大跨橋梁安全監(jiān)測的技術(shù)方法分析2

三、橋架空全監(jiān)測的理論研究現(xiàn)狀
　　傳統(tǒng)檢測手段可以對橋梁的外觀及某些結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行監(jiān)測。檢測的結(jié)果一般也能部分地反映結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)，但是卻難以全面反映橋梁的健康狀況，尤其是難以對橋梁的安全儲備以及退化的途徑作出系統(tǒng)的評估。此外常規(guī)的檢測技術(shù)也難以發(fā)現(xiàn)隱秘構(gòu)件的損傷。目前得到普遍認(rèn)同的一種最有前途的方法就是結(jié)合系統(tǒng)識別，振動理論，振動測試技術(shù)，信號采集與分析等跨學(xué)科技術(shù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法。
　　在系統(tǒng)參數(shù)識別方面目前普遍采用兩種方法：頻域法和時域法。頻域法利用所施加的激勵和由此得到的響應(yīng)，經(jīng)過FFT分析得到頻響函數(shù)，然后采用諸如多項(xiàng)式擬和的方法得到模態(tài)參數(shù)，由于可以采用多次平均來消除隨機(jī)誤差對頻響函數(shù)的影響，采用頻域識別方法的精度有一定的保證，不過該法存在以下缺點(diǎn)：①基于振型不偶聯(lián)，因此，只能識別具有經(jīng)典阻尼的結(jié)構(gòu)的實(shí)模態(tài)。像大跨懸索橋這樣的結(jié)構(gòu)，具有明顯的非經(jīng)典阻尼性質(zhì)。頻域法應(yīng)用受到限制。②需要經(jīng)過FFT分析，由此帶來了諸如泄漏等偏度誤差對參數(shù)識別的影響。近來的環(huán)境脈動法可以無須知道激勵而得到振型參數(shù)，又?jǐn)U展了該法的應(yīng)用范圍[7，8].70年代后期出現(xiàn)的時域識別方法，彌補(bǔ)了頻域法的不足，可以用隨機(jī)或自由響應(yīng)數(shù)據(jù)來識別模態(tài)參數(shù)。它們不必進(jìn)行FFT分析，從而消除了FFT分析所帶來的誤差。尤其是它還可以從未知隨機(jī)激勵的響應(yīng)信號中得到隨機(jī)減量特征，因此該方法成為能依據(jù)在線信號對系統(tǒng)進(jìn)行識別的唯一方法。但也存在著一些缺陷：由于在參數(shù)識別時運(yùn)用了所測信號的全部信息，而不是截取有效的頻段，于是信號中包含的模態(tài)數(shù)目比較多，但由于實(shí)驗(yàn)測試環(huán)節(jié)及其他原因，使得其中的一些模態(tài)的信息并未被充分收集，以致只能將這些殘缺的信息看作噪聲，目前排除噪聲的方法主要有擴(kuò)階識別和最小二乘法。當(dāng)前利用ITD法對橋梁進(jìn)行在線監(jiān)測取得一定成果[9，10]綜上所述，時域法和頻域法均有自己的缺陷，應(yīng)尋找一種綜合時頻的方法以提高識別精度，近來出現(xiàn)的小波變換可以綜合時頻，可探討其在橋梁參數(shù)識別方面的應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)損傷檢測定位方面，目前可分為模型修正法和指紋分析法兩類。
　　1.精確的有限元建模是大型橋梁鳳震響應(yīng)預(yù)測的重要前提；也是結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測，損傷檢測以及實(shí)現(xiàn)最優(yōu)振動控制的基礎(chǔ)。但是，盡管有限無法得到了高度的發(fā)展，實(shí)際復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元模型仍然是有誤差的。有限元建模為結(jié)構(gòu)飛行提供完整的理論模態(tài)參數(shù)集，但這些參數(shù)常常與結(jié)構(gòu)模態(tài)實(shí)驗(yàn)得到的參數(shù)不一致。因此，必須對結(jié)構(gòu)理論模型進(jìn)行調(diào)整或修正，使得修正后的模態(tài)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)相一致，這一過程即有限元模型修正。
　　模型修正法在橋梁監(jiān)測中主要用于把實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)記錄與原先的模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合比較，利用直接或間接測知的模態(tài)參數(shù)，加速度時程記錄，頻響函數(shù)等，通過條件優(yōu)化約束，不斷地修正模型中的剛度和質(zhì)量信息，從而得到結(jié)構(gòu)變化的信息，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷判別與定位。其主要方法有：
　?。?）矩陣型法，是發(fā)展最早，最成熟，修正計(jì)算模型的整個矩陣的一類方法，它具有精度高、執(zhí)行容易的特點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是所修正的模型的物理意義不明確，喪失了原有限元模型的帶狀特點(diǎn)，這方面的代表應(yīng)屬Berman／Baruch的最優(yōu)法。
　?。?）子矩陣修正法，通過對待修正的字矩陣或單元矩陣定義修正系數(shù)，通過對宇矩陣修正系數(shù)的調(diào)整來修正結(jié)構(gòu)剛度，該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是修正后的剛度矩陣仍保持者原矩陣的對稱，稀疏性。
　　（3）靈敏度法修正結(jié)構(gòu)參數(shù)通過修正結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)彈性模量E截面面積A等來對有限元模型進(jìn)行修正。
　　上述的前兩種方法通過求解一個矩陣方程或帶約束的最小化問題來修正剛度和質(zhì)量矩陣，并假定剛度與質(zhì)量的變化相互獨(dú)立。因此，這類方法不適用于結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣變化相關(guān)的有限元模型修正。而大跨度橋梁的質(zhì)量變化通常會弓愧結(jié)構(gòu)剛度的變化，屬于典型的非線性問題。只有第三種方法利用觀測量對結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性來修正結(jié)構(gòu)參數(shù)?；诿舾行苑治龅膮?shù)修正可以從敏感分析的中間結(jié)果看出各參數(shù)對結(jié)構(gòu)振動的影響程度；并且，可直接解釋結(jié)構(gòu)物理量的修改，無須通過利用總綱陣的比較來反映修改情況。然而但待修正參數(shù)較多時，該方法常會得出違背物理意義的參數(shù)修正。
　　2.指紋分析方法，尋找與結(jié)構(gòu)動力特性有關(guān)的動力指紋，通過這些指紋的變化來判斷結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀況。
　　在線監(jiān)測中，頻率是最易獲得的模態(tài)參數(shù)，而且精度很高，因此通過監(jiān)測頻率的變化來識別結(jié)構(gòu)破損是否發(fā)生是最為簡單的。此外，振型也可用于結(jié)構(gòu)破損的發(fā)現(xiàn)，盡管振型的測試精度低于頻率，但振型包含更多的破損信息。利用振型判斷結(jié)構(gòu)的破損是否發(fā)生的途徑很多；MAC，COMAC，CMS，DI和柔度矩陣法。
　　但大量的模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)表明結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致的固有頻率變化很小，而振型形式變化明顯[11，12]，一般損傷使結(jié)構(gòu)自振頻率的變化都在5％以內(nèi)[11，12]，而Askegaard等在對橋梁的長期觀測后發(fā)現(xiàn)，在一年期間里橋梁即使沒有任何明顯的變化，其振動頻率的變化也可達(dá)10％［63］，因此一般認(rèn)為自振頻率不能直接用來作為橋梁監(jiān)測的指紋，而振型雖然對局部剛度比較敏感，但精確測量比較困難，MAC，COMAC，CMS等依賴于振型的動力指紋都遇到同樣的問題。對橋缺損狀態(tài)的評價缺乏統(tǒng)一有效的指標(biāo)，有人以模糊理論，結(jié)構(gòu)可靠度理論等為理論框架建立了各種橋梁使用性能評估老師系統(tǒng)，但必須首先建立各種規(guī)范和老師數(shù)據(jù)庫。
　　四、結(jié)論與展望
　?。?）由于大跨橋梁受環(huán)境因素影響較大，安全系數(shù)低，必須對其進(jìn)行連續(xù)實(shí)時監(jiān)測。
　　（2）由于GPS定位精度高，速度快，同其他幾種位移監(jiān)測儀器相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，可用它對大跨度橋梁做連續(xù)實(shí)時監(jiān)測，同時應(yīng)進(jìn)一步提高其精度，從而擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。目前GPS已在虎門大橋安裝成功，實(shí)現(xiàn)了對大橋連續(xù)實(shí)時監(jiān)測。
　　（3）在系統(tǒng)識別方面，比較了時域和頻域法的優(yōu)劣，今后應(yīng)進(jìn)行結(jié)合時頻的系統(tǒng)識別研究。
　?。?）在模型修正方面，應(yīng)在基于敏感性分析的基礎(chǔ)上，研究適合于大跨橋梁的模型修正方法。
　?。?）由于對橋梁缺損狀態(tài)的評價缺乏統(tǒng)一有效的指標(biāo)，應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)測試和有限元建模研究適合于大跨橋梁的指紋指標(biāo)。

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