【原创】桥梁的结构健康监测

azureps

　　成功开发桥梁检测技术及预警系统将起到确保桥梁安全运营，延长桥梁使用寿命等作用。同时通过早期桥梁病害的发现，能够大大节约桥梁的维修费用，避免频繁大修关闭交通所引起的重大损失，最大程度减小桥梁事故造成损失的重要手段。桥梁监测预警系统是对结构进行实时监测及时反馈桥梁信息的新型桥梁安全理念，于上世纪80年代中后期首次在英国的总长为522m的三跨变高度连续钢箱梁桥——Foyle大桥上实施，另外采用此项技术较典型的桥梁还有挪威的Skarnsundet斜拉桥(主跨530m)，美国主跨440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥、丹麦主跨1624m的Great Belt East悬索桥等 。我国自90年代起也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的结构监测系统，如香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥，内地的上海徐浦大桥以及江阴长江大桥等。桥梁智能监测已经成为桥梁建设的一大重要组成部分，其投资占桥梁建设总投资的0.5%～2.0% 。我国新建落成的东海大桥采用的健康监测系统是集结构服役环境监测和桥梁服役力学状态监测，并结合如交通事故、常规检测、专家评估于一体的健康监测系统，是大型桥梁管理较成功的例子。但总的来说我国的桥梁健康监测还存在着许多问题，仍处于起步阶段，与国际水平相比还有较大差距。例如：获取桥梁状态原始数据的手段相对比较传统，测量结果的长期准确、可靠性还不令人满意;而且绝大多测试还是在中断交通的条件下，通过人工测试获取有限的数据，然后进行后续数据分析处理与安全评价的传统桥梁监测手段;少数已有的自动监测系统在数据的通讯与网络传输等方面还比较欠缺;缺乏建立桥梁结构 “病历”、“指纹”所需的长期、完整的结构状态响应数据库;各种结构安全的评价理论与方法仍然在探索中。

　　个人认为要建立桥梁健康监测预警系统重点要把握好三个部分：现场结构信息测试技术，损伤识别方法研究和预警系统研发。在近二十年内，国内外学者对此也展开了富有成效的研究，以下对它们在工程中使用作下述评述：

　　在现代测试技术中，还存在着不少有待解决的问题，如数据的远距离传输，测试精度以及测试数据不完备等问题。某些问题在大型桥梁结构的测试中尤为突出。目前在桥梁测试中主要有以下几种：(1)红外线热成像技术多用于混凝土桥梁检测, 2)GPS全球定位系统可以直接测量可以直接测量三维的空间运动。3)传感器测试技术，近年来，发展起来的激光、光纤传感器可以连续检测结构内部信息，已经有成功例子将光纤传感器植入结构 进行监测的例子，新型传感器的使用无疑将会给结构健康监测带来极大的便利。建于山东滨州黄河大桥健康监测系统使用了96个FBG应变温度仪，2个风速仪，39个加速度传感器和4个GPS定位器 。先进的传感器是获得桥梁信息的先决条件，多种传感器及测试手段的综合利用将有效的保证测量信息的完整性和可靠性。

　　其次，早期的损伤识别方法的研究来源于机械系统的故障诊断，经过40多年的研究，结构的损伤检测也已形成了许多的识别方法，建立了多种损伤指纹指标。但这些方法主要集中在对结构整体性能的评价和分析上 ，对结构局部损伤研究不够。主要原因是结构的局部损伤对结构整体性能的影响不大，对于大型超静定结构甚至拿掉某些局部构件其整体性能依然不会有显著的变化。然而，结构的局部破损通常也会导致结构整体上的在很大程度上引起结构整体的承载失效，我们不得不对结构的局部损坏进行深入的研究。近年了，小波时频联合分析方法引入到损伤识别中，由于其优秀的局部化能力，许多学者对此展开了广泛的研究 。但是，损伤识别方法的研究中，损伤信息的提取、方法研究还有许多有待改进的地方。此外，对于损伤机理及损伤类型的识别非常欠缺。国内的桥梁检测依然停留在基于传统的检测测试技术上的静态分析，如桥墩沉陷、构件应力状况和环境状态分析单独分析，不足以充分利用对桥梁监测采集到的信息，缺乏有效利用。

　　最后，现代桥梁健康监测预警系统 除了传统的故障诊断、损伤检测及健康评价外又赋予了许多新的内涵，如通过对结构状态的长期自动监测，保证结构在设计标准下能够正常运行;与此同时，根据结构状态变化与环境的关系，逐步制订结构自身的安全标准的数据库并为桥梁设计提供更真实的“环境模拟”。智能预警系统的研发是一件十分复杂的系统工程，它涉及了振动理论、传感技术、测试技术、系统辨识理论、信号分析处理、数据通信、计算机软/硬件、随机过程和可靠度等多门学科综合的新型学科，需要在实际工程应用中不断的发展和完善。到目前为止，真正的结构智能预警系统还没有见诸报道，所幸这一问题已经引起了许多学者包括政府机关在内的广泛关注。如：由重庆高速公路发展有限公司承担，同济大学、重庆大学参与完成的大佛寺长江大桥安全监测系统 ;陕西省为有效应对全省城市桥梁可能出现的重大事故而建立的陕西省应对桥梁重大事故的应急机制 等等。他们的工作对桥梁预警系统的研发提供了宝贵的参考资料。

bbok

认识挺深刻的

[ 本帖最后由 fengchunlijdb 于 2008-5-28 07:42 编辑 ]

hhx

　　结构健康监测技术是多学科理论、方法和技术相互结合交叉的一门新兴研究领域，涉及到土木工程、数学、控制论和优化理论等众多学科的知识，在应用上又与其它许多领域的工程技术密切相关，如传感器技术、IT技术和3S技术等。随着科学技术的发展，结构健康监测技术也在不断地完善。

　　对于进一步的研究，本人觉得有如下几方面的问题值得重视：

　　一、发展智慧传感器及其技术

　　光导纤维、压电材料、碳纤维、形状记忆合金等智能材料和传感组件比传统传感器更适合结构健康监测，但目前的产品研发水平和规模还需要提高。智慧传感器的稳定性和耐久性尚需加强。先进的无线传感器及其网络传输技术是建立可靠的健康监测系统的硬件基础，也是结构健康监测能够逐渐普及的强有力保障，需要进行及时深入的研究。

　　二、提高模态分析和模型修正技术的精度和水平

　　目前的大多数损伤识别方法都需要高级模态分析技术和精确的有限元模型，

　　对于大型复杂结构尤其如此。然而限于传感器的数量和监测投入，现有的模态分析理论和技术不能满足复杂结构的模态提取和分析，对自然激励技术(NExT)、特征系统实现算法(ERA)及随机子空间等方法深入研究是当务之急。实际结构和有限元模型存在着误差，寻找更准确便捷的模型修正方法和手段将明显提高损伤识别和监测的水平。

　　三、改善目前结构损伤识别方法的有效性

　　到目前为止，土木工程领域的研究者对土木工程损伤识别的研究至少有30年的时间，但问题仍然没有得到有效解决。目前结构损伤识别方法有一下几点不足和误区：

　　1 缺少敏感的通用的损伤量化指标。良好的损伤指针通过信号特征应该能够准确地识别出结构损伤的出现时刻、位置和程度。小波分析技术和基于统计模式识别、智能分类机器的方法具有较好的发展前景。

　　2 过度依靠传统的模态分析技术。传统的模态分析技术既有成熟可靠等优点，又有需要大量传感器以及对损伤不敏感等不足。由于损伤前后结构的振型和频率改变并不明显，如果简单地使用现有模态分析手段而不结合其它领域的技术，实现结构健康监测是不可能的。

　　3 不明确损伤识别方法的检验标准。目前许多损伤识别方法仅仅依靠有限元模拟来验证，不考虑实际测量无法提供足够的传感器、测量参数难以采集、对轻微损伤不够敏感以及将复杂结构简化成简单结构存在极大的误差等现实问题。

　　重视并弥补这些不足，将有效地提升结构健康监测研究的水平。

　　四、建立结构健康监测系统的设计指南和标准

　　目前国内外均缺少结构健康监测系统的设计标准。针对不同形式的结构，健康监测系统设计标准应满足如下要求：详细规定监测系统的组成;对监测的力学和性能参数做出具体的要求;对传感器的类型、性能和布置准则做出规定;提供相应的损伤识别方法;建立结构健康状态的评定标准。

　　总之，我们仍需不断完善现有的健康监测研究成果，探索和尝试更新更先进的理论、方法和技术，并进行实际工程结构的试验研究和应用，以推动结构健康监测的发展。

bbok

统计模式识别、智能分类机器的方法也有其缺点，实际的工程结构光是完整的训练样本就无法获得。

dfjjfd

好贴

amuking

还是不太懂啊

azureps

（最近的想法）目前感觉健康监测无非还是检测的那些常量进行时时的监控，判断是否还继续符合国家标准，符合说明没问题，不符合说明建筑有问题。这样至少存在两个问题：国标的建立是否合理？以及如何时时的对结构进行整体性能和局部性能的评判？这两方面恐怕更重要。一个大桥的评判方法、各测试数据的融合分析、智能化程度依然是这个问题的关键。

jingwei

受益匪浅！谢谢！