标。利用结构基准状态即有限元基准模型建立了损伤程度识别公
5、式。该公式可利用线性规划优化算法求解，其中有限元基准模型建立过程简单，只需要保证有限元基准模型的几何构型与桥梁结构相同即可。分析了一个具有多处损伤的简支梁，从数值模拟角度验证了所建立的损伤识别方法有效性。结果表明，曲率比的损伤定位指标能准确定位，而损伤程度识别公式可大致识别损伤程度。由于所建立的损伤识别方法仅仅基于静态挠度数据，故可在桥梁检测中参考。王艺霖，刘西拉，方从启三位学者在基于应变指标的桥梁损伤识别方法一文中，探讨了应变指标(弯曲正应变和剪切应变)在桥梁损伤识别中的应用，给出了具体的应用方式，并通过多个数值模拟实例进行了验证；考虑到该指标的显著局部性，给出了测点优化布置的方法；考虑实际
6、应用时的具体情况，分析了该方法识别结果的存在性、惟一性和稳定性问题，给出了有效的处理方法，使之有了很强的实用性。结果表明：该方法能直接发现损伤，对小损伤比较敏感，而且处理方式简单、结果可靠。但该方法有个很大的缺陷，就是过于局部性，只有在测点处截面发生损伤才能被有效识别，这就要求在结构上非常密集地布置传感器，在实际中不现实。为此，提出结合其他信息来帮助克服这一问题，分别引入一次信息(结构在典型活载下的数值模拟响应)和二次信息(受环境不利因素影响区域的判断)来得到最可能出现损伤的区段，在此区段内局部密集布置传感器。基于应变对局部损伤的敏感特性，李圭，戴佑才，戴宏亮，洪力四位学者在应变模态法在桥梁损
7、伤识别中的应用一文中，引入了应变模态法，通过比较完好桥梁和损伤桥梁的应变模态变化。即可判断桥梁损伤的位置和程度。首先在理论上给出了应变与振动模态之间的详细表达式；然后基于大型通用商用有限元软件ANSYS，对金属模型桥梁进行数值仿真模拟以及识别试验、数据分析；最后，应用应变模态法对厦门市石鼓山立交桥进行现场损伤识别，得到了该桥梁的服役状态，为桥梁质量评估和维护提供了可靠的依据。施洲，赵人达两位学者根据桥梁结构的实际工程特性，分析边界条件变异、结构损伤及其参数化问题。在基于模态参数考虑边界条件变异的桥梁结构损伤识别一文中。采用约束优化理论，建立以实测、理论模态参数误差平方和最小为目标函数的优化反演
8、问题。并基于矩阵摄动理论引入结构动力方程对应特征值与特征向量的一阶、二阶摄动量，将优化反演问题简化为非线性最小二乘法优化反演问题。针对桥梁结构边界对模态参数影响显著的实际情况，实施桥梁结构边界条件预识别，并采用单元模态应变能方法预定位损伤，提出考虑边界条件的桥梁结构损伤识别具体方法与流程。最后以一磁浮轨道方案梁为例，采用数值模拟的方法进行边界条件变异及损伤的识别验证，结果表明该方法能够有效识别边界条件的变异及构件损伤，并具有较高的识别精度。安宁，夏禾，战家旺在基于参数不确定列车作用下桥梁振动响应的桥梁损伤识别研究一文中提出了当车辆某参数值不确定时基于桥梁在线振动响应的桥梁损伤识别方法。基于列车
9、-桥梁耦合振动模型和响应灵敏度方法，利用桥梁的在线响应进行损伤识别。通过计算损伤识别结果对随机车辆参数的灵敏度并由此得到损伤因子的数学期望及方差，进一步得到各单元的损伤因子可能分布区间，并进行了算例研究。得出了如下结论：(1) 当某车辆参数值不确定且其不确定度较小时，基于桥梁在线振动响应的桥梁损伤识别灵敏度方法仍然是可行的。(2) 实际应用中可给定车辆某参数值的不确定度，据此得到各个单元识别损伤因子的分布区间，这更方便判断桥梁某处的实际情况。(3) 车体质量、一系竖向刚度和阻尼对识别结果影响较大，而转向架和轮对质量、二系竖向刚度和阻尼对识别结果影响较小。(4) 随机参数可能会导致识别出虚假损伤
10、位置，所以在实际应用中需要判断识别出的损伤位置是否为虚假损伤位置，并尽量减少参数的误差，特别是一系竖向刚度等对损伤位置识别影响比较大的参数的误差，以便得到更准确的识别结果。这三位学者在另一篇论文一种利用车激桥梁响应的互相关函数识别桥梁损伤的方法中，提出一种利用车激桥梁响应互相关函数灵敏度识别桥梁损伤的方法，通过记录设置在桥梁上的两个测点的加速度响应，比较桥梁损伤前后两点响应的互相关函数的变化值，使用灵敏度方法来识别桥梁损伤通过算例对桥梁损伤进行了识别，并与使用响应灵敏度方法得到的识别结果进行了对比结果表明，使用互相关函数灵敏度方法可以提高识别结果的准确性，而且计算较简单，收敛速度较快，同时能够
11、很大程度地抑制测点的高水平噪声，对桥梁多单元损伤也有较好的识别结果。战家旺，夏禾，张楠三位学者在基于在线振动响应的桥梁损伤识别方法一文中选用桥梁单元的刚度下降率作为损伤因子。基于铁路列车桥梁耦合振动模型，计算桥梁在线振动响应对损伤因子的灵敏度并构建灵敏度矩阵，以结构不同状态下的响应残差为约束条件建立灵敏度方程，用 Tikhonov 正则化方法求解灵敏度方程得到各单元的损伤因子，实现对桥梁损伤的定位和定量评估。应用该识别方法对简支梁桥和两跨连续梁桥的识别结果表明：该识别方法对测点位置不敏感，可根据梁上任意一个测点的响应准确确定损伤位置及损伤程度；不但能识别桥梁的绝对损伤，而且能识别桥梁的损伤增量
12、，即相对损伤；抗噪能力较强，即使噪声水平达到1O%，也能正确识别出 5%以上的损伤，但对 5%以下小幅损伤可能会有误判。南昌大学建筑工程学张 纯，宋固全两位学者在去噪正则化模型修正方法在桥梁损伤识别中的应用中，以传统基于灵敏度分析的有限元模型修正方法为基础，提出一种结合小波去噪过程的正则化模型修正损伤识别方法。为改进模型修正方法损伤识别效果，一方面利用有损结构模态与模态噪声的波形在时频域内的差异，以结构有限元模型为基准，对实测模态差进行小波去噪处理，并利用修正后的模态构造目标函数；一方面采用正则化方法改善反问题求解的非适定性。由于从输入数据和求解过程两方面同时改善了结构损伤识别反问题的求解，因
13、此可以有效抑制实测模态参数中噪声的影响，正确识别结构损伤。以连续梁桥模型为例的损伤识别数值模拟表明，所提出方法在保持识别算法鲁棒性、抑制噪声的同时，可有效提高桥梁结构损伤的识别精度。三、结论综上所述，现有文献中根据疲劳损伤力学理论基础，利用位移、应变、内力、频率和振型等数据来对整个桥梁结构的损伤状况进行识别评估。但是现有的诸多结构损伤识别手段都没有利用相对比较容易得到的检测数据桥梁结构的裂缝，来进行损伤识别评估。综合利用各种数据和方法来进行结构损伤识别将提高识别精确率。课程论文选择做桥梁的损伤识别文献综述，一是对此方向较为感兴趣；二是为今后从事桥梁损伤识别的研究奠定基础。参考文献【1】张奔牛，
14、毛成林. 桥梁结构损伤识别技术的研究进展. 重庆交通大学, 2010.【2】周明华，土木工程结构试验与检测M.南京:东南大学出版社 .2002:10-50【3】李上明，路新瀛.基于静态位移的简支桥梁损伤识别方法.清华大学深圳研究生院,2011【4】王艺霖,刘西拉,方从启.基于应变指标的桥梁损伤识别方法.上海交通大学.2011【5】李圭，戴佑才，戴宏亮，洪力.应变模态法在桥梁损伤识别中的应用J公路工程.2012【6】Je-Keun Oh,Giho Jang,Semin Oh,Jeong Ho Lee,Byung-Ju Yi,Young Shik Moon,Jong She Lee,Youngji
15、n Choi,Brige inspection robot system with machine vision.Automation in Construction,2009,18:929-941【7】施洲，赵人达.基于模态参数考虑边界条件变异的桥梁结构损伤识别.西南交通大学.2010【8】安宁，夏禾，战家旺.基于参数不确定列车作用下桥梁振动响应的桥梁损伤识别研究.北京交通大学.2012【9】战家旺，夏禾，张楠.基于在线振动响应的桥梁损伤识别方法.北京交通大学.2011【10】Chaaboch J. L. Low-cycle fatigue an life prediction, ASTM-STP-770,1982: 81-104.
