基于動力特性橋梁損傷診斷方法研究

趙金俠

為了掌握橋梁結構在運營過程中的健康狀況，國內外許多研究人員針對橋梁損傷的診斷方法開展了大量的研究［1-3］。然而，從已報導的文獻來看，現有關于橋梁損傷診斷的研究還不夠深入，尚缺少系統、有效診斷方法，特別是多區域損傷的大型橋梁［4，5］。為此，本文擬選用對損傷敏感的動力參數作為指標，引入BP神經網絡，探討分步進行探傷、定位和量估的橋梁損傷診斷模型。

1 橋梁損傷診斷方法

橋梁結構損傷診斷可分為3個步驟:

1)判斷橋梁結構是否發生損傷;2)進行橋梁損傷定位;3)診斷橋梁的損傷程度。

1.1 橋梁探傷［4］

橋梁探傷主要是判斷整個橋梁結構是否存在損傷。大量文獻資料表明，固有頻率是最好的表征結構整體狀態的宏觀標識量。考慮到現場環境下的測量噪聲與誤差會影響整體性能的檢測，而人工神經網絡具有很強的非線性映射能力，能夠濾出噪聲或在有噪聲情況下正確識別。因此，本研究引入人工神經網絡進行橋梁探傷。

在訓練階段，選擇橋梁的固有頻率作為網絡的輸入向量，并定義包括固有頻度的輸出向量，然后將樣本集送入神經網絡進行訓練。網絡訓練完成后，比較橋梁健康狀態和損傷狀態的輸出向量，建立異常指標，作為診斷橋梁是否存在損傷的依據。

1.2 損傷定位

在確定橋梁存在損傷之后，采用橋梁結構損傷前后的振型曲率差來診斷損傷的位置。橋梁結構的曲率模態通過差分法計算［5］:

其中，C(i)j，F(i)j分別為結構的曲率模態和位移模態，i為測點位置，j為模態階次;d為相鄰兩截面的距離。

1.3 定量損傷程度

確定損傷位置后，再結合人工神經網絡對橋梁的損傷程度進行定量。采用BP神經網絡，以損傷區域的振型曲率作為網絡輸入，定義構件的損傷量作為輸出，直接定量橋梁的損傷程度。

2 實例分析

本文以襄荊高速公路上一簡支梁橋為算例，對上述的損傷診斷方法進行驗證。該橋梁全長637.06 m，上部結構為(21×30)m預應力梁，每跨雙向車道由12根T形梁組成，橋梁的第4，5跨的立面及截面(單向車道)如圖1所示。考慮對稱性，本文運用大型有限元軟件ANSYS對該橋第5跨的單向車道建立了三維有限元模型，如圖2所示。該模型根據實測動靜載實驗結果進行了校正，保證其能夠準確地反映實際結構的動力特性。為方便損傷定位，沿橋軸方向利用節點處的33個截面將橋面分為32個區域，如圖3所示。

在本研究中，橋梁損傷是通過降低單元的剛度來模擬，產生如表1所示的損傷工況。在以下的損傷診斷中，主要考慮橋梁的豎向彎曲模態。

表1 損傷工況

為模擬實測數據，在有限元分析的模態參數基礎上加一個隨機數:

其中，y為模擬實測的動力參數;ya為有限元值;ε為噪聲程度指標;r為正態分布隨機數。

本文選用前8階固有頻率來對該橋進行探傷，建立了8-5-8的BP網絡結構。訓練網絡的樣本集采用橋梁健康模式樣本產生的500組數據，而檢驗網絡采用每種損傷工況產生的500組的檢驗樣本，探傷結果如圖4所示。從圖4可以看出，損傷工況的異常指標明顯偏離健康異常指標，可見，該方法能準確診斷結構是否存在損傷。

損傷定位選用前5階豎向彎曲振型進行計算。考慮到前5階6根梁的振型在同階模態幾乎相同，故選取沿橋軸方向中間33個節點計算各工況的曲率差，如圖5所示。從圖5可以看出，曲率模態差曲線上數值出現突變的位置正好對應工況的損傷位置，對于多區域損傷的工況4，利用該方法也能正確對待識別出來。

最后階段是在損傷區段中找出損傷構件，并評估它的構件程度。本研究建立了5-8-6的BP網絡結構結構，輸入為前5階損傷區段的曲率，輸出為損傷區段6段梁的損傷程度。

利用有限元模型分別模擬損傷區域中的單元發生8種損傷程度，即 10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，每種損傷程度按式(2)產生100個數據組。因為每根梁均有可能發生損傷，故一共要產生100×8×6個訓練樣本。將訓練好的網絡檢測表1中的損傷工況，結果如圖6所示。從圖6可以看出，如果損傷區域只是單個構件出現損傷，其識別效果很滿意。對于多個構件同時出現損傷的情況(工況3)產生了誤判情況，但真正損傷的構件被診斷的結果偏安全。

3 結語

對于復雜的橋梁結構來說，直接識別具體的損傷情況是十分困難的。基于橋梁結構中對損傷敏感的動力參數，結合人工神經網絡的多步損傷診斷方法將大大提高識別效果。作者利用ANSYS程序對實際工程中的某一簡支梁橋進行了模擬損傷診斷分析，驗證了該方法的有效性。值得注意的是，要提高該技術在實際工程中的診斷效果，必須要解決橋梁結構動力參數的精度問題。

［1］Balageas V.D.，Fritzen C.P.，Guemes A..Structural Health Monitoring［M］.France:Iste Publishing Company，2006.

［2］王開鳳，張謝東.土木工程結構損傷識別研究［J］.公路，2008(1):154-159.

［3］李宏男，高東偉，伊廷華.土木工程結構健康監測系統的研究狀況與進展［J］.力學進展，2008，32(2):151-166.

［4］劉沐宇，謝建和.鋼管混凝土拱橋的模擬損傷動力診斷分析［J］.武漢理工大學學報，2005，27(8):38-41.

［5］鄧 焱，嚴普強.梁及橋梁應變模態與損傷測量的新方法［J］.清華大學學報(自然科學版)，2000，40(11):123-127.