改善橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別系統(tǒng)的分析與思考

崔 飛，王清遠(yuǎn)，陳宜言，石宵爽

(1.四川大學(xué)，成都 610065;2.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院，廣東 深圳 518029)

1 橋梁損傷識別系統(tǒng)的應(yīng)用概述

國內(nèi)外近年來在一些大橋上耗費(fèi)巨資興建了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。其出發(fā)點(diǎn)都是希望能通過大橋響應(yīng)信息(尤其是振動(dòng)信息)的采集與處理，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)損傷的判別及工作狀態(tài)的評估。橋梁損傷識別系統(tǒng)的核心是結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)。結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)的應(yīng)用源自航空、航天、機(jī)械裝備等領(lǐng)域，因此傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法主要關(guān)注結(jié)構(gòu)裂紋的出現(xiàn)與發(fā)展，尤其關(guān)注結(jié)構(gòu)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中裂紋產(chǎn)生的可檢測性。典型結(jié)構(gòu)損傷識別方法可以分為如下三種。

1)基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性(動(dòng)力指紋)變化的損傷識別方法

基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性(動(dòng)力指紋)變化的損傷識別方法以振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)、激振試驗(yàn)為基礎(chǔ)，其基本原理是:根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程，結(jié)構(gòu)中特定部分的質(zhì)量和剛度的損失，將在自振頻率和振型的測量中有所反映，當(dāng)系統(tǒng)自振頻率和振型的測量值與原始未損傷系統(tǒng)自振頻率和振型之間出現(xiàn)了差異時(shí)，就表示系統(tǒng)中出現(xiàn)了損傷。比較常見的幾種基于振動(dòng)的損傷識別有利用頻率、振型變化識別，柔度矩陣識別，殘余力向量損傷識別等。

2)基于結(jié)構(gòu)損傷模板匹配的識別方法

基于結(jié)構(gòu)損傷模板匹配的識別方法的核心思路是對原結(jié)構(gòu)通?？赡馨l(fā)生的各種損傷情況所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)建立標(biāo)準(zhǔn)模式庫。結(jié)構(gòu)需要做損傷識別時(shí)即通過把當(dāng)前的結(jié)構(gòu)反應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)模式庫作比較，以此利用模糊比對確定其損傷情況。

3)基于反問題優(yōu)化或演化求解的結(jié)構(gòu)損傷方法

基于反問題優(yōu)化或演化求解的結(jié)構(gòu)損傷識別方法大體有兩種:一種是把結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的矩陣作為識別對象，基于矩陣攝動(dòng)方法求出矩陣的攝動(dòng)值，見諸于文獻(xiàn)的有最佳矩陣法、靈敏度法、特征結(jié)構(gòu)分配法、混合法等;另一種方法則是以結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)作為識別對象，如彈性模量、截面慣性矩、質(zhì)量、阻尼等，根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息、目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)造、約束條件以及優(yōu)化求解方法的不同，近年來發(fā)展了系列的求解方法。

然而由于理論與實(shí)踐在一定程度上的脫節(jié)、測試技術(shù)的相對滯后、算法結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及抗干擾性相對欠缺等因素，特別是對于橋梁一類大型土木結(jié)構(gòu)，其損傷包括結(jié)構(gòu)的受力裂縫、關(guān)鍵構(gòu)件的銹蝕、預(yù)應(yīng)力的損失、支承系統(tǒng)的失效、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的異常變位、鋼結(jié)構(gòu)連接的松弛或失效、多梁橋的橫向連接失效、結(jié)構(gòu)在正常服役期間的振動(dòng)過劇、結(jié)構(gòu)的非均勻沉降等，顯然依據(jù)目前發(fā)展的損傷識別方法所建成的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)很多實(shí)際上并未達(dá)到其設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 橋梁損傷識別系統(tǒng)發(fā)展瓶頸的分析

從實(shí)際的運(yùn)行效果看來，很多橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)距離設(shè)想的目標(biāo)仍有不小的距離。其中的困難與疑惑聚焦在橋梁損傷識別技術(shù)上，具體體現(xiàn)在以下三方面:

1)測試問題:試驗(yàn)的數(shù)據(jù)不完備，局限于測試規(guī)模，橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)/靜載試驗(yàn)通常只能在關(guān)鍵截面上布置少量的傳感器;測試精度有待提高，由于工作環(huán)境的影響及試驗(yàn)水平的限制，振動(dòng)試驗(yàn)獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度偏低，此外轉(zhuǎn)角自由度的偏轉(zhuǎn)值也難以精確測量;測試數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)局部損傷不敏感。例如從振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)獲取的低頻模態(tài)在大多數(shù)情況下對結(jié)構(gòu)損傷尤其是局部損傷不敏感，對結(jié)構(gòu)局部損傷敏感的高頻模態(tài)卻又難以準(zhǔn)確測取;針對結(jié)構(gòu)損傷識別缺乏系統(tǒng)有效的傳感器優(yōu)化布設(shè)方法;大型結(jié)構(gòu)的加載、激振條件有限。

2)算法問題:基于力學(xué)反問題求解策略的參數(shù)識別方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差的敏感度較高;基于Monte Carlo法等試圖對解空間進(jìn)行隨機(jī)及徹底搜索的算法理論上可以避免反問題求解方法的困難，但在當(dāng)前的計(jì)算條件下難以求解大型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜問題。由于存在試驗(yàn)數(shù)據(jù)不完備與待識別、修正參數(shù)數(shù)量巨大的矛盾(結(jié)構(gòu)越大及越復(fù)雜，矛盾越尖銳)，傳統(tǒng)的基于靈敏度分析的求解過程穩(wěn)定性較差，解難以收斂。目前發(fā)展的大多數(shù)算法針對的是時(shí)不變線彈性結(jié)構(gòu)，沒有考慮結(jié)構(gòu)幾何、材料及連接非線性的影響。

3)應(yīng)用問題:①當(dāng)前發(fā)展的很多損傷識別算法對于橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用缺乏針對性，橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的精密程度較航空、航天結(jié)構(gòu)構(gòu)件等相去甚遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)中信息的不確定性比很多其他領(lǐng)域更強(qiáng)，在役混凝土構(gòu)件與設(shè)計(jì)相比離散程度很高，普通混凝土結(jié)構(gòu)本身就是設(shè)計(jì)為帶裂縫的工作狀態(tài)，混凝土結(jié)構(gòu)存在的大量細(xì)微裂縫(如收縮裂縫等)不會(huì)演化成橋梁的安全問題;② 在應(yīng)用層面上缺乏系統(tǒng)有效的應(yīng)用成果，在役橋梁由于在結(jié)構(gòu)形式、材料應(yīng)用、幾何尺寸(主要是跨度)等因素上存在很大差別，對于不同種類的橋梁宜采用不同方法、不同層次的損傷識別技術(shù)。對橋梁損傷涉及的一些問題缺少系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，如關(guān)鍵構(gòu)件的銹蝕、支承系統(tǒng)的失效、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的異常變位和多梁橋的橫向連接失效等。

筆者認(rèn)為橋梁損傷識別系統(tǒng)遇到的算法問題相對容易解決，未來改善橋梁損傷識別系統(tǒng)內(nèi)容有:①建立系統(tǒng)的參照計(jì)算模型(既可以是確定性的也可以是不確定性的)，通過不同時(shí)期關(guān)鍵參數(shù)的相關(guān)性比較確定橋梁狀態(tài)的變化;②面對研究對象的復(fù)雜性與不確定性，橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別的結(jié)果強(qiáng)調(diào)的不應(yīng)是其絕對真實(shí)值，而是其合理評估值;③降低損傷識別系統(tǒng)對測試條件的要求;④綜合應(yīng)用各種信息。

3 改善橋梁損傷識別系統(tǒng)的設(shè)想

為了充分應(yīng)用已建成橋梁損傷識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息(位移、應(yīng)變、振動(dòng)模態(tài)信息)，同時(shí)發(fā)揮有限元模型分析的強(qiáng)大效能，提出了一個(gè)基于傳統(tǒng)有限元模型修正方法的橋梁損傷識別系統(tǒng)的設(shè)想。系統(tǒng)的流程框架見圖1。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):利用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法解決了試驗(yàn)數(shù)據(jù)不完備與待識別、修正參數(shù)數(shù)量巨大的矛盾;解決了待識別參數(shù)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的敏感性不足。

圖1 利用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法改善的結(jié)構(gòu)損傷識別系統(tǒng)流程

4 結(jié)語

本文在近年來有關(guān)研究的基礎(chǔ)上分析了橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別系統(tǒng)面臨的瓶頸問題，提出了解決問題的關(guān)鍵在于充分利用各種信息，充分應(yīng)用當(dāng)前結(jié)構(gòu)分析的最新成就，引入人工智能的辯識與聯(lián)想功能，在結(jié)構(gòu)損傷識別過程中追求合理評估值而非精確求解值。在此基礎(chǔ)上降低損傷識別系統(tǒng)對測試條件的要求，使橋梁損傷識別系統(tǒng)真正走向?qū)嵱谩?/p>

［1］劉正光，黃啟遠(yuǎn).橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)［C］//第十三屆全國橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1998.

［2］李俊萍，李霆.工程結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.華北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，23(5):356-360.