基于振動測量的大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法

鄭 晗，何山清

(武漢輕工大學(xué)土木工程學(xué)院)

1 概 述

橋梁結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測一般可分為整體檢測法和局部檢測法兩大類。局部檢測法主要有目檢法、以及染色法、回彈法、超聲脈沖法、射線法、磁場擾動法等物理手段的無損探傷方法。該類方法已比較成熟，可較精確的對結(jié)構(gòu)缺陷部位進(jìn)行探察和定量分析;但它通常需要預(yù)先了解損傷發(fā)生的大致位置，另外，結(jié)構(gòu)的許多部位難以用以上方法實(shí)現(xiàn)檢測。整體監(jiān)測方法目前主要是基于結(jié)構(gòu)振動信號測量、建立在結(jié)構(gòu)振動模態(tài)分析與參數(shù)識別基礎(chǔ)上的整體狀態(tài)監(jiān)測評估技術(shù)。它不需要大型加載設(shè)備，不影響橋梁正常運(yùn)行，可以連續(xù)或間歇地觀測，甚至可以做到全天候自動監(jiān)測，近二十年來成為該研究領(lǐng)域的熱門課題。這種基于振動測量的橋梁結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測方法，其基本原理在于:結(jié)構(gòu)振動的動態(tài)特性(如頻率響應(yīng)函數(shù)和模態(tài)特征參數(shù)—固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼比等)是結(jié)構(gòu)物理特性(如質(zhì)量、剛度、阻尼等)的函數(shù);因此，結(jié)構(gòu)物理特性的變化，如結(jié)構(gòu)部位出現(xiàn)裂紋或連接件的松動等造成結(jié)構(gòu)剛度下降，將引起頻率響應(yīng)函數(shù)和模態(tài)特征參數(shù)出現(xiàn)可檢測的變化;它們以及它們的導(dǎo)出量的變化可以作為結(jié)構(gòu)損傷的特征指標(biāo)，并且基于振動的損傷診斷過程最終簡化為某種形式的模式識別問題。

結(jié)構(gòu)損傷檢測按對損傷進(jìn)行探察和分析的程度可以劃分為四個層次，即(1)層次1:確定結(jié)構(gòu)是否有損傷產(chǎn)生。(2)層次2:在層次1 基礎(chǔ)上并確定損傷的大致位置。(3)層次3:在層次2 基礎(chǔ)上并能量化損傷的嚴(yán)重程度。(4)層次4:在層次3 基礎(chǔ)上并能預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。目前，基于振動測量的橋梁結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測方法在不結(jié)合運(yùn)用結(jié)構(gòu)解析計(jì)算模型條件下，主要給出層次1 和層次2 水平的損傷識別;在運(yùn)用結(jié)構(gòu)解析模型條件下，對于一些結(jié)構(gòu)類型可以給出層次3 水平的損傷識別;層次4 的預(yù)測通常還涉及斷裂力學(xué)、疲勞壽命分析等學(xué)科，將不在綜述范圍。另外，基于結(jié)構(gòu)非線性振動響應(yīng)分析或非參數(shù)模型的方法(如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法)也不作討論。

2 橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別的振動激勵方式

橋梁的SHM 振動動態(tài)特性測試，首先需要有運(yùn)行環(huán)境或人工施加的方式激勵起現(xiàn)場橋梁結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，人工激振方法與橋梁動載試驗(yàn)時采用的相同。

2.1 人工激振

(1)沖擊激勵

一般采用突然加載和突然卸載兩種方法。突然加載法是在被測結(jié)構(gòu)上急速施加一個沖擊作用力。如在現(xiàn)場測試中，采用試驗(yàn)車輛的后輪從三角墊塊上突然下落對橋梁對橋梁產(chǎn)生沖擊作用，激起橋梁的豎向振動，簡稱“跳車試驗(yàn)”，如圖1 所示;當(dāng)測試某一構(gòu)件時(如拉索)常采用木錘敲擊的方法。突然卸載法是在結(jié)構(gòu)上預(yù)加一個載荷，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個初位移，然后突然卸去載荷，利用結(jié)構(gòu)的彈性使其產(chǎn)生自由振動;圖2 所示就是一種用來激勵橋梁側(cè)向振動的突然卸載裝置示意圖。這類激振方法具有便于實(shí)現(xiàn)、作用點(diǎn)可變以及可以激勵出寬頻振動等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 “跳車試驗(yàn)”及三角墊塊示意圖

圖2 激勵橋梁側(cè)向振動的突然卸載法示意圖

(2)強(qiáng)迫激勵

強(qiáng)迫激勵法是利用專門的激振裝置，如偏心質(zhì)量塊激振器、液壓伺服激振器等，對橋梁結(jié)構(gòu)施加激振力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動。對于原型橋梁結(jié)構(gòu)，常常采用試驗(yàn)車輛以不同的行駛速度通過橋梁，使橋梁產(chǎn)生不同程度的強(qiáng)迫振動，簡稱“跑車試驗(yàn)”。如常采用一輛十噸重的試驗(yàn)車輛分別以20、40、60、80 km/h 的速度進(jìn)行跑車試驗(yàn)。

2.2 環(huán)境激振

運(yùn)用環(huán)境激勵(風(fēng)載、地脈動、車輛激勵等)下振動響應(yīng)，使人們能在實(shí)際使用環(huán)境下得以評估橋梁的狀態(tài)。對于大型橋梁來說，它是最可行的一種激振方式，具有節(jié)省人工和設(shè)備費(fèi)用、安全性好、不影響橋梁運(yùn)行等顯著優(yōu)點(diǎn)。自然環(huán)境振動條件下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)測試數(shù)據(jù)，具有非平穩(wěn)性、幅值小、隨機(jī)性強(qiáng)和數(shù)據(jù)量巨大的特點(diǎn)，另外，由于不能確定激勵輸入，無法把握激勵頻段范圍，這些給結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的識別帶來很大的難度，也是當(dāng)前該研究領(lǐng)域的難點(diǎn)。

3 橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別的振動測量方法

3.1 模態(tài)振型曲率方法

Pandey 等假設(shè)結(jié)構(gòu)損傷僅降低結(jié)構(gòu)剛度，不影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量。作者通過對簡支梁的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)損傷前后結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型曲率在損傷位置處將發(fā)生突變，且突變大小與損傷程度成正比。這是因?yàn)橛捎诹旱那逝c其彎曲剛度成反比，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時，在損傷處結(jié)構(gòu)的剛度會降低，此處的曲率就會增大，從而引起振型曲線的曲率增大。由損傷出現(xiàn)前后測試的位移模態(tài)振型，可數(shù)值計(jì)算得到各處模態(tài)振型曲率。因此曲率模態(tài)的變化可以反映結(jié)構(gòu)局部特征的變化，對局部損傷敏感，可以用來確定結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生和損傷的位置，是一種比較理想的損傷識別指標(biāo)。

3.2 應(yīng)變模態(tài)方法

位移模態(tài)反映了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的固有振動形態(tài)，代表其固有的能量平衡形式。應(yīng)變是位移的一階導(dǎo)數(shù)，對應(yīng)于每一階位移模態(tài)，則必有其對應(yīng)的固有應(yīng)變分布狀態(tài)，這種與位移模態(tài)相對應(yīng)的固有應(yīng)變分布狀態(tài)稱之為應(yīng)變模態(tài)。和位移模態(tài)一樣，應(yīng)變模態(tài)反映了結(jié)構(gòu)的固有特征。Yao 等提出了基于應(yīng)變模態(tài)概念的結(jié)構(gòu)損傷檢測技術(shù)。當(dāng)一個結(jié)構(gòu)受到損傷時，其力的平衡狀態(tài)會發(fā)生變化，這種變化可以從測量結(jié)構(gòu)在損傷前后的應(yīng)變模態(tài)來發(fā)現(xiàn)。內(nèi)力重分布的程度反映了損傷的大小，由于在損傷附近內(nèi)力重分布最大，由此可以根據(jù)應(yīng)變模態(tài)的劇烈變化來確定損傷位置。Seran 和Stubbs建立了用應(yīng)變模態(tài)表示的估計(jì)損傷位置和程度的公式。應(yīng)變模態(tài)對結(jié)構(gòu)的局部變化如開口、裂紋等非常敏感，更有利于進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷的檢測。文獻(xiàn)指出，以應(yīng)變(應(yīng)變、應(yīng)變模態(tài)、曲率模態(tài)等)為基礎(chǔ)的損傷定位方法，明顯優(yōu)于以位移(位移、位移模態(tài)、柔度矩陣等)為基礎(chǔ)的損傷定位方法。

3.3 模態(tài)柔度矩陣方法

對于多自由度系統(tǒng)，柔度矩陣與剛度矩陣具有互逆性。因此，柔度矩陣與結(jié)構(gòu)靜載荷和位移響應(yīng)有關(guān)。由剛度矩陣可知，柔度矩陣的每一列表示了單位荷載作用下結(jié)構(gòu)的各個自由度的位移響應(yīng)。Pandy 和Biswas 提出了用于檢測損傷出現(xiàn)和損傷位置的柔度矩陣方法，其關(guān)鍵是柔度矩陣可由低階位移模態(tài)得到較準(zhǔn)確的估計(jì)。一般來講，基于柔度矩陣變化的損傷識別方法主要是通過比較結(jié)構(gòu)損傷前后柔度矩陣的差別來進(jìn)行損傷識別的，主要有柔度矩陣變化的直接比較法、單位陣檢查法和剛度誤差法。Yan 和Golinval 由柔度矩陣求偽逆得到對應(yīng)的剛度矩陣，結(jié)合這兩個矩陣的變化定位損傷位置。Patjawit 和Nukulchai 給出一個整體柔度指標(biāo)來推斷公路橋梁的健康狀態(tài)劣化，取測得的模態(tài)柔度矩陣的譜范數(shù)為指標(biāo)。

3.4 模型修正方法

基于振動的結(jié)構(gòu)損傷識別和結(jié)構(gòu)動力學(xué)計(jì)算模型修正問題在理論和方法上有著類似性:結(jié)構(gòu)損傷定位和量化相當(dāng)于結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型參數(shù)誤差定位和修正。它們同屬結(jié)構(gòu)動力學(xué)反問題，其中建模誤差定位和結(jié)構(gòu)損傷定位正是這類反問題的關(guān)鍵和瓶頸。對于新建結(jié)構(gòu)，由于建模誤差、對結(jié)構(gòu)參數(shù)估計(jì)誤差等原因，理論解析模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)存在差別，理論解析模型并不能真正反映實(shí)際結(jié)構(gòu)，通過對實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，根據(jù)實(shí)測響應(yīng)對模型修正，得到比較符合實(shí)際的模型，從而對理論模型有一個正確的估計(jì)，以此作為新建結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)模型。

對于已使用了一段時間的結(jié)構(gòu)，基于結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)有限元模型和測試數(shù)據(jù)，形成約束優(yōu)化問題，通過修正結(jié)構(gòu)有限元模型，使其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與測量靜、動力響應(yīng)盡可能接近，求解得到修正后的模型，比較修正后模型和結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)模型，就能定量確定損傷的位置和程度。結(jié)構(gòu)損傷的模型修正法主要包括矩陣優(yōu)化修正法、子矩陣修正法、基于敏感性分析的修正方法和特征結(jié)構(gòu)分配法等方法。

4 展望與結(jié)語

(1)如何較好地利用損傷結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)特性;(2)提出如何優(yōu)化配置傳感器數(shù)量及位置的改進(jìn)方法;(3)找出對低損傷水平敏感的特征量;(4)提高區(qū)分不同因素引起特征量變化的能力，即區(qū)分損傷發(fā)生與環(huán)境和/或測試條件變化;(5)提出有效的統(tǒng)計(jì)方法判別結(jié)構(gòu)損傷與否。

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