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大跨桥梁结构健康监测及损伤识别
日期:2017-8-3 9:51:43 作者:佚名 来源:本站原创
新闻中心

1. 前言

随着大跨度桥梁设计的轻柔化以及结构形式与功能的日趋复杂化,大桥的安全运营成为关系到一个国家的交通、经济发展、军事乃至人民生命财产安全的重要问题。由于大型桥梁工程往往具有投资大、设计周期和使用年限长、工作环境恶劣,易受周围大气、温度、湿度及天气的影响而发生劣化以及长期承受动荷载等特点,因而对桥梁结构进行长期的健康监测及状态评估就显得非常必要。大型桥梁的健康监测技术也因此成为桥梁工程学科研究和发展的一个重要领域[1-4]。随着计算机技术、通讯技术及各类传感技术的发展而发展起来的大型桥梁健康监测系统。力求对桥梁结构进行整体行为的实时监控和结构状态的智能化评估。在结构经过长期使用或遭遇突发灾害之后,通过测定其关键性能指标, 获取反映结构状况的信息, 分析其是否受到损伤。如果受到损伤,还要分析其可否继续使用以及剩余寿命等。这对确保桥梁的运营安全,及早发现桥梁病害,延长桥梁的使用寿命起着积极的作用。

2. 国内外发展状况

随着经济技术的发展,特别是交通网络的迅速发展,桥梁建设的形式和功能更加复杂多样化。加之跨度也愈来愈大,以及建桥的巨大投资和它在国民经济发展中的重要作用,桥梁的健康监测和安全评估工作已愈来愈受到人们的重视。各项重大工程结构中,桥梁结构健康监测得到了最广泛、最深入和最系统的研究与发展。国外桥梁结构健康监测系统的应用可以追溯到20世纪80年代,当时英国对北爱尔兰的新Foyle桥安装了长期监测仪器和自动数据采集系统,以校验大桥的设计并测量和研究车辆、风和温度荷载对大桥动力响应的影响[5]。此后,随着现代传感技术、计算机技术与通讯技术、信号分析与处理技术及结构分析理论的迅速发展,许多国家都开始在一些新建和既有大型桥梁中建立结构健康监测系统。我国桥梁结构健康监测系统的研究与应用始于20世纪90年代,依托我国大规模基础建设的背景,桥梁结构健康监测系统在我国得到了广泛的应用。与世界其他国家相比,我国桥梁结构健康监测系统具有数量多、桥梁规模大的特点。

从目前国内外主要我国桥梁结构健康监测系统的监测目标、系统功能及系统运营等方面来看,目前国内外我国桥梁结构健康监测系统的研究与应用已取得了许多可喜的成果与进展,主要反映在

2.1 通过测量结构各种响应的传感装置,能够获取反映结构行为的记录,并在桥梁通车运行后连续或间断地监测结构状态,力求获取桥梁结构连续、完整的信息;有的新建桥梁监测系统从施工监控开始,力求连续、完整的记录结构信息。

2.2 监测内容全面,除了监测结构本身的状态和行为(应力、位移、倾角、加速度、动力特性等)以外,还强调对环境条件(风、地震、温度、车辆荷载等)的监测和记录分析,同时试图通过桥梁正常车辆与风荷载下的动力效应来建立结构的总体监测样本,并借此开发实时的结构整体性与安全性评估技术。

2.3 监测仪器多样、先进,监测功能不断完善,很多监测系统都具有快速大容量的信息采集、通讯与处理能力,并实现网络共享。另外,一些重要设施的工作状态,例如斜拉索振动控制装置等也纳入长期监测的范围。

2.4 桥梁结构损伤诊断理论与方法的研究取得了一定的进展,开发了各种基于频率、阵型、阵型曲率、应变阵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(模态保证标准)法、COMAC(坐标模态保证标准)法、柔度矩阵法、矩阵振动修正法、非线性迭代法等。这些方法各具特色,在局部的范围内取得里积极的效果。近年来,更多的研究者致力于采用智能算法和先进信号分析来发展结构损伤诊断方法,例如神经网络方法、模糊数学方法、小波变形方法、Hilber-Huang变换方法和信息融合技术等。
2.5 发展了包括可靠度理论、层次分析法、模糊理论、神经网络、遗传算法以及专家系统等多种桥梁结构状态评估方法,并且初步应用于桥梁结构健康监测系统中。

传统的桥梁检测方法主要依赖于动静载试验和检测人员的现场目测。辅以混凝土硬度实验、超声波探测、腐蚀作用实验等多种检测手段。进入20世纪90年代,随着现代传感与通信技术的发展,无损检测技术更是出现了前所未有的发展势态,先后涌现出一大批新的检测方法和检测手段,使无损检测技术向着智能化、快速化、系统化的方向发展。近年来,致力于桥梁检测,研究人员提出了许多成功的方法对桥梁进行非破坏性评估。一些新的方法被广泛应用于桥梁检测,如利用相干激光雷达测试桥梁下部结构的挠度,利用全息干涉仪和激光斑纹测量桥体表面的变形状态,利用双波长远红外成像检测桥梁混凝土层的损伤,利用磁漏摄动检测钢索、钢梁和混凝土内部的钢筋等等。随着振动实验模态分析技术的发展,运用振动测试数据进行结构动力模型修正理论得到了充分的发展,为桥梁结构的安全检测开启事了新的途径。 基于振动模态分析技术,人们研究发现,结构的动力响应是整体状态的一种度量,当结构的质量、刚度和阻尼特性发生变化时,选用结构振动模态作为权数,对结构损伤前后的模态变化量进行加权处理,从而实现对单元损伤的识别和有效定位。

3. 健康监测系统在大跨度桥梁中的应用

随着现代传感技术、计算机与通讯技术、信号分析与处理技术及结构振动分析理论的迅速发展,大型桥梁结构健康监测与安全评价技术,近年来已成为国内外工程界和学术界关注的热点。


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