基于強震動臺陣實時數據的懸索橋結構診斷融合指標研究

王立新 朱嘉健

背景

強震動觀測是認識地震動特征和各類工程結構地震反應特性的主要手段，可以為研究強地面運動的特性和工程結構抗震設計方法與技術、編制地震動參數區劃圖和各類結構抗震設計規范提供重要的基礎資料。世界各國都非常重視強震動觀測臺網的建設。自1933年世界上第一個強震動臺站建設以來，全球用于強震動觀測的儀器數量現已達3萬余臺。

我國地震工程界歷來也十分重視強震動觀測工作。自1962年在新豐江大壩上布設了我國第一個強震動觀測臺站以來，強震動觀測臺網的規模與密度有了顯著增長。然而，應該看到，我國強震動觀測與發達國家和地區相比尚有較大的差距，除臺網密度仍有待提高之外，還突出表現在技術支撐系統不完備，系統功能還多局限于觸發式的強震動記錄，在震害快速評估、地震緊急處置、結構健康監測與診斷等工程服務方面尚處于起步階段，直接服務工程和社會的能力亟需提升，這也嚴重制約著強震動觀測工作的進一步開展。

隨著數字強震儀的投入使用和現代通信技術的發展，使得強震動觀測由原來的觸發記錄模式轉變為實時記錄傳輸成為了可能，這也為開展震害快速評估、結構健康監測和診斷奠定了基礎。但與通常的結構健康監測系統不同的是，強震動臺陣具有測點較少、傳感器類型單一、對實時性要求較高等特點。強震動臺陣的這些特點對傳統的數據分析及結構診斷方法提出了新的挑戰。理想的分析診斷方法應具有抗干擾性強，對傳感器布置依賴程度小，自動化程度高，盡可能減少人工干預，適合分析海量的連續監測數據的特點。因此，研發適用于強震動臺陣的結構分析診斷方法，已成為我國目前已建成的眾多橋梁、建筑和水庫大壩強震動監測系統迫切需要解決完善的一個技術難題。

圖1 主跨1108米的珠江黃埔大橋南汊懸索橋

研究內容

本項目主要從實橋監測數據分析和有限元模擬兩方面開展研究。為不失一般性，項目選取了典型懸索橋——珠江黃埔大橋南汊懸索橋作為研究對象。珠江黃埔大橋南汊懸索橋主跨1108m，主梁寬41.69m，橋塔高197m（圖1），于2008年12月建成通車，為當時世界同類橋梁最寬、華南地區跨徑最大的鋼箱梁懸索橋，代表了我國近年來建成的規模大、技術復雜的特大型橋梁工程。廣東省地震局于2009年通車伊始即在該橋上安裝了24通道的實時強震動監測臺陣，至今已積累了大量的連續監測記錄。

項目主要研究內容包括：

（1）基于強震動臺陣實時數據的橋梁結構多特征指標提取；

（2）橋梁有限元模型建立及修正；

圖2 橋梁結構特征指標提取

圖3 多指標融合診斷技術流程圖

（3）橋梁數值模擬及多指標融合算法研究；

（4）融合算法和指標的實橋應用與檢驗。

研究成果

（一）基于實時數據的橋梁結構融合指標提取

一般來說，工程結構的損傷會導致剛度、質量及阻尼等結構參數的變化，這些參數的變化信息會隱藏在結構振動響應當中。盡管不能直觀地從強震動臺陣實時監測數據中看到結構損傷，但通過特定的分析方法可以從中提取結構特征指標，通過特征指標來對結構損傷進行診斷。

本項目以珠江黃埔大橋為例，從強震動實時監測數據中提取模態頻率、小波包能量、主成分、二次協方差（CoC）矩陣等多種結構動力特性指標。選取的這些指標除了可有效反應結構狀態之外，還具有計算過程基本不需人工干預、適合自動處理等優點，尤其適合海量實時監測數據的分析處理。圖2是提取的4種橋梁結構特征指標示例。

由于實際工程自身結構復雜，并處于復雜的運營和自然環境之中，單一的動力特性指標往往只對特定的損傷信息敏感，或僅包含有限的信息，僅僅依靠單一指標進行損傷診斷可能會導致誤判、漏判。因此，本項目的一個突出創新點就是采用信息融合技術將橋梁結構多個特征指標進行融合，最終得到一個融合指標，以此對橋梁結構的健康狀況進行診斷。

為比較不同融合技術的優劣，本項目采用了加權平均、貝葉斯理論、D-S證據等3種融合算法對多指標進行融合，通過數值模擬算例來檢驗不同算法的適用性，最終得到適合懸索橋強震動臺陣的結構診斷融合算法及指標。圖3是所采取的多指標融合診斷技術的流程圖。

（二）橋梁有限元模型建模及模型修正

根據設計圖紙與材料參數，利用大型通用有限元軟件建立了珠江黃埔大橋懸索橋有限元模型（圖4）。為了使模型更接近于實際結構，根據強震動臺陣記錄到的環境振動監測數據，使用模態識別方法獲取了大橋的各階自振頻率；以這些自振頻率為基準，對有限元模型進行了修正。修正前后模型的各階自振頻率與實測頻率之間的誤差如圖5所示。由圖5可知，相比于初始模型，修正后模型的各階頻率更接近實際結構的自振頻率。因此，修正后的模型能更準確地反映橋梁結構的當前動力特性。

圖4 珠江黃埔大橋懸索橋有限元模型

圖5 模型修正前后頻率誤差對比

（三）橋梁損傷模擬及損傷模式庫的建立

在修正的有限元模型的基礎上，對大橋模型施加不同的地震激勵。通過計算橋梁各個部位的應力分布情況，來評估大橋的地震易損部位。進一步，根據橋梁易損部位的分析結果并考慮結構的對稱性，選擇橋塔、箱梁及懸索多個單元作為代表性損傷單元，進行下一步的損傷模擬。對每個單元分別設計了5種損傷工況，即單元剛度分別折減10%、20%、30%、40%及50%。根據上述損傷模式設計，對珠江黃埔大橋進行了損傷模擬，得到了不同構件損傷工況的模擬結果。

基于上述損傷工況設計及相應模擬結果，采取第一部分所述的特征指標提取算法，可獲得與各種損傷工況對應的一系列橋梁結構特征指標及融合指標。最后，集合所有模擬的損傷工況及其對應的各種橋梁結構特征指標，可建立起一個珠江黃埔大橋懸索橋損傷模式庫。典型的損傷特征指標模式樣本如圖6所示。

在地震、撞擊等突發事件發生后，通過將實測得到的橋梁特征指標與損傷模式庫中的特征參數進行快速比對，即可對橋梁可能出現的損傷及其位置和程度做出快速評估和診斷，從而為災后應急響應和平時橋梁養護提供科學依據。當然，本項目只是開展了初步研究，隨著有限元模型精度的提高和損傷模擬樣本數量的增多，診斷的準確度有望進一步提升。

成果應用

本項目研發了一套適合懸索橋強震動臺陣的結構診斷融合算法及相應指標，實現了對連續監測數據的實時分析，通過融合指標對結構損傷做出診斷和報警。所研發的算法及指標體系在珠江黃埔大橋強震動監測系統上進行了較長期的應用示范。基于2016年1月1日至2018年12月31日期間大橋強震動觀測數據，計算得到了橋梁結構各獨立特征指標及融合指標的計算值，以數據庫格式儲存；基于有限元損傷模擬建立了大橋損傷特征指標模式數據庫，合計含23688個模式樣本。

圖7是部分時段融合指標計算結果示例，圖中每個點代表每分鐘計算得到的融合指標值，上下兩條紅線代表根據長期監測結果得到的95%置信區間范圍。可見，在正常狀態下，融合指標基本在95%置信區間內波動；一旦指標系統性地偏離了這個區間，代表結構可能出現損傷，可能的損傷位置及程度可結合損傷模式庫進行進一步判斷。

圖6 橋塔單元損傷對應的特征指標模式樣本示例

圖7 融合指標計算結果示例

未來展望

本項目研究成果為懸索橋強震動臺陣連續監測數據的分析處理和結構診斷提供了技術方法和實用工具，整個過程不需要人工干預，非常適合多結構臺陣海量實時監測數據的分析處理。研究成果使得橋梁強震動監測系統能夠在地震、臺風、爆破或撞擊等突發事件發生后，快速做出結構損傷評估和警報，為橋梁方和政府部門的抗震救災工作提供決策依據；在日常狀態下，可對橋梁結構健康狀況進行實時監測診斷，為橋梁養護與管理決策提供科學依據。成果的投入使用可大大提高強震動臺陣的數據利用效率，增強其服務社會和企業的能力，促進強震動監測的進一步推廣和應用。

當然，研究成果還存在較大的發展空間，包括如何更可靠地識別結構損傷，如何更準確地確定損傷的位置及程度，如何拓展到其他類型的橋梁乃至高層建筑、水庫大壩等更廣泛的工程結構等等，這些問題有待進一步的研究和深入探討。